開關(guān)器件作為數(shù)字電源的核心部件，其性能直接影響整個(gè)電源系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性。隨著開關(guān)頻率從傳統(tǒng)的 kHz 級(jí)躍升至MHz級(jí)，以及碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，線路寄生電感引發(fā)的過電壓、振蕩和損耗問題日益突顯。

一、線路寄生電感

在電路布局中，導(dǎo)線并非理想的無感導(dǎo)體。電流通過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成寄生電感。

它主要來源于電路中的導(dǎo)線、印刷電路板（PCB）走線、器件引腳以及連接部件等。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電感 L 定義為磁通鏈Φ與電流I的比值，即：L=Φ/I。

當(dāng)電流 I 隨時(shí)間變化時(shí)，電感L兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

其中 di/dt 是電流的變化率。

在開關(guān)器件的開關(guān)過程中，電流會(huì)發(fā)生快速變化，此時(shí)寄生電感就會(huì)發(fā)揮作用，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)開關(guān)器件的工作產(chǎn)生影響。

二、對(duì)開關(guān)器件的影響

1、產(chǎn)生電壓尖峰

當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，流經(jīng)開關(guān)器件的電流迅速下降，電流變化率di/dt很大。根據(jù)：

其中，V為寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，L為寄生電感。

寄生電感會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，疊加在電源電壓上，導(dǎo)致開關(guān)器件兩端出現(xiàn)電壓尖峰。過高的電壓尖峰可能會(huì)使開關(guān)器件發(fā)生擊穿損壞，嚴(yán)重影響開關(guān)器件的可靠性和壽命。

2、增加開關(guān)損耗

寄生電感的存在會(huì)使開關(guān)器件的開關(guān)過程變慢。開關(guān)損耗與開關(guān)時(shí)間密切相關(guān)，開關(guān)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，不僅會(huì)降低電源系統(tǒng)的效率，還會(huì)使開關(guān)器件發(fā)熱嚴(yán)重。

3、引發(fā)電磁干擾（EMI）

高頻開關(guān)器件在工作過程中，由于寄生電感的存在，會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩電流。這些高頻振蕩電流會(huì)通過導(dǎo)線、PCB 走線等向外輻射電磁波，形成電磁干擾（EMI）。

EMI 不僅會(huì)影響電源系統(tǒng)自身的正常工作，還可能對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致其他設(shè)備出現(xiàn)故障。

線路寄生電感對(duì)開關(guān)器件有著多方面的不利影響，會(huì)嚴(yán)重影響電源系統(tǒng)的性能和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要通過優(yōu)化電路布局、采用去耦電容與緩沖電路以及選擇合適的開關(guān)器件等措施來有效降低線路寄生電感帶來的不利影響。

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三、降低線路寄生電感影響的方案

1、優(yōu)化PCB布局設(shè)計(jì)

▍縮短功率回路路徑

?將功率開關(guān)器件、直流母線電容、驅(qū)動(dòng)電路等盡可能靠近布局，減少功率回路的面積。

?采用雙面布線的方式，在PCB正反兩面同時(shí)布設(shè)功率路徑，進(jìn)一步降低總電感。

▍增加接地層與合理層疊

?在功率層下方增加連續(xù)的大面積接地層，為電流提供低阻抗回流路徑，減少寄生電感。

?采用多層PCB結(jié)構(gòu)，合理安排電源層、地層和信號(hào)層，使功率信號(hào)與地層之間形成緊密耦合，提高抗干擾能力。

?減少過孔的使用，避免過孔帶來的寄生電感?；虿捎枚鄠€(gè)過孔并聯(lián)的方式降低等效電感。

▍加寬關(guān)鍵走線

對(duì)于功率回路中的關(guān)鍵走線，適當(dāng)增加走線寬度，電感值會(huì)降低。

2、選擇合適的器件與封裝

▍低寄生電感封裝

優(yōu)先選擇采用低寄生電感封裝技術(shù)的開關(guān)器件，能有效減少 PCB 上的寄生電感，提高開關(guān)器件的性能。

▍優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì)

?采用大面積焊盤設(shè)計(jì)，減少接觸電阻和寄生電感。

?合理設(shè)計(jì)焊盤的形狀和位置，使其與PCB走線的連接更加順暢，進(jìn)一步降低寄生電感。

3、采用去耦電容與緩沖電路

▍去耦電容的使用

在靠近功率管的直流母線兩端放置低等效串聯(lián)電感（ESL）的電容，用于降低高頻振蕩。為了涵蓋更寬頻帶的去耦需求，可以使用并聯(lián)電容網(wǎng)絡(luò)。

▍緩沖電路的設(shè)計(jì)

在開關(guān)器件的兩端或功率回路中加入緩沖電路。緩沖電路可以在開關(guān)器件開關(guān)瞬間吸收寄生電感釋放的能量，抑制電壓尖峰和電流振蕩。

4、主動(dòng)抑制技術(shù)應(yīng)用

▍軟開關(guān)技術(shù)

采用軟開關(guān)技術(shù)，減少寄生電感的影響。

?零電壓開關(guān)（ZVS）技術(shù)：通過在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容和在電路中加入電感等元件，使開關(guān)管在零電壓條件下導(dǎo)通，避免了電流與電壓的交疊，從而降低了開關(guān)損耗和電壓尖峰。

?零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)：通過控制電路使開關(guān)管在零電流條件下關(guān)斷，同樣可以減少寄生電感帶來的負(fù)面影響。

▍有源門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)

利用有源門極驅(qū)動(dòng)電路，通過自適應(yīng)控制門極電流，降低寄生電感引起的振蕩。

有源門極驅(qū)動(dòng)電路可以根據(jù)開關(guān)器件的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度和波形，優(yōu)化開關(guān)過程，減少電壓尖峰和開關(guān)損耗。

線路寄生電感對(duì)開關(guān)器件的影響不容忽視，它會(huì)導(dǎo)致多方面問題，嚴(yán)重影響電源系統(tǒng)的性能和可靠性。通過優(yōu)化PCB 布局設(shè)計(jì)、選擇合適的器件與封裝、采用去耦電容與緩沖電路以及應(yīng)用主動(dòng)抑制技術(shù)等一系列措施，可有效地降低線路寄生電感的不利影響，提高電源產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。

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