전원 스위치를 위한 저항기 커패시터(RC) 스너버 설계

전원 스위치는 모든 전력 컨버터의 중심부입니다. 전원 스위치의 작동에 따라 해당 제품의 신뢰성과 효율이 바로 결정됩니다. 전력 컨버터의 스위칭 회로의 성능을 향상시키기 위해, 전원 스위치에 걸쳐 스너버가 배치되어 전압 스파이크를 억제하고 스위치 개방 시 회로 유도 용량으로 인한 링잉을 줄입니다. 적절한 스너버 설계는 신뢰성과 효율을 향상시키고 EMI를 줄일 수 있습니다. 여러 다른 종류의 스너버 중, 저항기 커패시터(RC) 스너버는 가장 널리 사용되는 스너버 회로입니다. 이 기사에서는 전원 스위치에 저항기 커패시터 스너버가 필요한 이유를 설명합니다. 최적의 스너버 설계를 위한 몇몇 유용한 팁도 제공됩니다.

전력 컨버터, 모터 구동기 및 램프 밸러스트에는 여러 다양한 토폴로지가 사용됩니다. 그림 1은 4개의 기본 전원 스위칭 회로를 보여줍니다. 이러한 4개 기본 회로 내 및 대부분의 전력 스위칭 회로에서의 동일한 스위치 다이오드 인덕터 네트워크가 파란색 선 안에 표시되어 있습니다. 이 네트워크의 동작은 이 모든 회로에서 동일합니다. 그러므로 그림 2에 표시된 간소화된 회로는 스위칭 과도 상태 동안 전력 스위치를 위한 스위칭 성능 분석에 사용할 수 있습니다. 인덕터의 전류는 스위칭 과도 상태 동안 거의 변하지 않기 때문에, 그림에 표시된 대로 인덕터가 전류원으로 대체됩니다. 회로의 이상적인 전압 및 전류 스위칭 파형도 그림 2에 표시되어 있습니다.

MOSFET 스위치가 꺼지면 해당 스위치에 걸쳐 전압이 올라갑니다. 그러나 스위치 전압이 Vol에 도달할 때까지 전류 I_L가 MOSFET을 통해 계속 흐릅니다. 다이오드가 켜지면 전류 I_L가 떨어지기 시작합니다. MOSFET 스위치가 켜지면 그림에서와 같이 상황이 반대가 됩니다. 이러한 유형의 스위칭을 '하드 스위칭'이라고 합니다. 스위칭 과도 상태 동안 최대 전압 및 최대 전류가 동시에 지원되어야 합니다. 그러므로 이 '하드 스위칭'은 MOSFET 스위치를 높은 응력에 노출시킵니다.


실제 회로에서는, 그림 4에 표시된 기생 유도 용량(L_p) 및 정전 용량(C_p)으로 인해 스위칭 응력이 훨씬 높습니다. C_p는 스위치의 출력 정전 용량과 PCB 레이아웃 및 실장으로 인한 표유 정전 용량을 포함합니다. L_p은 PCB 경로의 기생 유도 용량과 MOSFET 리드 유도 용량을 포함합니다. 전력 소자의 이러한 기생 유도 용량 및 정전 용량은 끄기 과도 상태 직후 공명되는 필터를 형성하므로 그림 3에서처럼 장치에 대한 과도 전압 링잉을 중첩합니다. 피크 전압을 억제하기 위해 그림 4에서처럼 일반 RC 스너버가 스위치에 걸쳐 사용됩니다. 저항기의 값은 댐핑되도록 고안된 기생 공진의 임피던스에 가까워야 합니다. 스너버 정전 용량은 공진 회로 정전 용량보다 커야 하지만 저항기의 전력 손실을 최소한으로 유지할 정도로 작아야 합니다.


전력 손실이 심각하지 않은 경우 RC 스너버에 대한 빠른 설계 접근 방법이 있습니다. 경험상, 스위치 출력 정전 용량과 예측된 실장 정전 용량 합계의 2배에 해당하는 스너버 커패시터 C_snub를 선택합니다. 가 되도록 스너버 저항기 R_snub가 선택됩니다. 지정된 스위칭 주파수(fs)에서 R_snub에서의 전력 손실이 다음과 같이 추정됩니다.



이 간단한 경험적 설계로 피크 전압이 충분히 제한되지 않으면 최적화 단계가 적용됩니다.

최적화된 RC 스너버: 전력 손실이 심각한 경우 더욱 최적화된 설계 접근 방법을 사용해야 합니다. 먼저 꺼짐 상태의 MOSFET 스위치 노드(SW)에서 링잉 주파수(F_ring)를 측정합니다. MOSFET에 대해 필름 유형 100pF 저 ESR 커패시터를 납땜합니다. 링잉 주파수가 원래 측정된 값의 반이 될 때까지 정전 용량을 높입니다. 이제 스위치의 총 출력 정전 용량(추가된 정전 용량 + 원래 기생 정전 용량)이 4배로 증가합니다. 링잉 주파수가 회로의 유도 용량 정전 용량 제품의 제곱근에 반비례하기 때문입니다. 그러므로 기생 정전 용량 C_p는 외부적으로 추가된 커패시터 값의 1/3입니다. 이제 다음 등식을 사용하여 기생 유도 용량 L_p을 구할 수 있습니다.



기생 유도 용량 L_p 및 기생 정전 용량 C_p가 이해되면 다음 계산에 따라 스너버 저항기 R_snub 및 커패시터 C_snub를 선택할 수 있습니다.





아직 충분하지 않은 경우 링잉을 줄이기 위해 스너버 저항기를 더욱 세부 조정할 수 있습니다.

지정된 스위칭 주파수(f_s)에서 R_snub에서의 전력 손실은 다음과 같습니다.

계산된 모든 값을 사용하여 전원 공급 장치 스위치 스너버를 위한 설계를 완료하고 응용 제품에 구현할 수 있습니다.