用于功率开关的电阻-电容(RC)缓冲电路设计

　　功率开关是所有功率转换器的核心组件。功率开关的工作性能直接决定了产品的可靠性和效率。若要提升功率转换器开关电路的性能，可在功率开关上部署缓冲器，抑制电压尖峰，并减幅开关断开时电路电感产生的振铃。正确设计缓冲器可提升可靠性和效率，并降低EMI。在各种不同类型的缓冲器中，电阻电容(RC)缓冲器是最受欢迎的缓冲器电路。本文介绍功率开关为何需要使用缓冲器。此外还提供一些实用小技巧，助您实现最优缓冲器设计。
　　


　　图1： 四种基本的功率开关电路
　　有多种不同的拓扑用于功率转换器、电机驱动器和电灯镇流器中。图1显示四种基本的功率开关电路。在所有四种基本电路中——事实上在大部分功率开关电路中——蓝线以内表示的是同样的开关二极管电感网络。该网络在所有这些电路中均具有相同的特性。因此，可利用图2中的简化电路进行开关瞬变时针对功率开关的开关性能分析。由于开关瞬变期间，电感电流几乎不变，因此采用电流源代替电感，如图所示。该电路的理想电压和电流开关波形同样如图2所示。
　　


　　图2 简化的功率开关电路及其理想开关波形
　　MOSFET开关关断时，它两端的电压将上升。然而，电流IL将继续流过MOSFET，直到开关电压到达Vol。二极管导通后，电流IL开始下降。MOSFET开关导通时，情况相反，如图所示。这类开关称为“硬开关”。开关瞬变期间，必须同时支持最大电压和最大电流。因此，这种“硬开关”会使MOSFET开关承受高电压应力。
　　


　　图3 MOSFET开关关断瞬变时的电压过冲
　　在实际电路中，开关应力要高得多，因为存在寄生电感(Lp)和寄生电容(Cp)，如图4所示。由于PCB布局与走线，Cp包含开关输出电容和杂散电容。Lp包含PCB路由寄生电感和MOSFET引线电感。这些来自功率器件的寄生电感和电容组成滤波器，并在关断瞬变发生后立即产生谐振，从而将过量电压振铃叠加到器件上，如图3所示。若要抑制峰值电压，可在开关上部署一个典型RC缓冲器，如图4所示。电阻值必须接近需减幅的寄生谐振阻抗值。缓冲器电容必须大于谐振电路电容，同时又必须足够小，以便将电阻功耗保持在最低水平。
　　


　　图4： 电阻电容缓冲器配置
　　如果功耗并非关键因素，那么有一种方法可以快速设计RC缓冲器。由经验可知，选择缓冲器电容Csnub，使其等于开关输出电容值与安装电容估算值之和的两倍。选择缓冲器电阻Rsnub ，所以：
　　


　　Rsnub上的功耗可估算如下(给定开关频率fs)：
　　


　　当这一简单的经验设计不再限制峰值电压时，便可执行优化步骤。
　　优化RC缓冲器： 在那些功率损耗很重要的应用中，应当采用优化设计。
　　首先，测量MOSFET开关节点(SW)在关断时的振铃频率(Fring)。在MOSFET上焊接一个100 pF低ESR薄膜电容。增加电容，直到振铃频率为初始测量值的一半。现在，由于振铃频率与电路电感和电容乘积的平方根成反比，开关总输出电容(增加的电容与初始寄生电容之和)增加四倍。因此，寄生电容Cp为外部所增加电容值的1/3。现在，式通过下可获得寄生电感Lp：
　　


　　一旦求出寄生电感Lp和寄生电容Cp，缓冲器电阻Rsnub和电容Csnub便可根据下列计算进行选择。
　　


　　如果发现缓冲器电阻值过低，可对其进一步微调以降低振铃。
　　Rsnub上的功耗(给定开关频率fs)等于。