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Influence de l'inductance de la disposition des PCB sur l'efficacité du convertisseur
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Influence de l'inductance de la disposition des PCB sur l'efficacité du convertisseur

Influence de l'inductance de la disposition des PCB sur l'efficacité du convertisseur

2022-07-20
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Author:pcb

Au fur et à mesure que l'industrie informatique évolue vers des convertisseurs DC - DC capables de fournir jusqu'à 200A à 1V, PCB board La technologie de mise en page doit répondre aux exigences de ce nouveau convertisseur difficile. Comparer les effets de divers défauts de câblage, Nous nous concentrons sur l'effet de l'inductance parasitaire dans le circuit, En particulier ceux qui sont liés à la source, Drainage, Commutation des portes et des portes MOSFET. Nous avons construit un PCB board Convertisseur DC - DC utilisé pour tester la réception de 12V DC et la conversion en 1.3V et jusqu'à 20A. Nous utilisons une carte plug - in pour l'assemblage et nous pouvons changer l'inductance de chaque électrode MOSFET individuellement ou simultanément à tout moment. Nous avons choisi d'utiliser la valeur d'inductance comme pourcentage de l'inductance totale d'une carte de circuit de 2 pouces spécialement conçue, Au lieu de la valeur réelle, parce que le routeur ne connaît que la longueur d'une piste particulière, pas nécessairement sa valeur d'inductance.

PCB board

Conception des essais

Nous utilisons l'efficacité du convertisseur pour mesurer l'efficacité de ces inducteurs parasites. C'est parce que l'efficacité est la norme pour mesurer la performance des convertisseurs DC - DC. L'essai est divisé en plusieurs parties: ajuster le coefficient proportionnel de chaque valeur d'inductance de la fuite MOSFET, de la source et de la porte et observer l'effet sur le redresseur synchrone en mesurant l'efficacité de conversion. Comprendre la relation entre eux en combinant les deux. L'inductance du panneau d'essai d'inductance est de 43 NH, généralement réglée à 0%, 25%, 50% et 100%. Dans notre expérience, la résistance parasitaire sur le tableau d'essai de l'inductance a eu peu d'effet et a été négligeable. Comme les effets nocifs de l'inductance parasitaire dépendent de la fréquence, nous avons effectué des expériences à trois fréquences de commutation prédéfinies: 300khz, 600khz et 1mhz. Cela nous permet de voir à quel point il sera important à l'avenir de passer d'une fréquence de commutation normale à une conception à fréquence plus élevée. Comme nous le savons tous, dans les circuits de puissance, la longueur de toutes les traces doit être maintenue courte afin d'éviter les sonneries de tension et de courant, de réduire l'interférence électromagnétique globale de la carte de circuit et d'éviter les effets négatifs sur les éléments « plus stables » du circuit, en particulier les circuits de commande analogique et les éléments connexes. De plus, les matériaux de référence montrent que l'inductance de la source contrôlant MOSFET a un effet non linéaire sur l'augmentation du temps de chute du courant de la source, ce qui entraîne une consommation d'énergie plus élevée et une efficacité de conversion plus faible. En plus de ce qui précède, l'inductance de la source peut également provoquer une sonnerie au noeud de commutation.


Circuits d'essai et circuits imprimés

Le circuit utilisé est une topologie de rectification synchrone fonctionnant en boucle ouverte. Il s'agit d'éliminer tout effet que la boucle de commande pourrait avoir sur la performance du circuit et de nous permettre de nous concentrer sur l'efficacité de conversion de puissance, en particulier la performance MOSFET. Nous savons que les conditions d'inductance élevée peuvent causer de graves sonneries, en particulier dans les noeuds de commutation. Sélectionnez le pilote de porte IC qui peut résister à cette sonnerie sans effet néfaste. Ce circuit à quatre couches utilise deux onces de cuivre et deux couches intérieures sont des couches de mise à la terre et d'alimentation. Toutes les règles pour un bon câblage doivent être respectées lors du câblage.


