Выбор, проектирование и расчет схемы снаббера

В силовой электронике есть множество старых терминов, некоторые из которых датируются столетиями, и, возможно, «снаббер» является одним из них, происходящим из средне­английского языка, на котором говорили до XV века. Первоначально это слово означало «ругать» или «проклинать», но теперь оно используется в значении «обрывать» или «демпфировать» в контексте электроники. В частности, снаббер обычно представляет собой цепь из компонентов, используемых для управления и ограничения скачков напряжения или тока, и рассматривается как защита катушек реле, а также полупроводниковых переключателей и выпрямительных диодов. Снабберы также могут ограничивать скорость перепадов напряжения и тока, уменьшать электромагнитные помехи, ограничивать рассеиваемую мощность в полупроводниках и уменьшать общие коммутационные потери — все зависит от выбранной топологии силового преобразования и сложности снаббера. Типичная снабберная RCD-цепь показана на рис. 1, здесь она используется в автономном обратноходовом преобразователе.

Рис. 1. Обычная снабберная RCD-цепь в автономном обратноходовом преобразователе

Действие снаббера

Обычно снаббер используется для ограничения переходных процессов напряжения, возникающих из-за паразитных эффектов в цепи. Импульсные преобразователи по своей природе работают с импульсным током (i), и когда он проходит через индуктивность рассеяния трансформатора или индуктивность соединения (L), создается напряжение (V), описываемое известным соотношением V = –L × di/dt. Это импульсное напряжение вызывает звон между индуктивностью и емкостями цепи, обычно на частоте в десятки МГц, с пиковым значением, которое может добавить сотни вольт к обычно ожидаемому значению в цепи. Звон, как правило, несинусоидальный из-за нелинейной характеристики переключающих емкостей по напряжению. Современные полупроводниковые переключатели с широкой запрещенной зоной могут работать с соотношением di/dt, равным 2 кА/мкс или более, создавая 2 В на каждый наногенри индуктивности, а трансформатор легко может иметь индуктивность рассеяния в несколько микрогенри. Даже корпус транзистора TO-247 имеет внутреннюю индуктивность около 10–20 нГн. На практике столь высокие скорости нарастания фронтов тока часто преднамеренно замедляются другими средствами, такими как резисторы затвора или добавленная емкость сток-затвор, чтобы сделать схемы практичными и предотвратить чрезмерные электромагнитные помехи, правда, за счет некоторой потери эффективности преобразования.

Снаббер демпфирует, а в данном случае и ограничивает напряжение звона, которое уменьшается по амплитуде и длительности. На рис. 2 показан эффект звона, который может возникнуть в схеме на рис. 1, без снаббера и вместе с ним.

Рис. 2. Типичные переходные процессы в схеме на рис. 1 без снаббера и с ним

Эффект демпфирования и ограничения напряжения снаббером достигается за счет отвода энергии в конденсатор в цепи и замедления скорости нарастания фронта напряжения. Он также может служить для уменьшения динамических потерь при переключении путем разделения перекрытия тока и напряжения в преобразователе с жестким переключением, уменьшая возникающие переходные процессы с высоким рассеиванием.

Выбор снаббера

Перед тем как выбрать снаббер и определить его параметры, обычно полезно выяснить, почему возникают выбросы и звон. Хорошая конструкция трансформатора может свести к минимуму индуктивность рассеяния, а чередование обмоток может существенно ее уменьшить; простое размещение вторичной обмотки трансформатора между двумя первичными обмотками может уменьшить рассеяние примерно в 4 раза по сравнению с одной первичной обмоткой. Индуктивности дорожек и соединений также могут быть сведены к минимуму за счет хорошей компактной разводки. Как правило, если частота звона менее чем в 100 раз превышает частоту переключения преобразователя, в первую очередь следует выяснить причину, поскольку эффективный снаббер способен рассеивать чрезмерную мощность. Дело также в том, что не существует «правильного» типа и параметров снаббера — на практике всегда имеется компромисс между допустимой нагрузкой на компонент, электромагнитными помехами, мощностью рассеивания снаббера, стоимостью и сложностью.

