パワースイッチは、すべてのパワーコンバータの中核を成しています。 その動作により、製品の信頼性および効率が直接的に決定されます。 パワーコンバータのスイッチング回路性能を高めるために、スナバは、パワースイッチにわたって配置され、スイッチのオープン時に電圧スパイクを抑え、回路インダクタンスによって引き起こされるリンギングを減衰します。 スナバを適切に設計すると、信頼性と効率を高め、EMIを低減することができます。 多くの異なるスナバの種類の中で、抵抗器-コンデンサ(RC)スナバは最も人気のあるスナバ回路です。 この記事は、パワースイッチ向けにスナバが必要とされる理由を説明します。 最適なスナバ設計の実用的なヒントもいくつか提供します。
図1:4つの基本的なパワースイッチング回路。
パワーコンバータ、モータドライバおよびランプバラストで使用される多くの異なるトポロジがあります。 図1は、4つの基本的なパワースイッチング回路を示しています。 これら4つのすべての基本的な回路内で、そしてほとんどのパワースイッチング回路において、同じスイッチ-ダイオード-インダクタネットワークが青色の線内で示されています。 このネットワークの動作は、すべてのこれらの回路で同じです。 したがって、図2で示す簡略化した回路は、スイッチング過渡中のパワースイッチのスイッチング性能解析に使用することができます。 インダクタでの電流は、スイッチング過渡中にほとんど変更しないため、インダクタは、図で示す電流源で置き換えられます。 図2はまた、回路の理想的な電圧および電流スイッチング波形を示しています。
簡略化したパワースイッチング回路およびその理想的なスイッチング波形。
MOSFETスイッチがターンオフすると、スイッチにわたる電圧が上昇します。 しかし、スイッチの電圧がVolに達するまで、電流ILはMOSFETを通じて流れ続けます。 ダイオードがターンオンすると、電流ILは低下し始めます。 MOSFETスイッチがターンオンすると、図に示すように状況が逆になります。 このタイプのスイッチングは「ハードスイッチング」と呼ばれます。 最大電圧および最大電流は、スイッチング過渡中に同時にサポートされる必要があります。 したがって、この「ハードスイッチング」は、MOSFETスイッチを高ストレスにさらすことになります。
MOSFETスイッチターンオフ過渡での電圧オーバーシュート。
実際の回路では、図4で示す寄生インダクタンス(Lp)および寄生容量(Cp)により、スイッチングストレスはずっと高くなります。 Cpには、スイッチの出力容量と、PCBレイアウトおよび実装による浮遊容量が含まれます。 Lpには、PCBルートの寄生インダクタンスとMOSFETリードインダクタンスが含まれます。 パワーデバイスからのこれらの寄生インダクタンスおよび容量は、ターンオフ過渡の直後に共振するフィルタを形成するため、図3で示すように、デバイスに対して過度な電圧リンギングをスーパーインポーズします。 図4で示すように、ピーク電圧を抑えるため、標準のRCスナバがスイッチにわたって適用されます。 抵抗器の値は、抵抗器が減衰することを意図する寄生共振のインピーダンスに近い値となる必要があります。 スナバ容量は、共振回路容量よりも大きい必要がありますが、抵抗器の消費電力を最小限に抑えるために十分小さい必要があります。
抵抗器-コンデンサスナバ構成。
消費電力が重要ではない場合、RCスナバを迅速に設計するアプローチがあります。 実験的に、スイッチの出力容量および推定実装容量の合計の2倍の値と等しいスナバコンデンサCsnubを選択します。 となるように、スナバ抵抗器Rsnubが選択されます。 特定のスイッチング周波数(fs)でのRsnubにおける消費電力は、次の式により推定することができます。