半橋驅(qū)動(dòng)電路中阻尼電路設(shè)計(jì)

電力/功率開關(guān)(power switch)是每個(gè)電力/電源轉(zhuǎn)換器(power converter)的核心。它們的運(yùn)行將直接決定產(chǎn)品的可靠性和效率。為提高電力/電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)電路的性能，跨電力/功率開關(guān)放置阻尼電路以抑制電壓脈沖尖峰和開關(guān)時(shí)由電路寄生電感等寄生元件引起的振鈴。合適的阻尼電路將帶來(lái)高可靠性，高效率和低的EMI。多種不同的阻尼電路中RC阻尼電路最為流行。

半橋驅(qū)動(dòng)電路中阻尼電路設(shè)計(jì)

如何設(shè)計(jì)如下圖半橋驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)阻尼電路?

其中Q1和Q2為Power NMOSFET，Q1為同步續(xù)流器件。

Q2關(guān)閉時(shí)(負(fù)載)電感電流如紅色電流環(huán)路，電流流過(guò)Q1體二極管，當(dāng)Q1打開時(shí)電流流過(guò)Q1 MOSFET溝道。為避免Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的異常工作條件，Q1關(guān)斷和Q2打開之間會(huì)有一段時(shí)間間隔，稱為死區(qū)時(shí)間。這一段時(shí)間內(nèi)電流仍然流過(guò)Q1體二極管。同步續(xù)流電路可降低發(fā)熱以提高整體效率。

當(dāng)Q2打開時(shí)，電流換向至藍(lán)色環(huán)路，Q1會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)效應(yīng)。我們將在Q2 VDS 波形中觀察到Q1反向恢復(fù)效應(yīng)感應(yīng)振蕩(振蕩頻率f0=31.25MHz)如下圖。

識(shí)別造成Q1反向恢復(fù)效應(yīng)感應(yīng)振蕩的等效電路如下。

其中

LLK是總的寄生電感，包括PCB銅跡線電感，Q1封裝電感，Q2器件電感等。

CLK是總的寄生電容，主要包括Q1 COSS 和體二極管反向恢復(fù)效應(yīng)電容。

Q2看作一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)。

跨Q1 DS極放置RC電路振蕩將被抑制。包含RC snubber的等效電路如下圖。

上面兩幅圖僅為產(chǎn)生振蕩及抑制振蕩部分的等效電路。電容上下兩側(cè)均有寄生電感，也許寄生電感繪制到Q2下面更容易理解。

剛剛我們討論了Q2打開時(shí)，產(chǎn)生振蕩及增加阻尼電路。同樣Q2關(guān)閉時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生振蕩及需要增加阻尼電路跨到Q2 DS極。盡管Q2關(guān)閉時(shí)寄生電容主要包含Q2 COSS，不存在二極管反向恢復(fù)效應(yīng)電容，寄生電感也不盡相同，但產(chǎn)生振蕩的原理相同。

聚焦開關(guān)節(jié)點(diǎn)(大的dv/dt)，識(shí)別大的di/dt(大電流變化率)環(huán)路以確定是否需要增加阻尼電路。識(shí)別寄生電感，(寄生)電容等效電路以確定產(chǎn)生振蕩的原因，其中電感是寄生電感，包括漏感，不是負(fù)載電感，不是變壓器勵(lì)磁電感。對(duì)于負(fù)載電感有自己的消磁電路。

RC阻尼電路原理

分析下圖RLC電路。

圖中二階電路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般形式為

其中ζ表示阻尼系數(shù)，ωn表示(電路)的固有振蕩頻率(或無(wú)阻尼頻率)，單位為弧度/秒。

比較上圖RLC電路的傳遞函數(shù)與二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般形式，得到，

電路的固有頻率(或無(wú)阻尼頻率)為，

電路中電阻會(huì)影響電路阻尼系數(shù)，電路的阻尼系數(shù)為，

對(duì)于各種阻尼系數(shù)RLC電路的響應(yīng)如下圖

針對(duì)上述RLC電路，

電阻不存在時(shí)，R=∞，阻尼系數(shù)=0，即下圖電路情形，則電路不會(huì)出現(xiàn)損耗(無(wú)阻尼)，電路會(huì)永久振蕩。實(shí)際電路中總會(huì)存在串聯(lián)及并聯(lián)電阻，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)阻尼電路。

阻尼系數(shù)=1，電路為臨界阻尼情形。

阻尼系數(shù)>1，電路為過(guò)阻尼情形，電路響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，波形需要更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值。

所以我們選擇R值使電路為臨界阻尼情形。

某些電路中，僅使用Rs來(lái)抑制振蕩可行。但在開關(guān)電路中，若僅在開關(guān)器件兩端跨電阻則整個(gè)電路無(wú)法滿足預(yù)期功能，這里使用了如下圖RC阻尼電路。

則RC緩沖電路的截止頻率fC為,

選擇合適的fC值，太高不能有效地阻尼振蕩，太低則無(wú)法滿足開關(guān)預(yù)期功能。推薦電容選擇起始點(diǎn)使RC緩沖電路截止頻率fC=f0(文中半橋驅(qū)動(dòng)電路例子中31.25MHz)。

RC阻尼電路元件值計(jì)算步驟

1 測(cè)量電路振蕩頻率f0，即上面31.25MHz的波形頻率。

2 測(cè)定等效電路中LLK，CLK

增加電容C1并聯(lián)開關(guān)器件并測(cè)量新的振蕩頻率。電容C1起始選擇可為開關(guān)器件輸出電容的3-5倍。注意增加電容時(shí)盡量減少其它寄生參數(shù)及影響LLK。兩個(gè)獨(dú)立方程(兩個(gè)振蕩頻率)計(jì)算得到兩個(gè)變量LLK及CLK。

3 令阻尼系數(shù)為1，通過(guò)下面方程式，得到RS初始值，選擇實(shí)際電阻得到實(shí)際RS值。

4 基于實(shí)際RS值，通過(guò)下列方程式，得到CS初始值，選擇實(shí)際電容得到實(shí)際CS初始值。

5 測(cè)量增加RC阻尼電路后開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形，進(jìn)一步分析電路或通過(guò)測(cè)定EMI，確定最終RS及CS阻尼電路元器件值。

比較本文半橋驅(qū)動(dòng)電路增加RC阻尼電路前后Q2 VDS 波形。

左圖增加RC阻尼電路前波形，右圖為增加RC阻尼電路后波形。

總結(jié)

理解RC阻尼電路原理及設(shè)計(jì)步驟。