Простой RC-снаббер (рис. 3а) часто устанавливается параллельно переключателю или диоду для демпфирования колебаний, возникающих на частоте, задаваемой емкостью устройства и индуктивностью цепи. В случае МОП-транзистора на рисунке — это выходная емкость C_oss и индуктивность рассеяния трансформатора L_LK. Индуктивность L_LK можно относительно легко измерить, закоротив все обмотки трансформатора, кроме первичной, и измерив итоговую первичную индуктивность. В реальных схемах она, скорее всего, будет преобладать над индуктивностью соединений. Можно определить частоту звона f_R и, исходя из этого, установить характеристическое сопротивление (Z) данной резонансной цепи:

Z = 2p × f_R × L_LK.                                            (1)

Рис. 3. Выбор схемы снаббера:
а) простая RC;
б) RCD;
в) пассивная без потерь;
г) активный ограничитель

Это отправная точка для определения значения сопротивления резистора в цепи снаббера, который обеспечивает демпфирующее действие. Конденсатор блокирует ток из шины постоянного тока, и его значение позволяет резистору работать эффективно, минимизируя рассеяние на частоте переключения. Таким образом, начальным является значение C, которое дает тот же импеданс, что и резистор на частоте звона:

 C = 1/(2p × f_RZ).                                              (2)

Мощность P, рассеиваемая на резисторе, определяется по энергии, затрачиваемой на зарядку и разрядку конденсатора в каждом цикле переключения от нуля до V, суммы входного и обратного напряжения V_FB. Мощность рассеивания определяется по формуле:

P = C × V × 2f_S.                                               (3)

Обратите внимание, что мощность рассеивания не зависит от номинала резистора. Если значение P слишком велико, потребуется конденсатор с меньшей емкостью, что приведет к более высокому напряжению звона. Некоторые простые обратноходовые схемы работают в граничном режиме проводимости с переменной частотой, где частота ШИМ может быть очень высокой при небольшой нагрузке. Это может привести к чрезмерной мощности рассеивания снаббера и сделать эффективность легкой нагрузки очень низкой.

Иногда для получения начальных значений компонентов используется эмпирический метод, заключающийся в добавлении сначала конденсатора, чтобы получить половину частоты звона, а затем резистора, чтобы получить приемлемое демпфирование сигнала звона.

Цепь RCD-снаббера (рис. 3б) обеспечивает более надежное ограничение напряжения стока и предпочтительна, когда пиковое напряжение, ожидаемое на линии высокого напряжения, близко к максимальному для переключателя. Такая ситуация часто возникает в автономных преобразователях, где используются устройства с номинальным напряжением 650 В из-за их доступности и экономичности. В этой схеме, работающей в режиме прерывистой проводимости (DCM), когда полевой МОП-транзистор выключается и напряжение на стоке становится выше, чем на входной шине постоянного тока, включается диод и заряжает конденсатор до обратного напряжения V_FB. Если конденсатор имеет достаточно большую емкость, он будет оставаться заряженным до этого номинального напряжения в течение каждого цикла переключения, поглощая пульсирующий ток от сигнала звона. В качестве отправной точки при расчете обратите внимание, что напряжение V_LK на индуктивности L_LK после выключения переключателя и открытия диода равно напряжению конденсатора за вычетом напряжения обратного хода на первичной обмотке трансформатора:

V_LK = V_CAP – V_FB.

Ток через индуктивность L_LK уменьшается со скоростью:

Ток i появляется при пиковом значении тока намагничивания трансформатора i_PK, а линейный спад имеет продолжительность t_SN, тогда, заменяя и переставляя, получим:

Во время линейного спада средний ток равен i_PK/2, а в течение цикла переключения он равен (i_PK/2), умноженному на (t_SN/t_C), где t_C = 1/f_S. Теперь можно сказать, что мощность P_SN, рассеиваемая в снаббере в цикле переключения, равна:

P_SN = (i_PK/2) × (t_SN/t_C) × V_CAP = (i_PK/2) × (t_SNf_S) × V_CAP.

