尖峰抑制——大廠給出的緩沖電路RCD設(shè)計(jì)方法

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Figure 2.為使用 ROHM 的 SiC MOSFET (SCT2080KE) 在Turn OFF 時(shí)的電壓尖峰波形。HVdc 電壓為 800V 時(shí)，VDS_SURGE為 961V，振鈴頻率約為 33MHz。使用方程式（1）根據(jù)該波形計(jì)算出 LMAIN 約 110nH。

接下來(lái)，在電路中添加 Figure 3.所示的緩沖電路 CSNB，事實(shí)上 LMAIN 被去除掉的 Turn OFF 電壓尖峰波形即為 Figure 4 所示波形。

這個(gè)時(shí)候電壓尖峰降低了 50V 以上(約 901V)，振鈴頻率也變大為 44.6MHz，可知包含 CSNB 在內(nèi)的電路網(wǎng)中的 LMAIN 變小了。同樣，使用式（1）可算出 LMAIN 約為 71nH。

緩沖電路分為由電阻、線圈和電容器等被動(dòng)部件組合的電路，和包含半導(dǎo)體元器件的主動(dòng)電路。(*1）本應(yīng)用筆記將對(duì)無(wú)需控制、成本優(yōu)良的電路方式進(jìn)行說(shuō)明。

Figure 5.為緩沖電路示例。MOSFET 橋式結(jié)構(gòu)的上下部連接了電容 CSNB 的 C 緩沖電路(a)，在各開(kāi)關(guān)元件的漏極源極之間連接電阻 RSNB 和電容 CSNB 的 RC 緩沖電路(b)，在 RC 緩沖電路中追加二極管的放電型 RCD 緩沖電路(c)， 將放電型 RCD緩沖電路的放電路徑變更而成的非放電型 RCD 緩沖電路(d)。

為了更好地發(fā)揮其的效果，必須將這些緩沖電路盡可能布局在在開(kāi)關(guān)元件的附近。

(a)零件數(shù)目少,但必須連接到橋式結(jié)構(gòu)的上部和下部之間，因此缺點(diǎn)是線路會(huì)變得較長(zhǎng)，因此通常不是用分立元器件，而是多用 2 in 1 的分立元器件模塊。

(b)可在各開(kāi)關(guān)元件附近能布局緩沖電路，不過(guò)，必須確保每次元件 Turn ON 時(shí) CSNB 中積存的全部能量均由 RSNB消耗掉。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率變高時(shí)，RSNB 所消耗的電力可能會(huì)變?yōu)閿?shù) W，而 CSNB 很難很大，所以抑制尖峰的效果也會(huì)變得有限。此外，RSNB 的尖峰吸收能力有限，因此抑制效果也會(huì)受限。

（c）的 RSNB 消耗的電力與(b)相同,但因?yàn)橹唤?jīng)由二極管吸收尖峰，比起(b)的吸收效果高、更實(shí)用。但是，需要注意使用的二極管的恢復(fù)特性，因?yàn)槲占夥鍟r(shí)的電流變化大，需要極力減少緩沖電路的配線電感。另外，如果將 RSNB 與 CSNB 并聯(lián)，在動(dòng)作上也是相同的。

（d）的 RSNB 只消耗 CSNB 所吸收的電壓尖峰能量，CSNB 所積蓄的能量不會(huì)每次開(kāi)關(guān)都充分釋放出來(lái)。因此，即使開(kāi)關(guān)頻率加快，RSNB 的消耗功率也不會(huì)變得很大，可以將 CSNB 增大，大幅提高電路的抑制效果。但樣線路布局變得復(fù)雜，如果不是4 層以上的基板，布線會(huì)極為困難。

如上所述，這里介紹的緩沖電路各有長(zhǎng)短，需要根據(jù)電源電路結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換功率容量選擇最佳的緩沖電路。

Ｃ緩沖電路的設(shè)計(jì)

Figure 6.所示的 C 緩沖電路是通過(guò) CSNB 吸收 LMAIN 積蓄的能量。因此，在緩沖電路中形成的 LSNB 必須比 LMAIN 小。由于 CSNB中積蓄的能量基本不放電，靜電容量越大電壓尖峰抑制效果變好,但使用的電容器的等價(jià)串聯(lián)電感(ESL)也必須考慮到LSNB中。一般來(lái)說(shuō)，電容器的尺寸越大 ESL 越大，在選擇靜電容量時(shí)要注意。

RC 緩沖電路的設(shè)計(jì)

Figure 7.所示為 RC 緩沖電路動(dòng)作時(shí)的電流路徑。

與 C 緩沖電路一樣，CSNB 的數(shù)值由算式(2)決定，而 RSNB 的參考値根據(jù)算式(3)求得。

fSW:開(kāi)關(guān)頻率 

VSNB:放電緩沖電圧（VDS_SURGE的 0.9 倍）

決定 RSNB 之后，以算式(4)計(jì)算出 RSNB 的消耗功率，選定功率滿足要求的電阻。

對(duì)于 RC 緩沖電路，算式(4)追加了第二項(xiàng)，因?yàn)?fSW 或 VHVDC越高 RSNB 所消耗的電力越大，PSNB 太大導(dǎo)致電阻選定困難時(shí)，必須降低 CSNB 的靜電容量值重新計(jì)算。另外，為了 RC 緩沖電路充分吸收電壓尖峰，RSNB 和 CSNB 的諧振頻率ωSNB 必須比電壓尖峰的諧振頻率ωSURGE 低很多，需要結(jié)合算式(5)所示的 RC 緩沖電路的諧振頻率ωSNB 來(lái)確認(rèn)。

