что такое снабберная цепочка
Причина, по которой прибегают к использованию снабберов
В ходе разработки силового импульсного преобразователя (особенно это касается мощных устройств топологий push-pull и forward, где переключение происходит в жестких режимах), необходимо как следует позаботиться о защите силовых ключей от пробоя по напряжению.
Такое событие сразу приведет к куче проблем: где достать аналогичный транзистор? Есть ли он сейчас в продаже? Если нет, то когда появится? Насколько качественным окажется новый полевик? Кто, когда и за какие деньги возьмется все это перепаивать? Как долго продержится новый ключ и не повторит ли он судьбу своего предшественника? и т. д. и т. п.
В любом случае лучше сразу перестраховаться, и еще на этапе проектирования устройства принять меры для предотвращения подобных неприятностей на корню. Благо, известно надежное, недорогое и простое в своей реализации решение на пассивных компонентах, давно ставшее популярным как у любителей высоковольтной силовой техники, так и у профессионалов. Речь о простейшем RCD-снаббере.
Традиционно для импульсных преобразователей, в цепь стока транзистора включена индуктивность первичной обмотки трансформатора или дросселя. И при резком запирании транзистора в условиях, когда коммутируемый ток еще не понизился до безопасной величины, согласно закону электромагнитной индукции на обмотке возникнет высокое напряжение, пропорциональное индуктивности обмотки и скорости перехода транзистора из проводящего состояния в запертое.
Если фронт при этом достаточно крут, а общая индуктивность обмотки в цепи стока транзистора существенна, то высокая скорость нарастания напряжения между стоком и истоком мгновенно приведет к катастрофе. Чтобы эту скорость роста напряжения понизить и облегчить тепловой режим запирания транзистора — между стоком и истоком защищаемого ключа ставят RCD-снаббер.
Как работает RCD-снаббер
RCD-cнаббер работает следующим образом. В момент запирания транзистора ток первичной обмотки, в силу наличия у нее индуктивности, не может мгновенно снизиться до нуля. И вместо того чтобы жечь транзистор, заряд, под действием высокой ЭДС, устремляется через диод D в конденсатор C снабберной цепи, заряжая его, а транзистор при этом закрывается в мягком режиме незначительного тока через его переход.
Расчет снабберной цепи
P – мощность, рассеиваемая на резисторе снаббера C – емкость конденсатора снаббера t – время запирания транзистора, за которое конденсатор снаббера заряжается U – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор снаббера I – ток через транзистор до его закрытия f- сколько раз в секунду будет срабатывать снаббер (частота переключения транзистора)
Чтобы рассчитать номиналы элементов защитного снаббера, для начала задаются временем, за которое транзистор в данной схеме переходит из проводящего состояния в запертое. За это время конденсатор снаббера должен успеть зарядиться через диод. Здесь в расчет принимается средний ток силовой обмотки, от которого предстоит защищаться. А напряжение питания обмотки преобразователя позволит выбрать конденсатор с подходящим максимальным напряжением.
Далее необходимо вычислить мощность, которая должна будет рассеиваться на резисторе снаббера, и уже после этого подобрать конкретный номинал резистора, исходя из временных параметров полученной RC-цепи. При том сопротивление резистора не должно быть слишком малым, чтобы когда при запирании ключа конденсатор начнет разряжаться через него, импульс максимального разрядного тока вместе с рабочим током не превысили бы критическую для транзистора величину. Не должно это сопротивление быть и слишком большим, чтобы конденсатор все же успел разрядиться, пока транзистор отрабатывает положительную часть рабочего периода.
Рассмотрим пример
Сетевой двухтактный инвертор (амплитуда напряжения питания 310 вольт) потребляющий мощность 2 кВт работает на частоте 40 кГц, причем максимальное напряжение между стоком и истоком для его ключей составляет 600 вольт. Необходимо рассчитать RCD-снаббер для этих транзисторов. Пусть время запирания транзистора в схеме составляет 120 нс.
Средний ток обмотки 2000/310 = 6,45 А. Пусть напряжение на ключе не превысит 400 вольт. Тогда C = 6,45*0,000000120/400 = 1,935 нФ. Выберем пленочный конденсатор емкостью 2,2 нФ на 630 вольт. Мощность, поглощаемая и рассеиваемая каждым снаббером за 40000 периодов составит P = 40000*0.0000000022*400*400/2 = 7,04 W.