Заменяем t_SN:

P_SN = L_LKi_PK² × V_CAPf_S/(2 (V_CAP – V_FB)).

 V_CAP выбирается таким образом, чтобы V_CAP + V_FB + V_IN(max) с хорошим запасом не превышала пробивной способности переключателя, все остальные параметры задавались схемой, а L_LK можно было измерить. Значение сопротивления резистора R, обеспечивающее это рассеяние, определяется как:

R = V_CAP²/P_SN.

Емкость конденсатора не критична и выбрана с учетом пульсаций напряжения, что обеспечивает максимально допустимый ток пульсаций через ESR компонента и, как следствие, нагрев. Этот компонент обычно представляет собой полипропилен для обеспечения низких потерь. Пульсации DV_CAP определяются по формуле:

DV_CAP = V_CAP/C × R × f_S.

Диод должен обладать быстрым восстановлением, чтобы избежать значительного разряда конденсатора в режиме обратного смещения. Восстановление в прямом направлении также должно быть низким, поскольку оно добавляет несколько вольт к демпфированному значению.

Для цепей, работающих в режиме непрерывной проводимости (CCM), а также для цепей прямого или обратного преобразования выбор компонентов для RCD-снаббера аналогичен, а расчетные уравнения можно найти в литературе.

Существует множество других версий снабберов, которые можно применять к переключателям, в том числе к схеме, показанной на рис. 3в. Это снаббер «без потерь», который перерабатывает погашенную энергию. Также может быть организована подача энергии на вспомогательную шину низкого напряжения питания для дополнительного энергосбережения.

Другие снабберы имеют вид «активных ограничителей», в которых обычно используются полевые МОП-транзисторы для ограничения перенапряжения (рис. 3г). Для полевого МОП-транзистора обычно требуется высоковольтный драйвер, смещенный относительно «земли», а в продаже доступны управляющие ИС со встроенным драйвером. Схема похожа на активный ограничитель, используемый в прямоходовых преобразователях для обеспечения эффективного сброса трансформатора.

Пример и расчет параметров RC-снаббера

В описанном примере предполагается, что в идеале индуктивность рассеяния может быть измерена на частоте коммутации. Это можно сделать во многих схемах с помощью анализатора импеданса или прецизионного LCR-моста. Однако индуктивность рассеяния иногда может быть достаточно низкой и ее трудно измерить, особенно в неизолированных силовых преобразователях, где преобладают индуктивности дорожек и соединений. Но иногда в лаборатории нет LCR-моста или анализатора импеданса. В этом случае индуктивность можно определить, наблюдая форму сигнала звона и добавляя дополнительную известную емкость C₂ к существующей емкости узла коммутации C₁, при этом наблюдая за изменением частоты звона.

Например, выпрямительный диод в преобразователе, работающем на частоте около 38,5 кГц без снаббера, звонил при обратном смещении на частоте f₁, равной 25,584 МГц. Был добавлен дополнительный конденсатор с фактическим измеренным значением 178 пФ, и частота звона сдвинулась на f₂ или 21,9 МГц.

В обоих условиях резонанса индуктивность рассеяния постоянна, поэтому можно записать равенство:

L_LK = 1/(4 × p² × f₁₂C₁) = 1/(4p²f₂₂ (C₁+C₂)).

Решение для C₁ дает значение 488 пФ.

Решение для L_LK дает значение 108 нГн.

Из уравнения (1), если предположить, что частота сигнала звона останется около 23 МГц, начальное значение сопротивления резистора снаббера Rsnub для критического демпфирования должно быть около 16 Ом. Однако было выбрано значение 35 Ом для слабого неполного демпфирования, но с ограничением пикового напряжения безопасным значением около 27 В. Из уравнения 2 при Z = 35 Ом получается C_snub = 197 пФ — выбрано стандартное значение 180 пФ. Из уравнения (3) мощность рассеивания на резисторе R_snub составляет всего 5 мВт. При высоких напряжениях мощность может быть значительно выше, хотя некоторая ее часть рассеивается в переключателе при переходе через его линейную область.