Effet de l'inductance de la porte

À la fréquence de commutation de 300 kHz, l'inductance de la porte a peu d'effet sur l'efficacité. À la fréquence de commutation de 600khz, l'effet de l'inductance de porte est plus évident, avec un changement d'efficacité de 1,2% à 20A. À 1 MHz, la perte d'efficacité disparaît presque complètement. Nous n'avons pas examiné cette cause et nous pouvons supposer que la probabilité que le facteur de résonance compense sa perte est de 50%. Le phénomène de résonance de l'entraînement de porte MOSFET doit être étudié plus avant. Nous avons observé que l'inductance de porte a peu d'effet sur l'efficacité du contrôle et de la synchronisation des MOSFETs.


Influence de l'inductance de la source

L'inductance de la source a un effet plus significatif sur l'efficacité. Dans certains cas, nous devons interrompre l'essai avant d'atteindre le courant, car la température du MOSFET est supérieure à 130 °C. La figure 5 montre les résultats de l'étude de contrôle MOSFET. Un examen attentif de ces résultats a montré qu'à une fréquence de 300 kHz et à une inductance de 100%, le convertisseur DC - DC ne pouvait pas fonctionner à 20 a en raison d'une température de MOSFET supérieure à 130 °C. On le trouve également à 50% inductance, 600khz et 1mhz. On a observé une diminution plus importante de l'efficacité due à l'inductance de la source qu'en l'absence d'inductance de la source. Avec une inductance de 50% et un courant de 15 a, l'efficacité est réduite de 7%, même à la fréquence de commutation de 300 kHz. Lorsque l'inductance est de 100%, l'efficacité est réduite à 11%. À des fréquences de commutation de 600khz et 1mhz, cet effet est plus prononcé et la diminution de l'efficacité est plus importante que dans le cas de l'absence d'inductance de source. De toute évidence, même une faible inductance de source réduit l'efficacité, en particulier lorsque la fréquence de commutation est de 600 kHz.


Effet de l'inductance de fuite

L'inductance de fuite peut provoquer des sonneries sévères, ce qui peut être suffisant pour provoquer la rupture du MOSFET dans des conditions extrêmes (Figure 3). Cela peut également nuire à l'efficacité. L'efficacité est fonction du courant de charge et de l'inductance de fuite à différentes fréquences. En outre, les résultats suivants peuvent être observés: lorsque le courant est de 15A, 300khz et 50% d'inductance, nous devons interrompre l'essai parce que la température du MOSFET est supérieure à 130mmƒ. À la même fréquence, 100% d'inductance, nous n'avons pu obtenir aucune lecture parce que la sonnerie était trop forte. À 300khz, 12A, l'efficacité de 50% de l'inducteur de fuite est inférieure de 7% à celle de 0%. En raison de la température élevée du MOSFET, l'essai ne peut pas être effectué au - dessus de 15A. À 600 kHz, 12,5 a, l'efficacité de l'inducteur de fuite à 50% est inférieure de 8,5% à 0%. L'essai ne peut être effectué au - dessus de 12,5a en raison de la température élevée du MOSFET. À 1mhz, l'essai ne peut être effectué au - dessus de 5A en raison de la température élevée du MOSFET.


Influence de l'inductance de la source de grille

Une inductance de source plus élevée réduira considérablement l'efficacité. La relation fondamentale entre l'efficacité et l'inductance de la porte a été démontrée. Lorsqu'il est combiné avec des inducteurs de source plus petits, l'ensemble de la situation devient très clair - les inducteurs de porte plus grands entraînent nécessairement des pertes de puissance plus importantes. L'interprétation de ce résultat doit être étudiée plus avant. Nous pouvons maintenant démontrer que l'inductance de fuite et l'inductance de source doivent être réduites dans la plage d'inductance raisonnable de la carte de circuit afin d'assurer un rendement élevé du convertisseur. Les résultats de la simulation sont les suivants: l'inductance de la porte et de la source résonne avec la capacité de la porte et de la source du MOSFET. Lorsque le HS - FET éteint la source de la porte, le condensateur est déchargé par ces voies d'induction. Une fois le MOSFET éteint, l'inductance forcera le courant de la porte à continuer de couler et à recharger la capacité de la source de la porte. Cette charge sera déchargée de nouveau de la même manière et la tension de la source de porte du HS - FET sera inversée. Selon l'inclinaison, le HS - FET peut être rallumé en cas de court - circuit important. Cet effet devient grave avec une telle inductance de porte. Dans certains cas, on peut même observer un deuxième effet de court - circuit. Dans le cadre du circuit de résonance, l'inductance de la source peut également fonctionner de la deuxième manière. Lorsque le courant de court - circuit se produit, l'inductance de la source limite le di / DT du courant de court - circuit (taux de variation du courant dans le temps), limitant ainsi la perte. L'inductance de la source provoque également une rétroaction négative sur la tension de la source de la porte et limite le court - circuit. Ces effets se produisent surtout lorsque l'inductance de la porte parasitaire est élevée. Afin d'améliorer l'efficacité, cet effet doit être évité par la conception, c'est - à - dire que l'inductance de la porte doit être soigneusement conçue pour la réduire au minimum.