緩沖電路的設(shè)計(jì)放電型 RCD 緩沖電路的設(shè)計(jì)基本上與 RC 緩沖電路相同。只是由于是通過(guò)二極管吸收的尖峰，所以不需要通過(guò)算式(5)確認(rèn)諧振頻率。

并且，二極管必須選定為恢復(fù)電流小的型號(hào)。

緩沖電路的設(shè)計(jì)非放電型 RCD 緩沖電路與放電型 RCD 緩沖電路不同，RSNB消耗的電力僅限于電壓尖峰的能量，用于抑制容許損失的 RSNB的選擇范圍很廣。因此可以增大 CSNB 的靜電容量，提高鉗位的效果。

CSNB 由算式(2)決定，RSNB 由算式(3)決定,而 RSNB 的消耗功率由算式(6)決定，沒(méi)有算式(4)中包含 CSNB 及 fsw 的第二項(xiàng)。因此，由 CSNB 或 fsw 產(chǎn)生的消耗功率增加基本沒(méi)有，能選擇大的靜電容量的 CSNB，不僅僅緩沖電路的鉗位效果更好，還能對(duì)應(yīng)fsw 的高頻化。

Figure 8.所示為非放電型 RCD 緩沖電路動(dòng)作時(shí)的放電路徑。因?yàn)樯媳鄣募夥宄?PGND、下臂的尖峰朝向 HVdc，放電流經(jīng)由 RSNB 流動(dòng)，不那么受線路電感影響。另一方面，連接到MOSFET 的漏極源極之間的布線電感 LSNB 因?yàn)殡娏髯兓螅姼兄敌枰M量小。

Figure 9 是對(duì)非放電 RCD 緩沖電路使用 ROHM 評(píng)估基板（P02SCT3040KR-EVK-001）進(jìn)行效果驗(yàn)證的測(cè)試電路(a)和波形(b)，該評(píng)估基板使用了 ROHM 的 SiC MOSFET（SCT3080KR）。

RG_EXT 為 3.3Ω, HVdc 為 800V，漏極電流 ID 為約 70A 時(shí)的Turn OFF 波形。

當(dāng)不連接緩沖電路時(shí)，電壓尖峰高達(dá) 1210V，添加緩沖電路后降低為 1069V，減少了約 12%。

Figure 10.是對(duì)比 Buck Converter 的變換效率的圖表。表示輸入電壓 400V，輸出電壓 200V，RG_EXT 6.8Ω，振蕩頻率100kHz 這一條件下的效率。

當(dāng)負(fù)載功率在 1kW～4.8kW 之間變化時(shí)，約 4kW 以下無(wú)緩沖電路的情況下的效率提高了最大 0.4%；另一方面，在 4kW以上有緩沖電路情況下則效率提高了 0.15%。這是因?yàn)樨?fù)載功率變大的話電壓尖峰造成的功率損失變大，于是緩沖電路的尖峰抑制造成的開(kāi)關(guān)損失就減少了。

最后說(shuō)明的是，Turn OFF 尖峰根據(jù)封裝的不同而有差異。

Figure 11.是 ROHM 的 SiC MOSFET 的代表性封裝,(a)是被廣泛采用的 TO-247N(3L)，(b)是近幾年漸漸擴(kuò)大采用的用于驅(qū)動(dòng)電路的源極端子(即所謂的開(kāi)爾文接法)的 TO-247-4L。

4L 型與 3L 型相比，改變了驅(qū)動(dòng)電路路徑，使開(kāi)關(guān)速度加快。由于這個(gè)原因，Turn ON 電壓尖峰和 Turn OFF 電壓尖峰變得更大。

Figure 12.為 3L 類(lèi)型和 4L 類(lèi)型的 Turn OFF 電壓尖峰的對(duì)比波形。VDS＝800V、RG_EXT＝3.3Ω、ID＝65A 時(shí)的 Turn OFF波形，漏極源極間電壓尖峰 3L 類(lèi)型為 957V，而 4L 類(lèi)型則為1210V。

如 Figure 7.和 Figure 8.所示，由于該尖峰產(chǎn)生的 VDS振鈴不僅流過(guò) CDS，也流過(guò) CDG 和 CGS，使 MOSFET 的柵源電壓 VGS產(chǎn)生預(yù)期之外的電壓尖峰，并有可能超越 VGS 的規(guī)格。關(guān)于 VGS的電壓尖峰抑制方法這里由另外的應(yīng)用筆記(*2)說(shuō)明。當(dāng)該筆記所記錄的方法抑制效果不足時(shí)，在漏極源極之間附加緩沖電路也是抑制 VGS 尖峰的有效手段。

如上所述，橋式電路中的 MOSFET 的柵極信號(hào)在 MOSFET之間相互關(guān)聯(lián)、動(dòng)作，并在柵極源極之間產(chǎn)生預(yù)料之外的電壓尖峰，其抑制方法需要考慮基板的線路布線，根據(jù)情況不同采取不同的對(duì)應(yīng)。期待這份筆記能作為有用的資料得到靈活運(yùn)用。

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