Снаббер в импульсном блоке питания

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.

Несмотря на то, что в документации на полевик указано предельное напряжение между стоком и истоком в 450, 600 или даже в 1200 вольт, одного случайного высоковольтного импульса на стоке может оказаться достаточно для выхода дорогостоящего (даже и высоковольтного) ключа из строя. Да еще и соседние элементы схемы, включая дефицитный драйвер, могут попасть под удар.

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.

Когда транзистор вновь начнет открываться (резко переходя в проводящее состояние для отработки очередного периода коммутации), конденсатор снаббера станет разряжаться, но уже не через голый транзистор, а через снабберный резистор R. А так как сопротивление снабберного резистора в несколько раз больше сопротивления перехода сток-исток, то основная часть запасенной в конденсаторе энергии выделится именно на резисторе, а не на транзисторе. Таким образом RCD-снаббер поглощает и рассеивает энергию паразитного высоковольтного выброса c индуктивности.

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.

Перенесу-ка я сюда схему устройства мягкого пуска и защиты импульсника с предыдущей страницы.

Рис.1

Фактически, основной фрагмент импульсного блока питания (Рис.2), состоящий из самотактируемого полумостового драйвера, управляющего мощными полевыми транзисторами, самих транзисторов и импульсного трансформатора — издавна уже обрёл привычные очертания, отработан до мелочей и радует счастливые взоры радиолюбителей предсказуемым поведением и весьма приличными характеристиками.

Рис.2

Приведённая схема импульсного источника питания позволяет снимать с блока максимальную мощность до 300Вт.
Частота преобразования драйвера IR2153 — 50кГц. При желании изменить тактовую частоту следует изменить значения номиналов элементов R1 и С1 в соответствии с формулой F = 1 / [1,4×C×(R+75)].

Большинство схемотехнических решений ИПБ на IR2153, представленных в сети, не учитывают простой рекомендации производителя микросхемы по выбору номиналов данных элементов, а именно:
Timing resistor value (Min) — 10 kΩ, C_T pin capacitor value (Min) — 330 pF.

Для удобства приведу простой калькулятор по расчёту частотозадающих элементов IR2153.

И с другими вводными — частота IR2153 с учётом имеющихся у Вас деталей.

На страшилки по поводу опасности несущественного отклонения рабочей частоты от расчётной, как то: насыщение феррита, снижение КПД и т.д. и т.п. — не следует обращать никакого внимания. Прекрасно Ваш феррит переживёт подобные отклонения, вплоть до 10-15% изменения частоты преобразователя, без всяких последствий для собственного здоровья.

Теперь о намотке трансформатора Tr1.
Парой слов здесь ограничиться не удастся, потому как именно импульсный трансформатор назначен главным ответственным за показатели ИБП.
Собственно, исходя из этих соображений, мы и посвятили целую статью расчётам и намотке трансформатора на тороидальном ферритовом сердечнике для данного блока с возможностью выбора желаемого диапазона мощностей — Ссылка на страницу.

Плавно переходим к снабберной цепочке R8, С9. Снаббер – это демпфирующее устройство, которое выполняет действие по замыканию на себе токов переходных процессов. Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, которые появляются при переключении коммутационных полупроводников и способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и силовых транзисторов.
В теории, существуют методики расчёта снабберных цепей. На практике — а не пошли бы они лесом, уж очень много различных параметров необходимо учитывать для получения корректного результата. К тому же достаточно велика вероятность того, что данная цепочка вообще не понадобится в транзисторно-трансформаторном хозяйстве.
Для проверки этого предчувствия следует к выходу ИПБ подключить нагрузку, обеспечивающую его работу при 10% мощности от максимальной, и поочерёдно ткнувшись пальцем в импульсный трансформатор и радиатор выходных транзисторов, убедиться, что температура данных элементов не превышает 30-40 градусов.
Если это так, то про снабберную цепочку забываем, если не повезло — начинаем юзать снаббер, начиная со значения ёмкости конденсатора С9 200пФ и постепенно повышая её до тех пор, пока не будет получен устойчивый положительный результат. Естественным делом данный конденсатор обязан быть высоковольтным.

Выходной выпрямитель особенностей не имеет, П-образные фильтры C5,L1,C9 и C6,L2,C11 необходимы для предотвращения попадания высокочастотных помех в нагрузку, электролиты С10 и С12 борются с сетевыми 50-ти герцовыми пульсациями. Дроссели L1 и L2 номиналом 10-20 мкГн, должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки, и могут быть как покупными, так и самостоятельно намотанными на силовых ферритах.

Радиатор для ключевых транзисторов Т1, Т2 для схемы, приведённой на Рис.2, должен рассчитываться исходя мощности рассеивания 3-5Вт и в простейшем случае может представлять из себя алюминиевую или медную пластину площадью 40-50 см 2 .

При необходимости радикально увеличить мощность блока питания вплоть до 1000 Вт имеет смысл воспользоваться ещё одной расхожей схемой ИБП с использованием более мощных полевых транзисторов (Рис.3).

Рис.3

Поскольку выходным драйверам IR2153 сложновато прокачать значительные ёмкости С_зи могучих полевиков, в схему добавлены двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах Т1-Т4, во всём остальном схема повторяет свой менее мощный аналог, приведённый на Рис.2.
Значения ёмкостей конденсаторов С3, С4 приведены для мощности ИБП 500Вт, для 1000Вт их номиналы следует увеличить в 2 раза.
Пропорционально росту мощности ИПБ в соответствующее количество раз нужно увеличивать и размер радиатора полевых транзисторов.
Расчёт трансформатора произведём всё на той же странице — Ссылка на страницу.

Ну а на следующей странице с головой окунёмся в культработу над мощным лабораторным блоком питания с регулируемым выходным напряжением.

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 ΔV_2, 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 L_DC 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:

• Разрешенное напряжение для цепей постоянного тока V_Rmax;
• Максимальное значение напряжения и тока пульсации Vnnsили Inns;
• Величину емкости и индуктивности;
• Срок эксплуатации.

Желательно учитывать, что для модулей IGBT величина напряжения шины не должна быть больше значения 9000В, для такого значения рекомендуется применять снаббер с V_Rmax= 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.