RC 스너버 계산기 — 두 번의 측정으로 스위치 노드 링잉 감쇠

MOSFET이나 다이오드가 턴오프되면 그 양단 전압에 링잉이 생깁니다. 스위치를 둘러싼 루프의 기생 인덕턴스(트레이스, 패키지 리드, 트랜스포머의 누설 인덕턴스)가 스위치 양단의 커패시턴스(출력 커패시턴스, 다이오드 접합 커패시턴스, 레이아웃)와 에너지를 주고받는데, 이 루프에는 저항이 거의 없어서 링잉이 여러 주기 동안 이어지고 전원 전압을 넘는 오버슈트를 만들며 노이즈를 방사합니다. 스위치 양단에 단 RC 스너버가 이 링잉을 감쇠시킵니다. 루프의 특성 임피던스와 같은 값의 저항이 에너지를 흡수하고, 저항과 직렬로 연결된 커패시터는 DC에서 저항에 전력이 소모되지 않도록 막습니다.

기생 루프 측정

인덕턴스와 커패시턴스를 계산할 수 있을 만큼 정확히 아는 경우는 드물지만, 측정할 수는 있습니다. 스너버 없이 링잉 주파수 $f_0$ 를 기록한 다음, 값을 아는 커패시터 $C_{add}$ 를 스위치 양단에 달고 새 주파수 $f_1$ 을 기록합니다. 인덕턴스는 그대로이므로 다음 관계가 성립합니다.

추가한 커패시터로 주파수가 절반이 되면 회로 커패시턴스가 4배가 된 것이므로 $C_p$ 는 정확히 $C_{add}$ 의 1/3입니다. 이것이 Todd가 Unitrode의 Snubber Circuits: Theory, Design and Application(1993)에서 제시한 절차입니다. 이어서 인덕턴스와 특성 임피던스를 구합니다.

스너버 소자 값 선정

스너버 저항을 $Z_0$ 로 정하면 루프가 $Q = 1$ 가까이로 감쇠됩니다. 저항이 링잉을 제어하려면 스너버 커패시터가 $C_p$ 보다 커야 하며, Todd는 $C_p$ 의 2~4배를 권장합니다. 커패시터가 클수록 감쇠는 강해지지만 전력 손실이 늘어납니다. 커패시터는 주기마다 스위칭 전압 $V$ 까지 한 번 충전되고 한 번 방전되며, 이 두 번의 전환마다 에너지 $\tfrac{1}{2}C_sV^2$ 가 저항에서 손실되기 때문입니다.

이 전력은 저항값과 무관합니다. 그래서 손실을 정하는 것은 저항이 아니라 커패시터입니다. 저항은 인덕턴스가 낮은 종류여야 합니다. 권선형 저항은 링잉 주파수에서 인덕턴스가 너무 큽니다.

적용 범위

이 측정은 기생 인덕턴스와 기생 커패시턴스가 각각 하나뿐이고, 테스트 커패시터를 추가해도 인덕턴스가 변하지 않는다고 가정합니다. 계산기는 커패시터 배수가 Todd의 권장 범위인 $C_p$ 의 2~4배를 벗어나면 경고를 표시합니다. 또한 시정수 $\tau = R_sC_s$ 가 너무 길어서 최소 온 시간 안에 커패시터가 방전되지 못하는 스너버도 경고합니다. Severns(Cornell Dubilier, Design of Snubbers for Power Circuits)는 시정수의 2배까지 허용하며, 그 시점에는 전압의 0.14가 남습니다. 이 범위를 벗어나도 값은 경고와 함께 그대로 표시됩니다. 전력 추정은 커패시터가 스위칭 전압까지만 충전된다고 가정하므로, 감쇠 후에도 남는 오버슈트가 있으면 손실은 그만큼 더 늘어납니다.