Особенности построения импульсных преобразователей с гальванической развязкой.
Часть 2

№ 4’2014
PDF версия
В первой части статьи были обозначены основные ограничительные (снабберные) схемы, которые позволяют рассеивать энергию, накопленную в индуктивности рассеяния. Рассмотрим каждую из них более подробно.

Начало. Часть 1. №6’2013

Стабилитроны (диоды Зенера)

Стабилитрон — это полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей до сотен ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты аппаратуры от перенапряжений, вызываемых разрядами молний и статического электричества, а также от выбросов напряжения на индуктивных нагрузках. Такие стабилитроны выдерживают пиковые импульсы тока в десятки и сотни ампер лучше, чем «обычные» силовые стабилитроны той же рассеиваемой мощности.

Как правило, применение стабилитронов в цепях ограничения перенапряжений ограничено маломощными импульсными источниками питания и используется для защиты транзисторов по цепям управления.

 

Конденсаторы (снабберные конденсаторы)

Снабберные конденсаторы применяются как для ограничения переходных перенапряжений, так и для снижения динамических потерь в силовых ключах. В последнем случае с их помощью формируется траектория переключения: параллельные емкости снижают скорость нарастания напряжения, индуктивности в цепях коммутации ограничивают скорость нарастания тока.

Практически все современные транзисторы и модули IGBT имеют прямоугольную область безопасной работы (Safe Operating Area, SOA или ОБР), то есть допускают работу в режиме «жесткого переключения», когда коммутируются максимальный ток и напряжение. В этом случае, как правило, и рекомендуется применение простейшего снаббера, представляющего собой низкоиндуктивный пленочный конденсатор, установленный параллельно шинам питания полумоста. Конструкция снабберной емкости должна обеспечивать не только минимальную распределенную индуктивность, но и удобство подключения к полюсам силового модуля.

Для ограничения переходных перенапряжений в большинстве случаев применяются специальные снабберные конденсаторы, размещаемые непосредственно на DC-полюсах модулей транзисторов. В самом общем смысле снаббер работает как фильтр низких частот, замыкающий через себя ток переходного процесса. Номинал конденсатора вычисляется исходя из заданного уровня перенапряжения и значения энергии, запасенной в паразитной индуктивности шины при коммутации тока. Принцип снабберных конденсаторов заключается в предотвращении наведения опасного напряжения из-за индуктивностей коммутационной цепи LK путем включения конденсаторов, которые поглощают энергию, сохраненную в паразитной индуктивности (индуктивности рассеяния в трансформаторе):

Е = LK/2 × i-2.

Конденсатор будет заряжен разностью напряжений

DV2 = LK/2 × i-2/С

и установит предел перенапряжениям. Поглощенная энергия должна разрядиться между двумя процессами заряда для сохранения работоспособности схемы.

 

RC-снаббер

Простейший RC-снаббер — это последовательно соединенные конденсатор и резистор. Расчет RC-снаббера заключается в определении номиналов конденсатора и резистора, а также в определении мощности резистора. Покажем, как рассчитываются эти величины.

Номинал резистора снаббера рассчитывается исходя из того, что оптимальное сопротивление резистора должно быть равно характеристическому импедансу (сопротивлению) колебательного контура:

RSN = √L/C,

где L и C — это соответственно паразитные индуктивность и емкость.

Паразитная емкость — это, в основном, емкость между стоком (коллектором) и истоком (эмиттером) транзистора (выходная емкость Coss). Ее величину можно определить из документации на транзистор. Но как найти величину паразитной индуктивности? Она определяется расчетным путем по осциллограмме. Для этого измеряем осциллографом частоту паразитных колебаний, и из соотношения

f = 1/(2p√LC)

находим паразитную индуктивность

L = 1/(4p2f2C).

Величина емкости RC-снаббера обычно является компромиссным решением, поскольку, с одной стороны, чем больше емкость — тем лучше сглаживание (меньше число колебаний), с другой стороны, каждый цикл емкость перезаряжается и рассеивает через резистор часть полезной энергии, что сказывается на КПД (обычно нормально рассчитанный снаббер снижает КПД очень незначительно, в пределах одного-двух процентов).

Так вот, на практике величину этой емкости обычно определяют из условия, что постоянная времени RC-снаббера должна быть в три и более раз больше периода паразитных колебаний:

RSN × CSN = 3T = 3/f,

где T и f — это, соответственно, период и частота паразитных колебаний. Отсюда

CSN = 3/(RSN × f).

Мощность резистора оценивается по величине энергии, которую он каждый цикл должен рассеивать вследствие перезаряда конденсатора CSN:

PRSN = 1/(2CSN × U × 2fS),

где U и fS — это, соответственно, входное напряжение и рабочая частота, на которой работают транзисторы.

В дополнение отметим, что располагать элементы RC-снаббера рекомендуется как можно ближе к силовым ногам транзистора.

 

RCD-снаббер

Ограничительные схемы RCD-снабберов обеспечивают хороший баланс между эффективностью, генерацией электромагнитных помех и стоимостью, вследствие чего они и получили наибольшее распространение. По своему принципу действия данные снабберы очень похожи на описанные ранее RС-снабберы, но при этом диод дает возможность образовывать дополнительный независимый контур разряда конденсатора, что позволяет применять конденсаторы более высокой емкости, получая лучшее сглаживание при сохранении КПД. Преимущество RCD-снаббера заключается в том, что заряд конденсатора в цепочке RCD происходит плавно, т. е. напряжение на конденсаторе изменяется медленно (относительно). А вот стабилитрон (диоды Зенера, TVS-диоды) открывается очень быстро (почти мгновенно), и падение напряжения на нем происходит также быстро. От такой жесткой коммутации возникают электромагнитные помехи.   

Окончание. Часть 3. № 3’2015

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *