一文带你了解线路寄生电感对开关器件的影响及解决方案

开关器件作为数字电源的核心部件，其性能直接影响整个电源系统的效率、稳定性和可靠性。随着开关频率从传统的 kHz 级跃升至MHz级，以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体器件的广泛应用，线路寄生电感引发的过电压、振荡和损耗问题日益突显。

一、线路寄生电感

在电路布局中，导线并非理想的无感导体。电流通过导线时，导线周围会产生磁场，磁场变化又会在导线中产生感应电动势，形成寄生电感。

它主要来源于电路中的导线、印刷电路板（PCB）走线、器件引脚以及连接部件等。

根据电磁感应定律，电感 L 定义为磁通链Φ与电流I的比值，即：L=Φ/I。

当电流 I 随时间变化时，电感L两端会产生感应电动势：

其中 di/dt 是电流的变化率。

在开关器件的开关过程中，电流会发生快速变化，此时寄生电感就会发挥作用，产生感应电压，对开关器件的工作产生影响。

二、对开关器件的影响

1、产生电压尖峰

当开关器件关断时，流经开关器件的电流迅速下降，电流变化率di/dt很大。根据：

其中，V为寄生电感产生的感应电压，L为寄生电感。

寄生电感会产生很高的感应电压，叠加在电源电压上，导致开关器件两端出现电压尖峰。过高的电压尖峰可能会使开关器件发生击穿损坏，严重影响开关器件的可靠性和寿命。

2、增加开关损耗

寄生电感的存在会使开关器件的开关过程变慢。开关损耗与开关时间密切相关，开关时间的延长会导致开关损耗增加，不仅会降低电源系统的效率，还会使开关器件发热严重。

3、引发电磁干扰（EMI）

高频开关器件在工作过程中，由于寄生电感的存在，会产生高频振荡电流。这些高频振荡电流会通过导线、PCB 走线等向外辐射电磁波，形成电磁干扰（EMI）。

EMI 不仅会影响电源系统自身的正常工作，还可能对周围的电子设备产生干扰，导致其他设备出现故障。

线路寄生电感对开关器件有着多方面的不利影响，会严重影响电源系统的性能和可靠性。在实际应用中，我们需要通过优化电路布局、采用去耦电容与缓冲电路以及选择合适的开关器件等措施来有效降低线路寄生电感带来的不利影响。

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三、降低线路寄生电感影响的方案

1、优化PCB布局设计

▍缩短功率回路路径

?将功率开关器件、直流母线电容、驱动电路等尽可能靠近布局，减少功率回路的面积。

?采用双面布线的方式，在PCB正反两面同时布设功率路径，进一步降低总电感。

▍增加接地层与合理层叠

?在功率层下方增加连续的大面积接地层，为电流提供低阻抗回流路径，减少寄生电感。

?采用多层PCB结构，合理安排电源层、地层和信号层，使功率信号与地层之间形成紧密耦合，提高抗干扰能力。

?减少过孔的使用，避免过孔带来的寄生电感。或采用多个过孔并联的方式降低等效电感。

▍加宽关键走线

对于功率回路中的关键走线，适当增加走线宽度，电感值会降低。

2、选择合适的器件与封装

▍低寄生电感封装

优先选择采用低寄生电感封装技术的开关器件，能有效减少 PCB 上的寄生电感，提高开关器件的性能。

▍优化焊盘设计

?采用大面积焊盘设计，减少接触电阻和寄生电感。

?合理设计焊盘的形状和位置，使其与PCB走线的连接更加顺畅，进一步降低寄生电感。

3、采用去耦电容与缓冲电路

▍去耦电容的使用

在靠近功率管的直流母线两端放置低等效串联电感（ESL）的电容，用于降低高频振荡。为了涵盖更宽频带的去耦需求，可以使用并联电容网络。

▍缓冲电路的设计

在开关器件的两端或功率回路中加入缓冲电路。缓冲电路可以在开关器件开关瞬间吸收寄生电感释放的能量，抑制电压尖峰和电流振荡。

4、主动抑制技术应用

▍软开关技术

采用软开关技术，减少寄生电感的影响。

?零电压开关（ZVS）技术：通过在开关管两端并联电容和在电路中加入电感等元件，使开关管在零电压条件下导通，避免了电流与电压的交叠，从而降低了开关损耗和电压尖峰。

?零电流开关（ZCS）技术：通过控制电路使开关管在零电流条件下关断，同样可以减少寄生电感带来的负面影响。

▍有源门极驱动技术

利用有源门极驱动电路，通过自适应控制门极电流，降低寄生电感引起的振荡。

有源门极驱动电路可以根据开关器件的工作状态实时调整门极驱动信号的强度和波形，优化开关过程，减少电压尖峰和开关损耗。

线路寄生电感对开关器件的影响不容忽视，它会导致多方面问题，严重影响电源系统的性能和可靠性。通过优化PCB 布局设计、选择合适的器件与封装、采用去耦电容与缓冲电路以及应用主动抑制技术等一系列措施，可有效地降低线路寄生电感的不利影响，提高电源产品的性能和稳定性。

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