試驗電路及電路板 - DC-DC轉換器中PCB布線寄生電感對于效率的影響

　　所使用的電路是工作于開環(huán)的同步整流拓撲。這是為了排除控制環(huán)路可能對電路性能造成的任何影響，并讓我們將注意力集中到功率的轉換效率中，尤其是MOSFET的性能。我們知道高電感狀況下會產生嚴重的振鈴，尤其是在開關節(jié)點處。選用柵極驅動器IC，能夠在不造成不良影響的情況下承受這種振鈴。這種四層電路板使用了兩盎司的銅材料，內部兩層為接地層和電源層。布線時應留意優(yōu)良布線的所有規(guī)則。

　　柵極電感的影響

　　圖4 所示的效率是作為柵極電感和開關頻率函數。從圖中可知：

　　開關頻率為300kHz時柵極電感對效率的影響很小。

　　開關頻率為600kHz時，柵極電感的影響明顯多了，在20A下效率有1.2%的變化。

　　在1MHz下，效率的惡化幾乎完全消失。我們沒有研究這個原因，可以猜想50%的可能性是共振的因素去抵消它的損耗。應進一步研究MOSFET柵極驅動的共振現象。

　　我們觀察到柵極電感對于控制和同步MOSFET的效率影響甚微。

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　　源極電感的影響

　　源極電感對效率有著更明顯的影響。某些情況下，在達到最大電流之前我們不得不中止試驗，因為MOSFET的溫度大于130℃。圖5所示為控制MOSFET的研究結果，仔細檢查這些結果可知：

　　頻率為300kHz，電感為100%時，DC-DC轉換器不能在20A全電流狀態(tài)下運行，因為MOSFET的溫度超過130℃。在50%電感，頻率為600kHz和1MHz 條件下也可發(fā)現同樣的情況。

　　觀察到由于源極電感引起的效率惡化是比沒有源極電感的情況更為嚴重。當電感為50%，電流15A時，即便在300 kHz的開關頻率下效率也會降低7%。當電感為100%時，效率惡化為11%。

　　在 600kHz和1MHz的開關頻率下，其影響與沒有源極電感的情況相比更加明顯，效率惡化也更為嚴重(見圖5)。

　　明顯地，即便是最小的源極電感也會降低效率，尤其是切換頻率≥600kHz時。

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　　漏極電感的影響

　　漏極電感會引起嚴重的振鈴，可能足以導致MOSFET在極限條件下擊穿 (圖3)。它亦對效率有不利影響。

　　圖6所示效率是指不同頻率下負載電流和漏極電感的函數。此外，可觀察到如下結果：

　　當電流為15A時，在300kHz和50%電感條件下我們就不得不中止試驗，因為MOSFET的溫度超過130℃。在同樣頻率，100%電感的條件下，我們無法得到任何讀數，因為振鈴太過嚴重。

　　在300kHz、12A條件下，漏極電感的50%比0%的效率將減少7%。由于MOSFET溫度過高，15A以上便無法進行試驗。

　　在600kHz，12.5A條件下， 漏極電感的50%比0%的效率將減少8.5%。由于MOSFET溫度過高，12.5A以上便無法進行試驗。

　　在1MHz時，由于MOSFET溫度過高，5A以上便無法進行試驗。

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　　柵-源極電感的影響

　　較大的源極電感會使效率明顯減小 (見圖5和圖7)。

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　　前面(見圖4)已顯示出效率對柵極電感的基本依賴關系。當結合小源極電感時，其整體狀況就相當清楚——較大的柵極電感必然造成較大的功率損耗。為了理解圖7所示的關系，我們進行了仿真 (見圖8)。

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　　該結果的解釋需要進一步研究?，F在我們可以說明，在電路板合理的電感值范圍內，漏極和源極電感必須減小，以確保高的轉換器效率。該仿真得出如下結果：

　　柵極和源極電感與MOSFET的柵源電容產生共振。HS-FET關斷柵-源時，電容通過這些電感路徑放電。MOSFET關斷后，電感將迫使柵極電流繼續(xù)流動并對柵-源電容進行反向充電。該充電將再次以相同方式放電并使HS-FET的柵-源電壓反向。根據減幅的情況，HS-FET可再次導通并出現巨大的短路現象。在如此高的柵極電感下，該影響變得嚴重。在某些情況下，甚至可以見到第二短路影響。作為這一共振電路的部分，源極電感還可以第二種方式發(fā)生作用。當發(fā)生短路電流時，源電感可限制短路電流的di/dt (電流隨時間的變化率)，從而限制損耗。源極電感還會對柵源電壓造成負反饋，并限制短路。在寄生柵極電感高的情況下，尤其會發(fā)生這些影響。為了獲得高效率，應該通過設計避免這種影響，即必須仔細設計將柵極電感降至最小。