Допустим, минимальная скважность импульса на каждом из двух транзисторов составляет 30%. Значит минимальное время открытого состояния каждого транзистора будет равно 0,3/80000 = 3,75 мкс, с учетом фронта примем 3,65 мкс. Примем 5% этого времени за 3*RC, и пусть за это время конденсатор успеет почти полностью разрядиться. Тогда 3*RC = 0,05*0,00000365. Отсюда (подставим C = 2.2 нФ) получим R = 27,65 Ом.
Установим по два пятиваттных резистора по 56 Ом параллельно в каждый снаббер нашего двухтактника, и получится 28 Ом для каждого снаббера. Импульсный ток от срабатывания снаббера при разряде конденсатора через сопротивление составит 400/28 = 14,28 А — это ток в импульсе, который пройдет через транзистор в начале каждого периода. Согласно документации на большинство популярных силовых транзисторов, максимально допустимый импульсный ток для них превосходит максимальный средний ток минимум в 4 раза.
Что касается диода, то в схему RCD-снаббера ставиться импульсный диод на такое же максимальное напряжение как у транзистора, и способный в импульсе выдерживать максимальный ток, протекающий через первичную цепь данного преобразователя.
Что такое снаббер? Подробное описание
Снаббер – это демпфирующее устройство, работающее в качестве фильтра низкой частоты, которое выполняет действие по замыканию на себе тока переходного процесса.
Предназначение снаббера
Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, для понижения значения перенапряжений в переходных процессах, которые появляются при коммутационных действиях с силовыми полупроводниками. Они практически незаменимы для снижения влияния паразитной генерации, которая способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и для предохранения от температурного перегрева диодов и мощных транзисторов.
Достигается это с помощью облегчения теплообмена при работе ключа. При этом емкость служит для понижения скорости нарастания напряжения, а индуктивность снижает нарастание величины тока. При снижении значения динамических потерь в силовом ключе происходит формирование траектории переключения: при этом параллельно подключенные емкостные конденсаторы понизят скорость нарастания напряжения. Индуктивность в коммутационных цепях ограничивает скорость увеличения тока.
Снаббер выполняет задачу по предотвращению ошибочного включения семистора, которое может произойти в результате сетевых помех. Полезно применение снаббера в качестве ограничителя перенапряжений для ключевого транзистора, которые появляются во время коммутации. В этом случае модель может применяться в устройствах импульсных источников питания.
Конфигурация снаббера
Устройство необходимого к использованию снаббера зависит от величины нагрузки и типа питающей сети, она связана с типом силового компонента и частоты, на которой он работает.
Рис. №1. Конфигурация снабберных конденсаторов.
Самый простой снаббер считается импульсным конденсатором незначительной емкости, который подключается параллельно силовому ключу. В конструкции обязательно должен присутствовать, подключенный параллельно конденсатору резистор, он помогает избавиться от потерь и утечек в паразитном колебательном контуре.
Основное требование к конструкции снабберной емкости – обеспечить помимо минимальной величины распределенной индуктивности, еще и удобство присоединения к терминалам силового модуля. В качестве снаббера недопустимо использовать обычные конденсаторы, как на (рис.1а).
Методика расчета снабберной цепи
Выполнение расчета связано с механизмом действия снабберной цепи. Номинальное значение конденсатора высчитывается по определенному значению уровня перенапряжения Vos и величины энергии, находящейся в запасе в паразитной индуктивности шины Lв при коммутировании токовой величины Iреак:
С помощью снабберов происходит формирование траектории переключения, где параллельно подключенные емкости снижают быстроту нарастания значения напряжения, а индуктивности служат для ограничения скорости увеличения токовых значений.
Вычисление емкости снаббера и максимально эффективного значения индуктивности можно выполнить если известны значения напряжения ΔV1 и ΔV2, при этом их величина С2 будет прямо пропорциональна показателям паразитной индуктивности. Формула расчета емкости будет иметь такой вид: 
Таким образом, становится ясно, что корректная типология и силового каскада, которая может обеспечить минимальную величину и значение LDC дает возможность снизить требования к снабберным цепям.
Для определения расчета паразитного контура DC необходимо проводить коррекционные замеры параметров снабберной схемы, за основу берутся результаты экспериментальной проверки.
Основой выбора служит минимальная величина перенапряжения и отсутствие опасных осцилляций.
Необходимо знать, снаббер не сможет помочь силовому ключу при перенапряжении плохо подобранной DC-шине, которая имеет значительную площадь токовой петли.
