1.关断时产生尖峰电压的原因:电路中的寄生电感(如MOS管封装电感、布线电感、变压器漏感)与MOS管结电容在关断瞬间发生LC振荡,同时MOS管关断速度极快,导致电感上产生“di/dt”压降叠加,形成尖峰电压。
2.公式推导证明:
(1)关断瞬间:MOS管电流从 快速下降到0,电流变化率 为负值(电流减小所以变化率为负),因此电感两端会产生一个反向感应电压 (极性为“阻碍电流减小”),满足
由于MOS管截止,这个反向感应电压会全部叠加在MOS管两端,即:
其中 为输入电压,是寄生电感产生的感应电压——这就是尖峰电压的核心来源.
(2)LC振荡会进行尖峰放大:
实际电路中,MOS管存在结电容 (或并联的吸收电容),与寄生电感 L 构成 LC 振荡回路。
关断时,电感储存的能量 会向电容 转移,充电过程满足能量守恒:
整理得振荡过程中的最大尖峰电压 :
该公式表明:寄生电感 L 越大、结电容越小、导通电流越大,关断时的尖峰电压 就越高。
3.抑制尖峰电压的方法:从以上尖峰电压的推导公式发现,尖峰电压的大小与关断时间,寄生电感L,结电容有关。所以抑制MOS管尖峰电压的核心思路是削弱寄生电感的感应效应、优化能量释放路径、减缓电流变化率。
(1)减小功率回路寄生电感
缩短功率回路布线长度,避免导线绕弯、交叉,优先采用“短、粗、直”的铜箔或导线功率回路;(MOS管、电感、电容、负载)尽量紧凑布局,减少回路面积(寄生电感与回路面积正相关);选用低封装电感的MOS管(如DFN、TO-252封装,比传统TO-220封装寄生电感小50%以上),避免使用引脚过长的器件。
(2)增加能量吸收/缓冲元件
在MOS管漏极与源极之间并联“电阻+电容”串联的缓冲器。电容直接吸收寄生电感的能量,电阻抑制LC振荡并消耗部分能量,典型选型为电容1nF~10nF、电阻10Ω~100Ω(需根据实际功率匹配)。
并联TVS瞬态抑制二极管:在MOS管D-S间反向并联TVS,当尖峰电压超过TVS的击穿电压时,TVS迅速导通,将尖峰电压钳位在安全值(需确保TVS的耐压值高于正常工作电压,且响应速度≤10ns)。
(3)优化MOS管参数与驱动设计:
选用高结电容的MOS管:越大,对寄生电感能量的“容纳能力”越强,尖峰电压越低(需平衡开关损耗,过大会增加开通损耗)。
-减缓MOS管关断速度:通过调整驱动电路的限流电阻(增大栅极串联电阻),延长关断时间,降低电流变化率,从而减小寄生电感的感应电压(需注意:关断时间过长可能增加MOS管的关断损耗,需在尖峰与损耗间权衡)。