開關器件作為數字電源的核心部件，其性能直接影響整個電源系統的效率、穩定性和可靠性。隨著開關頻率從傳統的 kHz 級躍升至MHz級，以及碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等第三代半導體器件的廣泛應用，線路寄生電感引發的過電壓、振蕩和損耗問題日益突顯。

一、線路寄生電感

在電路布局中，導線并非理想的無感導體。電流通過導線時，導線周圍會產生磁場，磁場變化又會在導線中產生感應電動勢，形成寄生電感。

它主要來源于電路中的導線、印刷電路板（PCB）走線、器件引腳以及連接部件等。

根據電磁感應定律，電感 L 定義為磁通鏈Φ與電流I的比值，即：L=Φ/I。

當電流 I 隨時間變化時，電感L兩端會產生感應電動勢：

其中 di/dt 是電流的變化率。

在開關器件的開關過程中，電流會發生快速變化，此時寄生電感就會發揮作用，產生感應電壓，對開關器件的工作產生影響。

二、對開關器件的影響

1、產生電壓尖峰

當開關器件關斷時，流經開關器件的電流迅速下降，電流變化率di/dt很大。根據：

其中，V為寄生電感產生的感應電壓，L為寄生電感。

寄生電感會產生很高的感應電壓，疊加在電源電壓上，導致開關器件兩端出現電壓尖峰。過高的電壓尖峰可能會使開關器件發生擊穿損壞，嚴重影響開關器件的可靠性和壽命。

2、增加開關損耗

寄生電感的存在會使開關器件的開關過程變慢。開關損耗與開關時間密切相關，開關時間的延長會導致開關損耗增加，不僅會降低電源系統的效率，還會使開關器件發熱嚴重。

3、引發電磁干擾（EMI）

高頻開關器件在工作過程中，由于寄生電感的存在，會產生高頻振蕩電流。這些高頻振蕩電流會通過導線、PCB 走線等向外輻射電磁波，形成電磁干擾（EMI）。

EMI 不僅會影響電源系統自身的正常工作，還可能對周圍的電子設備產生干擾，導致其他設備出現故障。

線路寄生電感對開關器件有著多方面的不利影響，會嚴重影響電源系統的性能和可靠性。在實際應用中，我們需要通過優化電路布局、采用去耦電容與緩沖電路以及選擇合適的開關器件等措施來有效降低線路寄生電感帶來的不利影響。

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三、降低線路寄生電感影響的方案

1、優化PCB布局設計

▍縮短功率回路路徑

?將功率開關器件、直流母線電容、驅動電路等盡可能靠近布局，減少功率回路的面積。

?采用雙面布線的方式，在PCB正反兩面同時布設功率路徑，進一步降低總電感。

▍增加接地層與合理層疊

?在功率層下方增加連續的大面積接地層，為電流提供低阻抗回流路徑，減少寄生電感。

?采用多層PCB結構，合理安排電源層、地層和信號層，使功率信號與地層之間形成緊密耦合，提高抗干擾能力。

?減少過孔的使用，避免過孔帶來的寄生電感。或采用多個過孔并聯的方式降低等效電感。

▍加寬關鍵走線

對于功率回路中的關鍵走線，適當增加走線寬度，電感值會降低。

2、選擇合適的器件與封裝

▍低寄生電感封裝

優先選擇采用低寄生電感封裝技術的開關器件，能有效減少 PCB 上的寄生電感，提高開關器件的性能。

▍優化焊盤設計

?采用大面積焊盤設計，減少接觸電阻和寄生電感。

?合理設計焊盤的形狀和位置，使其與PCB走線的連接更加順暢，進一步降低寄生電感。

3、采用去耦電容與緩沖電路

▍去耦電容的使用

在靠近功率管的直流母線兩端放置低等效串聯電感（ESL）的電容，用于降低高頻振蕩。為了涵蓋更寬頻帶的去耦需求，可以使用并聯電容網絡。

▍緩沖電路的設計

在開關器件的兩端或功率回路中加入緩沖電路。緩沖電路可以在開關器件開關瞬間吸收寄生電感釋放的能量，抑制電壓尖峰和電流振蕩。

4、主動抑制技術應用

▍軟開關技術

采用軟開關技術，減少寄生電感的影響。

?零電壓開關（ZVS）技術：通過在開關管兩端并聯電容和在電路中加入電感等元件，使開關管在零電壓條件下導通，避免了電流與電壓的交疊，從而降低了開關損耗和電壓尖峰。

?零電流開關（ZCS）技術：通過控制電路使開關管在零電流條件下關斷，同樣可以減少寄生電感帶來的負面影響。

▍有源門極驅動技術

利用有源門極驅動電路，通過自適應控制門極電流，降低寄生電感引起的振蕩。

有源門極驅動電路可以根據開關器件的工作狀態實時調整門極驅動信號的強度和波形，優化開關過程，減少電壓尖峰和開關損耗。

線路寄生電感對開關器件的影響不容忽視，它會導致多方面問題，嚴重影響電源系統的性能和可靠性。通過優化PCB 布局設計、選擇合適的器件與封裝、采用去耦電容與緩沖電路以及應用主動抑制技術等一系列措施，可有效地降低線路寄生電感的不利影響，提高電源產品的性能和穩定性。

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