При подборе конденсатора учитываются такие его параметры:
Желательно учитывать, что для модулей IGBT величина напряжения шины не должна быть больше значения 9000В, для такого значения рекомендуется применять снаббер с VRmax= 1000В. Величины емкости должно хватать для подавления и сглаживания пиковых сигналов, появляющихся при отключении IGBT, емкость может быть в пределах от 0,1 до 1 мкФ.
Рис.№ 2. Классический пример использования конструкции с высокоиндуктивной шиной с применением параллельно соединенных проводников звена постоянного тока. Даже с наличием снаббера при коротком замыкании произойдет скачек напряжения более, чем в 1000 раз.
При некорректной типологии шины-DC нецелесообразно увеличивать емкость снаббера – это приводит к увеличению колебательности паразитного контура.
Типы снабберных схем
Рис. №2. Схема снаббера. (а) – обычный высоковольтный конденсатор. (б) – схема для применения в низковольтных преобразователях, рассчитанных на высокий ток с использованием MOSFET-ключами. (в) – схема цепи, ограничивающая скорость управления тиристорными ключами. В этом случае, снаббер устанавливается на всех плечах полумоста, схема состоит из диода обладающего быстрой скоростью и резистора. Они выполняют функцию разряда и ограничителя тока разряда и служат для разделения зарядных цепей. (г) – схема для снижения паразитной индуктивности, она характеризуется подключением снаббера к коллектору и эмиттеру всех транзисторов полумоста, схема используется редко, главным образом из-за сложности.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Снабберы, способные полностью подавлять пики напряжения
Схема демпфирования ограничивает скачки напряжения в преобразователях частоты. Снабберы (или импульсные конденсаторы) также используются в выходах аудиоусилителей класса D по тем же причинам (рисунок ниже). Когда транзистор, который вы используете для переключения тока, отключается, он генерирует скачок напряжения, который может повредить устройство. Этот всплеск также будет генерировать электромагнитные помехи (EMI). Имейте в виду, что электромагнитные помехи создаются током в контуре. Если ваша демпфирующая сеть направляет ток по большой петле, она будет увеличивать, а не уменьшать EMI.
Все дело в индуктивности
Пики напряжения в электрической цепи вызваны дискретными индукторами, которые вы коммутируете. Индуктивность рассеяния трансформаторов выглядит как индуктивность, включенная последовательно с обмоткой идеального трансформатора, которая генерирует скачки напряжения. Дискретные индуктивности очевидны, если смотреть на вашу схему. Еще одной проблемой является вся паразитная индуктивность в проводах и дорожках печатных плат (PCB). Любой провод в пространстве имеет индуктивность. Разработка силовой электроники похожа на разработку радиочастотной схемы, где ваша печатная плата является компонентом.
Тот факт, что компоновка и конструкция печатной платы изменяет паразитную индуктивность, означает, что вам нужно будет построить и протестировать свои схемы питания для их оптимизации. Это, как правило, быстрее и дешевле, чем использование только систем моделирования для определения паразитной индуктивности на этапе проектирования. Глядя на аналогичные конструкции, вы можете получить представление о размерах компонентов демпфера.
Как избавиться от пиковых скачков напряжения
Простейшая демпфирующая цепь представляет собой последовательную RC-цепь на узле коммутатора (рисунок ниже). Конденсатор предотвращает протекание постоянного тока. Когда транзистор переключается, конденсатор переходит в состояние близкое к короткому замыканию и берет весь ток цепи на себя, а резистор ограничивает ток короткого замыкания. Одним из недостатков демпфирующей цепочки RC является то, что она увеличивает потери в силовой цепи добавляя потери в RC контуре к потерям в самом транзисторе.
При больших мощностях в RC цепочку последовательно включается диод, с помощью которого создается демпфирующая цепочка RCD (рисунок ниже). Диод блокирует любой ток в цепи при включенном транзисторе. Когда транзистор отключается, диод открывается, и ток протекает через резистор и конденсатор.
Конструкция снабберов
Корнелл Дубильер (Cornell Dubilier) имеет хорошее руководство по проектированию демпфирующих сетей. В руководстве есть раздел с кратким описанием проектирования и предложением, похожим на аналог: «Планируйте использование 2-ваттного резистора из углеродного состава». В руководстве отмечается, что проволочные резисторы вызовут проблемы, поскольку они имеют более высокую индуктивность. Даже у металлического пленочного резистора могут возникнуть проблемы, если заусенцы выполняется в форме спирали, имеющей индуктивность. Поскольку он является аналоговым компонентом, вы можете быть уверены, что резистор мощностью 2 Вт не подходит для преобразователя мощностью 1 Вт или инвертора мощностью 10 кВт.
