Progetto di soppressore a resistore-condensatore (RC) per interruttori di alimentazione

Gli interruttori di alimentazione sono al centro di tutti i convertitori di potenza. Il loro funzionamento determina direttamente l'affidabilità e l'efficienza del prodotto. Per migliorare le prestazioni di un circuito di commutazione dei convertitori di potenza, si pongono soppressori tra gli interruttori di potenza per sopprimere i picchi di tensione e smorzare le oscillazioni causate dall'induttanza del circuito quando un interruttore si apre. Una buona progettazione del soppressore può portare a una maggiore affidabilità, maggiore efficienza e minore interferenza elettromagnetica. Tra i molti tipi di soppressori, quello a resistore-condensatore (RC) è il circuito stabilizzatore più famoso. Questo articolo spiega perché è necessario un soppressore per gli interruttori di alimentazione e fornisce alcuni consigli pratici per creare un progetto ottimale.

Sono utilizzate molte topologie differenti nei convertitori di potenza, nei motore driver e nei ballast di illuminazione. La figura 1 mostra i quattro circuiti di commutazione elettrica di base. In tutti questi quattro circuiti fondamentali, e nella maggioranza dei circuiti di commutazione, il contorno blu rappresenta la stessa rete di interruttore-diodo-induttore. Il comportamento di questa rete identico in tutti questi circuiti. Quindi, si può utilizzare un circuito semplificato come quello mostrato nella figura 2 per l'analisi delle prestazioni di commutazione degli interruttori di alimentazione durante un transitorio di commutazione. Poiché la corrente nell'induttore quasi non cambia durante un transitorio di commutazione, l'induttore è sostituito da un generatore di corrente, come mostrato nella figura. La forma d'onda ideale di commutazione tensione e corrente del circuito è visualizzata nella figura 2.

Quando l'interruttore MOSFET si spegne, la tensione che lo attraversa sale. Il valore I_L di corrente tuttavia continuerà a passare per il MOSFET finché la tensione dell'interruttore non raggiunge Vol. I_L continuerà a scendere quando il diodo si accende. Quando l'interruttore MOSFET si accende, la situazione si ribalta, come mostrato nella figura. Questo tipo di commutazione è denominato "hard-switching". La massima tensione e massima corrente devono essere supportate simultaneamente durante il transitorio di commutazione. Pertanto, questo "hard-switching" espone l'interruttore MOSFET a forti sollecitazioni.


Nei circuiti pratici, la sollecitazione di commutazione è molto più alta a causa dell'induttanza parassita (L_p) e della capacità parassita (C_p) come mostra la figura 4. C_p include la capacitanza di uscita dell'interruttore e la capacità parassita dovute al layout e al montaggio della scheda. L_p include l'induttanza parassita della pista PCB e l'induttanza del conduttore MOSFET. Queste induttanze e capacitanze parassite dai dispositivi di potenza formano un filtro che risuona subito dopo il transitorio di spegnimento e pertanto sovrappone un'eccessiva oscillazione di tensione ai dispositivi, come mostrato nella figura 3. Per sopprimere la tensione di picco, viene applicato un tipico soppressore RC attraverso l'interruttore come mostra la figura 4. Il valore del resistore deve essere vicino all'impedenza della risonanza parassita che è destinato a smorzare. La capacitanza del soppressore deve essere maggiore di quella del circuito risonante, ma deve essere sufficientemente piccola da mantenere al minimo la dissipazione di potenza del resistore.


Laddove la dissipazione di potenza non è cruciale, l'approccio progettuale del soppressore RC è veloce. Nella pratica, si dovrà selezionare un C_snub del condensatore soppressore pari al doppio della somma della capacitanza di commutazione dell'interruttore e la stima di capacitanza al montaggio. Si seleziona un R_snub del resistore soppressore pari a . La dissipazione di potenza su R_snub a una data frequenza di commutazione (fs) può essere stimata:



Quando questo progetto semplice e pratico non limita sufficientemente la tensione di picco, verrà allora applicata la procedura di ottimizzazione.

Soppressore RC ottimizzato: nei casi in cui la dissipazione di potenza è cruciale, si dovrà applicare un approccio progettuale finalizzato all'ottimizzazione. Anzitutto, misurare la frequenza di oscillazione (F_ring) sul nodo dell'interruttore MOSFET (SW) quando si spegne. Saldare un condensatore a film tipo 100 pF e bassa ESR sul MOSFET. Aumentare la capacitanza fino a quando la frequenza di oscillazione è metà del valore misurato in origine. Ora la capacitanza di uscita totale dell'interruttore (la capacitanza originale più quella parassita) è aumentata di quattro volte, dato che la frequenza di oscillazione è inversamente proporzionale alla radice quadrata del prodotto di capacitanza dell'induttanza del circuito. Pertanto, la capacitanza parassita C_p è un terzo del valore del condensatore aggiunto esternamente. L'induttanza parassita L_p può ora essere calcolata con la seguente equazione:



Una volta ottenuti i valori di induttanza parassita L_p e capacità parassita C_p, si potranno scegliere i valori R_snub del resistore soppressore e C_snub del condensatore in base al calcolo seguente.





Il resistore soppressore può essere ulteriormente perfezionato per ridurre l'oscillazione nel caso si concluda che sia insufficiente.

La dissipazione di potenza su R_snub a ogni frequenza di commutazione data (f_s) è .

Utilizzando tutti i valori calcolati si completa il progetto del soppressore per interruttore di alimentazione, pronto per essere implementato nell'applicazione.