半桥驱动电路中阻尼电路设计

电力/功率开关(power switch)是每个电力/电源转换器(power converter)的核心。它们的运行将直接决定产品的可靠性和效率。为提高电力/电源转换器开关电路的性能，跨电力/功率开关放置阻尼电路以抑制电压脉冲尖峰和开关时由电路寄生电感等寄生元件引起的振铃。合适的阻尼电路将带来高可靠性，高效率和低的EMI。多种不同的阻尼电路中RC阻尼电路最为流行。

半桥驱动电路中阻尼电路设计

如何设计如下图半桥驱动电路中开关阻尼电路? 

其中Q1和Q2为Power NMOSFET，Q1为同步续流器件。

Q2关闭时(负载)电感电流如红色电流环路，电流流过Q1体二极管，当Q1打开时电流流过Q1 MOSFET沟道。为避免Q1和Q2同时导通的异常工作条件，Q1关断和Q2打开之间会有一段时间间隔，称为死区时间。这一段时间内电流仍然流过Q1体二极管。同步续流电路可降低发热以提高整体效率。

当Q2打开时，电流换向至蓝色环路，Q1会产生反向恢复效应。我们将在Q2 VDS 波形中观察到Q1反向恢复效应感应振荡(振荡频率f0=31.25MHz)如下图。

识别造成Q1反向恢复效应感应振荡的等效电路如下。

其中

LLK是总的寄生电感，包括PCB铜迹线电感，Q1封装电感，Q2器件电感等。

CLK是总的寄生电容，主要包括Q1 COSS 和体二极管反向恢复效应电容。

Q2看作一个简单的开关。

跨Q1 DS极放置RC电路振荡将被抑制。包含RC snubber的等效电路如下图。

上面两幅图仅为产生振荡及抑制振荡部分的等效电路。电容上下两侧均有寄生电感，也许寄生电感绘制到Q2下面更容易理解。

刚刚我们讨论了Q2打开时，产生振荡及增加阻尼电路。同样Q2关闭时，也会产生振荡及需要增加阻尼电路跨到Q2 DS极。尽管Q2关闭时寄生电容主要包含Q2 COSS，不存在二极管反向恢复效应电容，寄生电感也不尽相同，但产生振荡的原理相同。

聚焦开关节点(大的dv/dt)，识别大的di/dt(大电流变化率)环路以确定是否需要增加阻尼电路。识别寄生电感，(寄生)电容等效电路以确定产生振荡的原因，其中电感是寄生电感，包括漏感，不是负载电感，不是变压器励磁电感。对于负载电感有自己的消磁电路。

 

RC阻尼电路原理

分析下图RLC电路。

图中二阶电路网络系统的传递函数为

二阶系统传递函数的一般形式为

其中ζ表示阻尼系数，ωn表示(电路)的固有振荡频率(或无阻尼频率)，单位为弧度/秒。

比较上图RLC电路的传递函数与二阶系统传递函数的一般形式，得到，

电路的固有频率(或无阻尼频率)为，

电路中电阻会影响电路阻尼系数，电路的阻尼系数为，

对于各种阻尼系数RLC电路的响应如下图

针对上述RLC电路，

电阻不存在时，R=∞，阻尼系数=0，即下图电路情形，则电路不会出现损耗(无阻尼)，电路会永久振荡。实际电路中总会存在串联及并联电阻，不会出现无阻尼电路。

阻尼系数=1，电路为临界阻尼情形。

阻尼系数>1，电路为过阻尼情形，电路响应时间变长，波形需要更长时间才能达到稳定值。

所以我们选择R值使电路为临界阻尼情形。

某些电路中，仅使用Rs来抑制振荡可行。但在开关电路中，若仅在开关器件两端跨电阻则整个电路无法满足预期功能，这里使用了如下图RC阻尼电路。

则RC缓冲电路的截止频率fC为,

选择合适的fC值，太高不能有效地阻尼振荡，太低则无法满足开关预期功能。推荐电容选择起始点使RC缓冲电路截止频率fC=f0(文中半桥驱动电路例子中31.25MHz)。

RC阻尼电路元件值计算步骤

1 测量电路振荡频率f0，即上面31.25MHz的波形频率。

2 测定等效电路中LLK，CLK

增加电容C1并联开关器件并测量新的振荡频率。电容C1起始选择可为开关器件输出电容的3-5倍。注意增加电容时尽量减少其它寄生参数及影响LLK。两个独立方程(两个振荡频率)计算得到两个变量LLK及CLK。

3 令阻尼系数为1，通过下面方程式，得到RS初始值，选择实际电阻得到实际RS值。

4 基于实际RS值，通过下列方程式，得到CS初始值，选择实际电容得到实际CS初始值。

5 测量增加RC阻尼电路后开关节点电压波形，进一步分析电路或通过测定EMI，确定最终RS及CS阻尼电路元器件值。

比较本文半桥驱动电路增加RC阻尼电路前后Q2 VDS 波形。

左图增加RC阻尼电路前波形，右图为增加RC阻尼电路后波形。

总结

理解RC阻尼电路原理及设计步骤。