В руководстве описан метод быстрого проектирования, а затем оптимизированный проект, который снижает номинальную мощность резистора в 5 раз и значение демпфирующего конденсатора в 3,5 раза. Эти выгоды предназначены для конкретной конструкции с определенной компоновкой печатной платы. Ваши изделия, несомненно, будут иметь отличия.
Одно из ценных замечаний в этом руководстве заключается в том, что узел коммутатора, который вы пытаетесь отключить, будет иметь характеристическое сопротивление, как и линия передачи. Вы хотите, чтобы размер демпфирующего резистора не превышал это характеристическое сопротивление, чтобы не возникало переходного напряжения при размыкании коммутатора.
Корнелл Дубильер также имеет гораздо более подробное руководство по проектированию демпферов. В этом руководстве намного больше математики, теории и диаграмм. Помните, однако, что вся теория бесполезна, если вы не создаете, не проводите испытаний и не оцениваете схемы демпфирования, которые разрабатываете.
Хорошая особенность резистора в RC-цепи состоит в том, что вы можете с его помощью вести замеры в реальном времени мгновенных значений токов (применение в качестве шунта) и напряжений, которые также находятся и на конденсаторе. В цепи RCD вы должны добавить шунт последовательно конденсатору. Это будет непросто для устройств поверхностного монтажа, но обычно вы можете разорвать дорожку печатной платы, чтобы подключить датчик тока в цепь. Все это высокочастотные сигналы, поэтому убедитесь, что у вас есть осциллограф и щупы с достаточной шириной полосы пропускания для измерения пиковых значений токов и напряжений.
Проблема с электролитикой
Опытные инженеры аналоговых систем знают, что есть много различных типов конденсаторов. Никакой физический конденсатор не является идеальным представлением «символа» вашей схемы или модели в моделировании. Электролитические конденсаторы имеют большие значения емкости и более дешевы. Используя диод в демпфирующей сети RCD, вы сможете обойти проблему, связанную с полярностью электролитических конденсаторов, и стоит помнить, что они взорвутся, если вы подключите их в обратной полярности.
Несмотря на это, электролитические конденсаторы не подходят для демпфирующих цепей, так как демпферы имеют очень большие пиковые токи, которые могут вызывать перегрев и повредить электролитический конденсатор. Что еще хуже, электролитические конденсаторы обладают ужасной надежностью, хуже, чем большинство пассивных или дискретных компонентов, за исключением, возможно, потенциометра. Это делает электролитические или танталовые конденсаторы плохим выбором для демпфирующих цепей.
Слюдяные и пленочные конденсаторы
Приятной особенностью справочника Корнелла Дубильера является то, что компания почти не зависит от типа используемого конденсатора. Руководство изначально рекомендует вам обратить внимание на слюдяные конденсаторы. Слюда подходит к идеальному конденсатору по многим параметрам. К сожалению, они имеют плохие свойства включения и, как правило, дорогие.
Вместо слюдяных конденсаторов ваша снабберная цепочка может использовать пленочные конденсаторы. Данный тип устройств может состоять из слоев фольги, и металлизированной пленки (рисунок выше). Слой фольги принимают более высокие пиковые токи. Фольга будет «заживать» после перенапряжения, когда пластиковый слой просто плавиться от короткого замыкания. Некоторые типы фольги имеют различную толщину, что дополнительно увеличивает емкость тока при одновременном уменьшении физических размеров (рисунок ниже). Полипропиленовая пленка является предпочтительной, поскольку полиэстер имеет более высокие потери, что делает его непригодным для использования с демпфирующими сетями.
Диэлектрики: друзья и враги
При небольших размерах и прочности вы можете рассмотреть керамические конденсаторы в демпфирующих цепях. Будьте осторожны с максимальным номинальным током конденсатора, который вы никогда не сможете превысить его без последствий для конденсатора, даже на мгновение. Керамика и металлизированная пленка также будут иметь ограничения переходного напряжения, возможно, до 50 В / нс. Благодаря гораздо более быстрому времени переключения силовых транзисторов на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) вы должны быть уверены, что работаете на переходной характеристике демпфирующего конденсатора.
