帶電阻負(fù)載的簡(jiǎn)單電路

 

電源開關(guān)非常重要。它們的操作決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。為了改善開關(guān)電路的性能，在功率開關(guān)之間放置抑制器來(lái)抑制電壓峰值，并在開關(guān)打開時(shí)抑制電路電感引起的振蕩。良好的抑制器設(shè)計(jì)可以帶來(lái)更高的可靠性、更高的效率和更少的電磁干擾（EMI）。讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的電路開始，其中作為開關(guān)元件的MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)8Ω的電阻負(fù)載（圖1）。對(duì)MOSFET進(jìn)行少量加熱是完全正常的。如果我們把柵極電位設(shè)置為10V，我們就可以把MOSFET切換到“on”狀態(tài)。在這種情況下，它的內(nèi)阻很低，元件就像是一根閉合的電線。漏極上的電壓接近0伏。電流流過(guò)電阻器和MOSFET。

 

圖1:MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載。

 

相反地，如果我們?cè)贛OSFET的柵極上施加0伏的電壓，組件就會(huì)切換到“關(guān)閉”狀態(tài)。在這種情況下，它的內(nèi)阻非常高，就好像電路中沒(méi)有元件一樣。電阻器上沒(méi)有電流，也沒(méi)有電壓。通過(guò)對(duì)MOSFET施加頻率為1khz的脈沖信號(hào)，漏極輸出遵循與柵極相同的波形，但具有相位反轉(zhuǎn)。對(duì)于許多類型的開關(guān)設(shè)備，即使連接到電阻負(fù)載，也會(huì)產(chǎn)生輸出峰值，其特征是持續(xù)時(shí)間很短，如圖2所示。這些峰值（約2V）是不危險(xiǎn)的，可以減少或消除使用并聯(lián)電容器。

 

圖2：漏極上的峰值

 

使用的MOSFET是IRF530（圖3）。讓我們來(lái)看看它的絕對(duì)最大額定值：

 

VDS:100伏

 

VGS：±20伏

 

連續(xù)漏極電流（10 V和TC=25°C下的VGS）：14 A

 

連續(xù)漏極電流（10 V和TC=100°C下的VGS）：19 A

 

脈沖漏極電流：56A

 

最大功耗（TC=25°C）：88 W

 

RDS（開）：0.16Ω

 

用MOSFET進(jìn)行的模擬都包含在它的電學(xué)極限之內(nèi)。

 

圖3:MOSFET IRF530

 

與感應(yīng)負(fù)載相同的電路

 

現(xiàn)在讓我們用感性負(fù)載而不是電阻負(fù)載來(lái)檢查相同的電路（圖4）。感應(yīng)負(fù)載（電動(dòng)機(jī)、變壓器、線圈等）的存在是非常關(guān)鍵的。柵極的每個(gè)矩形脈沖對(duì)應(yīng)于漏極上的一個(gè)非常高的峰值。這些峰值比以前的寬得多（有幾微秒的長(zhǎng)度），可以達(dá)到幾千伏的電壓。這些電壓尖峰被稱為“感應(yīng)反彈”。顯然，它們可能對(duì)負(fù)載和電路造成危險(xiǎn)。危險(xiǎn)的電壓電弧也可能出現(xiàn)。如果電壓尖峰足夠高，就有可能破壞MOSFET和其他與之相連的元件。為什么會(huì)有這么大的山峰？當(dāng)MOSFET“打開”時(shí)，電流流過(guò)電感，情況良好。感應(yīng)負(fù)載儲(chǔ)存了感應(yīng)能量。當(dāng)晶體管“關(guān)”時(shí)，線圈的電流不能立即改變，仍然有電流流過(guò)電感器。這個(gè)電流決定了幾分鐘內(nèi)的電位差很大。但是，請(qǐng)注意，電路V（漏極）的輸出電壓的平均值為12 V，其RMS值約為168 V。

 

圖4:MOSFET驅(qū)動(dòng)感應(yīng)負(fù)載。

 

我們可以在漏極上看到巨大的電壓尖峰。有時(shí)，小線圈的小尖峰并不能破壞元件，但如果MOSFET驅(qū)動(dòng)一個(gè)大電機(jī)，破壞的風(fēng)險(xiǎn)非常高。峰值電壓與線圈的電感成正比，如圖5所示。峰值的持續(xù)時(shí)間以微秒為單位。

 

圖5：峰值電壓與線圈電感成正比。

 

為了降低峰值電壓，一個(gè)RC抑制器被應(yīng)用到MOSFET上，如圖6所示。通常，緩沖器由一個(gè)低值電阻和一個(gè)小電容組成。電阻值必須與電感器的諧振電阻值相似。抑制器的電容必須大于諧振電路的電容，但必須足夠小，以使電阻器的功耗保持在最小。必須使用適當(dāng)?shù)姆匠淌阶屑?xì)計(jì)算R（減速）和C（減速）的值。

 

圖6：典型的RC抑制器

 

現(xiàn)在峰值電壓已經(jīng)從3000伏下降到70伏左右，從電子元件的危險(xiǎn)角度來(lái)看是無(wú)害的。如果負(fù)載只有電阻，則不需要RC抑制器。圖7顯示了另一個(gè)使用鉗位齊納二極管的示意圖。

 

圖7：鉗位齊納二極管

 

在這種情況下，峰值也會(huì)降低。在某些情況下，在某些頻率下，可能會(huì)出現(xiàn)低振蕩（圖8）。在這種情況下，只需將一個(gè)小電容并聯(lián)在齊納二極管上就足夠了。

 

圖8:MOSFET漏極上約56khz的振蕩

 

 

推薦閱讀：