RCD snubber - příklad principu činnosti a výpočtu

Důvod, proč se uchýlí k použití snubbers

Při vývoji výkonového pulzního měniče (zejména pro výkonná topologická zařízení typu push-pull a forward, kde dochází k přepínání v tvrdých režimech), je třeba dbát na ochranu výkonových spínačů před výpadkem napětí.

Navzdory skutečnosti, že dokumentace v terénu ukazuje maximální napětí mezi odtokem a zdrojem při 450, 600 nebo dokonce 1200 V, může být jeden náhodný vysokonapěťový impulz na odtoku dostačující k přerušení drahého (i vysokého napětí) klíče. Navíc mohou být sousední prvky okruhu, včetně vzácného řidiče, napadeny.

Taková událost okamžitě povede ke spoustě problémů: kde získat podobný tranzistor? Je to nyní v prodeji? Pokud ne, kdy se objeví? Jak dobrá bude nová práce v terénu? Kdo, kdy a za jaké peníze se zaváže k pájení toho všeho? Jak dlouho bude nový klíč trvat a nebude opakovat osud jeho předchůdce? atd. atd.

V každém případě je lepší být v bezpečí najednou a dokonce i ve fázi návrhu zařízení přijmout opatření k zabránění takovým problémům v kořenovém adresáři. Naštěstí je již dlouhou dobu známo spolehlivé, levné a snadno implementovatelné řešení založené na pasivních součástech, které se stalo populárním mezi fanoušky vysokonapěťových energetických zařízení i profesionály. Jde o nejjednodušší snubber RCD.

Tradičně u pulzních měničů je indukčnost primárního vinutí transformátoru nebo induktoru obsažena v odtokovém obvodu tranzistoru. A při prudkém vypnutí tranzistoru v podmínkách, kdy spínaný proud ještě neklesl na bezpečnou hodnotu, se podle zákona o elektromagnetické indukci objeví na vinutí vysoké napětí, úměrné indukčnosti vinutí a rychlosti tranzistoru z vodivého stavu do zablokovaného stavu.

Pokud je přední strana dostatečně strmá a celková indukčnost vinutí v odtokovém obvodu tranzistoru je významná, pak vysoká rychlost nárůstu napětí mezi odtokem a zdrojem okamžitě povede k katastrofě. Za účelem snížení a usnadnění této rychlosti tepelného růstu blokování tranzistoru je mezi odtok a zdroj chráněného klíče umístěn tlumič RCD.

Jak Rub snubber funguje?

RCD snabber funguje následovně. V okamžiku, kdy je tranzistor zablokován, nemůže proud primárního vinutí kvůli jeho indukčnosti okamžitě klesnout na nulu. A místo toho, aby vypálil tranzistor, se náboj při působení vysokého EMF vrhne diodou D do kondenzátoru C obvodu snubberu, nabije jej a tranzistor se zavře v měkkém režimu malého proudu skrze jeho přechod.

Když se tranzistor začne znovu otevírat (náhle přechází do další spínací periody), kondenzátor snubberu bude vybit, ale ne skrz holý tranzistor, ale skrz rezonanční odpor R. A protože odpor rezonančního odporu je několikrát větší než odpor spoje zdroj, pak bude hlavní část energie uložené v kondenzátoru alokována přesně na odpor a ne na tranzistor. Rubový tlumič RCD tak absorbuje a rozptyluje energii rušivé vysokonapěťové indukční indukčnosti.

Výpočet snubberského řetězce

P je výkon rozptýlený na odporovém odporu C je kapacita kapacitního odporu t je doba blokování tranzistoru, během níž je kondenzátorový náboj nabitý U je maximální napětí, ke kterému je kondenzátorový náboj nabitý I je proud přes tranzistor, dokud neuzavře f- kolikrát za sekundu snabber (spínací frekvence tranzistoru)

Pro výpočet hodnot ochranných ochranných prvků jsou pro začátek nastaveny časem, po který tranzistor v tomto obvodu přechází z vodivého stavu do zablokovaného stavu. Během této doby musí tlumič kondenzátoru mít čas na nabití prostřednictvím diody. Zde se bere v úvahu průměrný proud vinutí, před kterým je třeba chránit. A napájecí napětí vinutí převodníku vám umožní vybrat kondenzátor s vhodným maximálním napětím.

Dále je třeba vypočítat výkon, který bude rozptylován odporem tlumiče, a poté vybrat konkrétní hodnotu rezistoru na základě časových parametrů získaného obvodu RC. Kromě toho by odpor rezistoru neměl být příliš malý, takže když kondenzátor začne vybíjet skrz něj, maximální puls vybíjecího proudu spolu s provozním proudem nepřekročí kritickou hodnotu pro tranzistor. Tento odpor by neměl být příliš velký, aby kondenzátor měl ještě čas na vybití, zatímco tranzistor pracuje na kladné části pracovní doby.

Podívejme se na příklad.

Síťový push-pull invertor (amplituda napájecího napětí 310 V) spotřebovávající 2 kW pracuje při frekvenci 40 kHz a maximální napětí mezi odtokem a zdrojem pro jeho klíče je 600 voltů. Pro tyto tranzistory je nutné vypočítat snubber RCD. Nechte čas vypnutí tranzistoru v obvodu 120 ns.

Průměrný proud vinutí 2000/310 = 6,45 A. Nechte napětí na klíči nepřesahovat 400 voltů. Pak C = 6,45 * 0,000000120 / 400 = 1,935 nF. Vybereme filmový kondenzátor s kapacitou 2,2 nF při 630 voltech. Síla absorbovaná a rozptýlená každým snubberem po dobu 40 000 bude P = 40 000 * 0,0000000022 * 400 * 400/2 = 7,04 W.

Předpokládejme, že minimální pulzní pracovní cyklus na každém z obou tranzistorů je 30%. To znamená, že minimální doba otevření každého tranzistoru bude 0,3 / 80 000 = 3,75 μs, s přihlédnutím k přední straně vezmeme 3,65 μs. Bereme 5% této doby pro 3 * RC a necháme kondenzátor během této doby téměř úplně vybít. Potom 3 * RC = 0,05 * 0,00000365. Odtud (náhrada C = 2,2 nF) dostaneme R = 27,65 Ohmů.

Nainstalujeme dva pětistatové odpory 56 Ohmů paralelně do každého snubberu našeho dvoudobého tahu a pro každý snubber dostaneme 28 Ohmů. Impulzní proud z činnosti snubberu, když kondenzátor vybíjí přes odpor, je 400/28 = 14,28 A - to je proud v impulsu, který prochází tranzistorem na začátku každé periody. Podle dokumentace pro nejpopulárnější výkonové tranzistory maximální povolený pulzní proud pro ně překračuje maximální průměrný proud nejméně čtyřikrát.

Co se týče diody, pulsní dioda je umístěna v RCD snubberovém obvodu při stejném maximálním napětí jako u tranzistoru a je schopna vydržet maximální proud protékající primárním obvodem tohoto převodníku v impulzu.