Influence de l'inductance de la source HS - source LS

Nous avons étudié l'effet de la position de l'inductance parasitaire sur l'efficacité. Par conséquent, dans le même nombre de circuits d'inductance parasitaire, le FET de contrôle a plus d'influence sur son efficacité que le FET synchrone. Ce phénomène est dû au fait que la commande lente de l'interrupteur FET entraîne une perte supplémentaire de l'interrupteur parce que le VDS de la commande FET est plus élevé que le VDS de la synchronisation FET (la chute de tension vers l'avant de la synchronisation FET est très faible) pendant la transition. De plus, la rétroaction de l'inductance parasitaire sur la tension de fuite de la porte FET a un effet significatif sur l'ensemble du courant de fuite HS - FET. En revanche, l'effet de l'inductance parasitaire sur le courant de fuite du LS - FET n'est qu'en partie parce qu'il peut être contourné par une diode corporelle du FET synchrone.


Effet du MOSFET parallèle

Lorsque MOSFET est parallèle, Dans de nombreux cas, il est peu probable que chaque boucle MOSFET individuelle ait le même parasitisme.. Nous étudions l'effet de l'inductance supplémentaire sur l'efficacité de la boucle de fuite MOSFET.. Nous démontrons expérimentalement l'effet négatif de l'inductance parasitaire sur l'efficacité MOSFET du convertisseur DC - DC. Les conclusions sont les suivantes: l'inductance dans le circuit source a un effet grave, Deuxièmement, l'inductance similaire dans le circuit de fuite. Sur notre banc d'essai, Nous n'avons trouvé aucun effet significatif sur l'inductance du circuit de porte. La réduction de l'efficacité est étroitement liée à la fréquence de commutation du convertisseur. La réduction de l'efficacité est fortement liée au courant de charge. Avec inductance parasitaire dans les circuits source et drain, Plus le courant de charge est élevé, Plus l'efficacité diminue. Dans l'application actuelle du convertisseur DC - DC, Une attention particulière doit être accordée au câblage des PCB du système électrique., En particulier le commutateur MOSFET. L'un des avantages de l'utilisation de plaques multicouches est de réduire la résistance parasitaire et l'inductance en injectant le plus de courant possible dans chaque couche.. Cela réduit la perte de résistance et la perte d'inductance parasitaire. Lors de la conception du convertisseur haute fréquence DC - DC, Il existe de nombreux problèmes d'inductance parasitaire dans les circuits source et drain. Le premier est l'inductance encapsulée, Il est possible de Commuter MOSFET avec un paquet à faible inductance récemment introduit. Le deuxième terme est l'inductance parasitaire du moteur PCB board, Plusieurs niveaux doivent être utilisés PCB board Réduction de l'inductance de trajectoire. Cela permet aux concepteurs d'utiliser moins de condensateurs pour une réponse dynamique plus rapide et une conception à haute fréquence réussie.. L'induction parasitaire in évitable de la conception se déplace dans la boucle FET synchrone parce que l'inductance dans la boucle FET synchrone a moins d'effet sur l'efficacité globale que l'inductance dans la boucle FET de contrôle. Note: à faible cycle de service, La résistance parasitaire dans le Circuit synchrone FET peut réduire considérablement l'efficacité. Complex trade-offs need to be made in the design (trace width, Épaisseur du cuivre, Plage de boucle valide, Offset, Attendez..). Éviter les MOSFETs parallèles. La façon de remplacer les MOSFETs en parallèle est d'ajouter des phases supplémentaires ou d'utiliser de meilleurs MOSFETs. Si le parallélisme ne peut être évité, Pour les MOSFETs parallèles, La symétrie électrique doit être assurée dans la conception pour obtenir la même distribution de courant et le même temps de commutation. PCB board.