Другая проблема с керамическими конденсаторами заключается в том, что они могут терять емкость в зависимости от температуры и приложенного напряжения. Это функция диэлектриков, используемых компаниями. Диэлектрик C0G имеет очень хорошую температурную стабильность, но он работает только в небольших диапазонах температур и стоит значительно дороже, чем другие диэлектрики.
Керамические конденсаторы работают
Несмотря на особенности керамических конденсаторов, их можно использовать в демпфирующих цепочках, если вы хорошо понимаете их преимущества и недостатки. Мурата описывает, как разные диэлектрики подходят для разных снабберных (демпфирующих) конденсаторов. Просто помните, что диэлектрики большой емкости имеют худшие температурные характеристики, поэтому их небольшой размер и низкая индуктивность приводят к необходимости более высоких значений для работы при повышенных температурах.
Производители транзисторов хотят, чтобы вы улучшали свои снабберные цепи. Соответственно, ROHM сравнивает использование пленочных и керамических конденсаторов (рисунок ниже). Здесь они базируются вокруг ограничений по напряжению и стоимости керамических конденсаторов, соединяя последовательно два блока из пяти керамических конденсаторов. Эти 10 устройств дают номинальное напряжение и значение, соизмеримые с одним пленочным конденсатором.
Результаты, полученные ROHM, показывают, насколько лучше керамические конденсаторы с демпфированием (рисунок ниже). Обратите внимание, что эти результаты относятся к SiC-транзисторам ROHM, которые переключаются очень быстро и нуждаются в оптимальной демпфирующей цепочке. Также обратите внимание, что компания не проводила испытания при повышенных температурах, при которых силовые цепи всегда работают. Вы несете ответственность за то, чтобы снаббер хорошо работал при высоких температурах, когда значение емкости падает.
Вы также должны проверить свою систему на «акустические проблемы» от керамических конденсаторов. Они работают как динамики и микрофоны. Если ваш преобразователь работает с частотой ниже 20 кГц, керамические снабберные конденсаторы могут создавать нежелательный шум. Обязательно найдите молодого человека, который будет слушать шум, так как кто-либо старше 35 лет не может слышать в диапазоне выше 15 кГц.
Сделано для снабберов
На APEC 2019 TDK представила свои конденсаторы для преобразователей частоты компания CeraLink. В ее керамических конденсаторах используется диэлектрик свинец-лантан-цирконий-титан (PLZT). Этот диэлектрик работает в нише с более высоким напряжением и большим значением емкости по сравнению с другими типами керамики (рисунок ниже). Конденсаторы CeraLink будут увеличивать емкость с приложенным напряжением. Они имеют те же проблемы с температурой, что и обычная керамика. TDK отмечает, что это может быть преимуществом, поскольку они не будут «поглотителями тока»; то есть, самый горячий параллельный конденсатор не будет увеличиваться в стоимости и потреблять больше тока — пока он не сгорит.
Такое разделение тока является критическим, поскольку конденсаторы CeraLink состоят из еще более плотной конфигурации, чем обычные стек конденсаторы MLCC (рисунок ниже). Предназначенный для звена постоянного тока в частотных преобразователях, высокая частота пульсаций тока CeraLink может также использоваться в демпфирующих цепях. В документации TDK CeraLink также упоминается физическое напряжение, которое импульс напряжения оказывает на керамический конденсатор. Если импульсы имеют большую частоту и большое значение пикового напряжения, это может вывести конденсатор из строя. Это еще одна причина, по которой вам нужно хорошо протестировать и измерить все параметры электрической цепи, что касается вашей конструкции снаббера, чтобы убедиться, что она будет работать в нужном диапазоне температур и с допустимыми значениями напряжений и пульсаций.
Выберите свой подход к разработке
Вы можете использовать проверенные снабберы на основе пленочных конденсаторов, зная, что вы можете повысить производительность и стоимость с керамическими конденсаторами.
Это сложное решение. Применение конденсаторов меньшего размера означает, что у вас будет меньше паразитной индуктивности — то, что требует больших снабберов. Если вы можете уменьшить всю конструкцию, особенно с SiC и GaN, возможно, имеет смысл начать с керамики. Опять же, если вам нужно некоторое пространство, чтобы отводить тепло от силовых транзисторов, и это пространство дает возможность для установки пленочного конденсатора, ну, возможно, это ваш лучший выбор. «Может быть» и «аналог» идут рука об руку. Каждая разработка и каждая схема уникальны, так же как и ситуация, в которой они используются. Вот что делает аналоговую систему такой сложной и одновременно полезной, когда вы правильно ее понимаете.