Conception de circuit d'amortissement résistance-capacité (RC) pour commutateurs de puissance

Les commutateurs de puissance sont au cœur de chaque convertisseur de courant. Leur fonctionnement détermine directement la fiabilité et le rendement du produit. Pour améliorer les performances du circuit de commutation des convertisseurs de courant, des circuits d'amortissement sont placés sur les commutateurs de puissance pour éliminer les pointes de tensions et atténuer l'oscillation causée par l'inductance de circuit à l'ouverture du commutateur. La conception correcte d'un circuit d'amortissement résulte en une fiabilité plus élevée, un rendement supérieur et des interférences électromagnétiques (EMI) inférieures. Parmi les différents types d'amortisseurs, le circuit d'amortissement résistance-capacité (RC) est le plus populaire. Cet article explique pourquoi un circuit d'amortissement est requis pour les commutateurs de puissance. Des informations pratiques pour une conception de circuit d'amortissement optimale sont également fournies.

De nombreuses topologies différentes sont utilisées dans les convertisseurs de courant, les variateurs moteurs et les ballasts. La Figure 1 illustre quatre circuits de commutation de puissance de base. Dans chacun de ces quatre circuits fondamentaux, comme dans la plupart des circuits de commutation de puissance, le même réseau d'inductances commutateur-diode est montré avec les lignes bleues. Le comportement de ce réseau est identique dans tous ces circuits. Par conséquent, un circuit simplifié comme celui illustré à la Figure 2 peut être utilisé pour l'analyse des performances de commutation pour les commutateurs de puissance durant un transitoire de commutation. Vu que le courant dans l'inductance ne change pratiquement pas durant un transitoire de commutation, l'inductance est remplacée par une source de courant, comme le montre l'illustration. La forme d'onde de commutation de courant et tension idéale du circuit est également illustrée à la Figure 2.

Lorsque le commutateur MOSFET est désactivé, la tension le traversant augmente. Toutefois, le courant I_L continue à passer dans le MOSFET jusqu'à ce que la tension du commutateur atteigne Vol. Le courant I_L commence à chuter lorsque la diode est activée. Quand le commutateur MOSFET est activé, la situation est inversée, comme le montre l'illustration. Ce type de commutation est appelé commutation dure. La tension et le courant maximum doivent être supportés simultanément durant le transitoire de commutation. Donc, cette commutation dure expose le commutateur MOSFET à une contrainte élevée.


Dans les circuits pratiques, la contrainte de commutation est beaucoup plus élevée à cause de l'inductance parasite (L_p) et de la capacité parasite (C_p), comme illustré à la Figure 4. C_p inclut la capacité de sortie du commutateur et la capacité parasite causée par le montage et la configuration des circuits imprimés. L_p inclut l'inductance parasite du trajet de circuit imprimé et l'inductance des bornes MOSFET. Ces capacités et inductances parasites des dispositifs de puissance forment un filtre qui résonne juste après le transitoire de blocage et se superpose par conséquent à l'oscillation de tension excessive des dispositifs, comme illustré à la Figure 3. Pour supprimer la tension de crête, un circuit d'amortissement RC typique est appliqué sur le commutateur, comme illustré à la Figure 4. La valeur de la résistance doit être proche de l'impédance de la résonance parasite qu'elle est destinée à atténuer. La capacité du circuit d'amortissement doit être supérieure à celle du circuit résonnant, tout en restant suffisamment petite pour maintenir la dissipation de puissance de la résistance au minimum.


Lorsque la dissipation de puissance n'est pas critique, il existe une approche de conception rapide pour un circuit d'amortissement RC. Empiriquement, choisissez le condensateur d'amortissement C_snub égal à deux fois la somme de la capacité de sortie du commutateur et la capacité de montage estimée. La résistance d'amortissement R_snub est sélectionnée de manière à ce que . La dissipation de puissance sur R_snub à une fréquence de commutation donnée (fs) peut être estimée comme suit :



Si cette conception empirique simple ne limite pas suffisamment la tension de crête, une procédure d'optimisation doit être appliquée.

Circuit d'amortissement optimisé : dans les cas où la dissipation de puissance est critique, une approche de conception optimisée doit être utilisée. Il faut d'abord mesurer la fréquence d'oscillation (F_ring) au nœud de commutateur MOSFET (SW) lorsqu'il se bloque. Soudez un condensateur à faible résistance série équivalente 100 pF de type film sur le MOSFET. Augmentez la capacité jusqu'à ce que la fréquence d'oscillation atteigne la moitié de la valeur initialement mesurée. La capacité de sortie totale du commutateur (la capacité ajoutée plus la capacité parasite initiale) est augmentée d'un facteur quatre, et la fréquence d'oscillation est inversement proportionnelle à la racine carrée du produit inductance capacité du circuit. La capacité parasite C_p est donc un tiers de la valeur de condensateur ajouté en externe. L'inductance parasite L_p peut maintenant être obtenue en utilisant l'équation suivante :



Une fois l'inductance parasite L_p et la capacité parasite C_p estimées, la résistance d'amortissement R_snub et le condensateur d'amortissement C_snub peuvent être sélectionnés sur la base du calcul suivant.





La résistance d'amortissement peut être davantage ajustée pour réduire l'oscillation si le résultat est insuffisant.

La dissipation de puissance sur R_snub à une fréquence de commutation donnée (f_s) est .

En utilisant toutes ces valeurs calculées, la conception d'un circuit d'amortissement de commutateur d'alimentation est complète et peut être implémentée dans l'application.