Советы по выбору измерительного оборудования

Частоту проще всего измерить с помощью осциллографа, при этом следует использовать пробник с низкой емкостью и широкой полосой пропускания, чтобы он не влиял на результаты измерения. Для работы со стандартными типами преобразователей хорошим выбором являются осциллографы R&S RTM3000 или R&S RTA4000. Они обеспечивают полосу измерения до 1 ГГц, возможность анализа мощности для автоматизации стандартных измерений и мощную функцию БПФ, которая будет полезна как при проведении общего анализа, так и для выявления и устранения электромагнитных помех.

Для более сложных типов преобразователей, таких как обратноходовой преобразователь с активным ограничением, ценной функцией станет цифровая система запуска, реализованная в осциллографе R&S RTO6 (рис. 4). Она обеспечивает гораздо более высокую чувствительность запуска, чем аналоговые системы запуска стандартных осциллографов, особенно в сочетании с режимом высокой четкости HD, и позволяет задавать сложные настройки запуска.

Рис. 4. Осциллограф R&S RTO6 с высоковольтным пробником R&S RT-ZHD и токоизмерительным пробником R&S RT-ZC

HD-режим за счет фильтрации повышает разрешение и точность измерений по вертикали, что позволяет получить более четкие осциллограммы с подробностями, которые в противном случае могли бы быть скрыты шумом. Усовершенствованная система запуска также полезна для снабберных сигналов, которые быстрее по сравнению с частотой ШИМ и могут иметь преднамеренный джиттер, вносимый ШИМ-контроллером для уменьшения электромагнитных помех.

Для линий передачи, используемых с входным сопротивлением осциллографа 50 Ом, доступны пробники с диапазоном, достигающим нескольких ГГц. При измерении только частоты осциллограмму звона часто можно наблюдать, просто поднеся кончик пробника к цепи, не касаясь ее, чтобы гарантировать отсутствие нагрузки.

Чтобы убедиться, что полупроводниковый переключатель не подвергается нагрузке, требуются измерения амплитуды — при этом необходима высокая точность, поскольку безопасные границы измерения часто невелики. Во многих цепях присутствуют очень высокие напряжения, приближающиеся к номинальному напряжению типовых осциллографических пробников, поэтому хорошим вариантом становится использование высоковольтного дифференциального пробника, такого как R&S RT-ZHD (рис. 4). Для достижения наилучших результатов измерения важно использовать пробник со специальными короткими проводами, поскольку их влияние в пробнике скомпенсировано.

Длинные измерительные провода, также поставляемые в качестве стандартных принадлежностей, можно использовать, если приемлема уменьшенная полоса частот измерения, например, когда ожидаемое время нарастания позволяет ограничить полосу пропускания до 5 МГц с помощью встроенного в пробник фильтра нижних частот.

В качестве альтернативы высоковольтным дифференциальным пробникам могут использоваться осциллографы с изолированными входами, обычно с полосой пропускания 500 МГц и номинальным входным напряжением 1000 В (СКЗ).

Другими параметрами, которые следует учитывать при выборе высоковольтного дифференциального пробника, являются низкий уровень шума, высокая линейность, способность компенсировать высокое смещение постоянного тока и низкий дрейф.

Заключение

Снабберные цепи — это полезные инструменты, способные снизить нагрузку на полупроводниковые устройства, повысить эффективность системы и уменьшить электромагнитные помехи. Однако точно измерить сигналы снаббера трудно, поскольку их высокочастотный звон часто смещен относительно «земли» высокими напряжениями. Кроме того, тенденция к созданию более быстрых полупроводников с широкой запрещенной зоной из карбида кремния и нитрида галлия с низкими емкостями создает дополнительную проблему для измерений из-за более высокой частоты звона. Тем не менее точные результаты могут быть получены при использовании подходящих пробников и методов измерений, а также при знании потенциальных источников погрешностей таких измерений.