RCD-снаббер – принцип роботи та приклад розрахунку

Причина, по якій вдаються до використання снабберов

В ході розробки силового імпульсного перетворювача (особливо це стосується потужних пристроїв топологій push-pull і forward, де перемикання відбувається в жорстких режимах), необхідно як слід подбати про захист силових ключів від пробою по напрузі.

Незважаючи на те, що в документації на польовика вказано максимальне напруження між стоком і витоком в 450, 600 або навіть в 1200 вольт, одного випадкового високовольтного імпульсу на стоці може виявитися досить для виходу дорогого (навіть і високовольтного) ключа з ладу. Та ще й сусідні елементи схеми, включаючи дефіцитний драйвер, можуть потрапити під удар.

Така подія відразу призведе до купи проблем: де дістати аналогічний транзистор? Чи є він зараз у продажу? Якщо немає, то коли з’явиться? Наскільки якісним виявиться новий польовика? Хто, коли і за які гроші візьметься все це перепоювати? Як довго протримається новий ключ і чи не повторить він долю свого попередника? і Т. Д. і Т. П.

У будь-якому випадку краще відразу перестрахуватися, і ще на етапі проектування пристрою вжити заходів для запобігання подібних неприємностей на корені. Благо, відомо надійне, недороге і просте в своїй реалізації рішення на пасивних компонентах, давно стало популярним як у любителів високовольтної силової техніки, так і у професіоналів. Мова про найпростішому RCD-снаббере.

Традиційно для імпульсних перетворювачів, в ланцюг стоку транзистора включена індуктивність первинної обмотки трансформатора або дроселя. І при різкому замиканні транзистора в умовах, коли комутований струм ще не знизився до безпечної величини, відповідно до закону електромагнітної індукції на обмотці виникне висока напруга, пропорційне індуктивності обмотки і швидкості переходу транзистора з провідного стану в замкнене.

Якщо фронт при цьому досить крутий, а загальна індуктивність обмотки в ланцюзі стоку транзистора істотна, то висока швидкість наростання напруги між стоком і витоком миттєво призведе до катастрофи. Щоб цю швидкість росту напруги знизити і полегшити тепловий режим замикання транзистора – між стоком і витоком захищається ключа ставлять RCD-снаббер.

Як працює RCD-снаббер

RCD-cнаббер працює наступним чином. У момент замикання транзистора струм первинної обмотки, в силу того що в неї індуктивності, не може миттєво знизитися до нуля. І замість того щоб палити транзистор, заряд, під дією високої ЕРС, спрямовується через діод D в конденсатор C снабберной ланцюга, заряджаючи його, а транзистор при цьому закривається в м’якому режимі незначного струму через його перехід.

Коли транзистор знову почне відкриватися (різко переходячи в провідний стан для відпрацювання чергового періоду комутації), конденсатор снаббера стане розряджатися, але вже не через голий транзистор, а через снабберний резистор R. А так як опір снабберного резистора в кілька разів більше опору переходу сток витік, то основна частина збереженої в конденсаторі енергії виділиться саме на резисторі, а не на транзисторі. Таким чином RCD-снаббер поглинає і розсіює енергію паразитного високовольтного викиду c індуктивності.

Розрахунок снабберной ланцюга

P – потужність, що розсіюється на резисторі снаббера C – ємність конденсатора снаббера t – час замикання транзистора, за яке конденсатор снаббера заряджається U – максимальна напруга, до якого зарядиться конденсатор снаббера I – струм через транзистор до його закриття f- скільки разів в секунду буде спрацьовувати снаббер (частота перемикання транзистора)

Щоб розрахувати номінали елементів захисного снаббера, для початку задаються часом, за яке транзистор в даній схемі переходить з провідного стану в замкнене. За цей час конденсатор снаббера повинен встигнути зарядитися через діод. Тут враховується середній струм силового обмотки, від якого належить захищатися. А напруга живлення обмотки перетворювача дозволить вибрати конденсатор з відповідним максимальним напруженням.

Далі необхідно обчислити потужність, яка повинна буде розсіюватися на резисторі снаббера, і вже після цього підібрати конкретний номінал резистора, виходячи з тимчасових параметрів отриманої RC-ланцюга. При тому опір резистора не повинно бути занадто малим, щоб коли при замиканні ключа конденсатор почне розряджатися через нього, імпульс максимального розрядного струму разом з робочим струмом не перевищили б критичну для транзистора величину. Не повинно це опір бути і занадто великим, щоб конденсатор все ж встиг розрядитися, поки транзистор відпрацьовує позитивну частину робочого періоду.

Розглянемо приклад

Мережевий двотактний інвертор (амплітуда напруги живлення 310 вольт) споживає потужність 2 кВт працює на частоті 40 кГц, причому максимальне напруження між стоком і витоком для його ключів становить 600 вольт. Необхідно розрахувати RCD-снаббер для цих транзисторів. Нехай час замикання транзистора в схемі становить 120 нс.

Середній струм обмотки 2000/310 = 6,45 А. Нехай напруга на ключі не перевищить 400 вольт. Тоді C = 6,45 * 0,000000120 / 400 = 1,935 нФ. Виберемо плівковий конденсатор ємністю 2,2 нФ на 630 вольт. Потужність, що поглинається і розсіюється кожним снаббером за 40000 періодів складе P = 40000 * 0.0000000022 * 400 * 400/2 = 7,04 W.

Припустимо, мінімальна шпаруватість імпульсу на кожному з двох транзисторів становить 30%. Значить мінімальний час відкритого стану кожного транзистора дорівнюватиме 0,3 / 80000 = 3,75 мкс, з урахуванням фронту приймемо 3,65 мкс. Приймемо 5% цього часу за 3 * RC, і нехай за цей час конденсатор встигне майже повністю розрядитися. Тоді 3 * RC = 0,05 * 0,00000365. Звідси (підставимо C = 2.2 нФ) отримаємо R = 27,65 Ом.

Встановимо по два пятіваттних резистора по 56 Ом паралельно в кожен снаббер нашого двотактники, і вийде 28 Ом для кожного снаббера. Імпульсний струм від спрацювання снаббера при розряді конденсатора через опір складе 400/28 = 14,28 А – це ток в імпульсі, який пройде через транзистор на початку кожного періоду. Згідно з документацією на більшість популярних силових транзисторів, максимально допустимий імпульсний струм для них перевершує максимальний середній струм мінімум в 4 рази.

Що стосується діода, то в схему RCD-снаббера ставитися імпульсний діод на таке ж максимальне напруження як у транзистора, і здатний в імпульсі витримувати максимальний струм, що протікає через первинну ланцюг даного перетворювача.

Ссылка на основную публикацию