Ogranicznik RCD - zasada działania i przykład obliczeniowy

Powodem, dla którego uciekają się do używania ograniczników

Podczas opracowywania konwertera impulsów mocy (szczególnie w przypadku potężnych urządzeń topologicznych typu push-pull i do przodu, w których przełączanie występuje w trybach trudnych), należy zachować ostrożność, aby chronić przełączniki mocy przed spadkiem napięcia.

Pomimo faktu, że dokumentacja w terenie wskazuje maksymalne napięcie między drenem a źródłem przy 450, 600, a nawet 1200 woltów, jeden losowy impuls wysokiego napięcia na drenu może wystarczyć do złamania drogiego (nawet wysokiego napięcia) klucza. Co więcej, sąsiednie elementy obwodu, w tym rzadki sterownik, mogą zostać zaatakowane.

Takie zdarzenie natychmiast spowoduje szereg problemów: skąd wziąć podobny tranzystor? Czy jest już w sprzedaży? Jeśli nie, kiedy się pojawi? Jak dobra będzie nowa praca w terenie? Kto, kiedy i za jakie pieniądze podejmie się lutowania tego wszystkiego? Jak długo potrwa nowy klucz i czy nie powtórzy losu swojego poprzednika? itd. i tak dalej.

W każdym razie lepiej od razu być bezpiecznym, a nawet na etapie projektowania urządzenia podejmuj środki, aby zapobiec takim problemom u źródła. Na szczęście od dawna znane jest niezawodne, niedrogie i łatwe do wdrożenia rozwiązanie oparte na komponentach pasywnych, które stało się popularne zarówno wśród fanów urządzeń elektroenergetycznych wysokiego napięcia, jak i profesjonalistów. Chodzi o najprostszy tłumik RCD.

Tradycyjnie w przypadku przetworników impulsowych indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora lub cewki indukcyjnej jest zawarta w obwodzie drenu tranzystora. I przy gwałtownym wyłączeniu tranzystora w warunkach, w których prąd przełączany nie spadł jeszcze do bezpiecznej wartości, zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, na uzwojeniu pojawi się wysokie napięcie, proporcjonalne do indukcyjności uzwojenia i prędkości tranzystora ze stanu przewodzenia do stanu zablokowanego.

Jeśli przód jest wystarczająco stromy, a całkowita indukcyjność uzwojenia w obwodzie drenu tranzystora jest znacząca, to wysokie tempo wzrostu napięcia między drenem a źródłem natychmiast doprowadzi do katastrofy. W celu zmniejszenia i ułatwienia tempa wzrostu temperatury blokowania tranzystora pomiędzy tłumikiem a źródłem chronionego klucza umieszczony jest tłumik RCD.

Jak działa tłumik RCD?

Snabber RCD działa w następujący sposób. W chwili zablokowania tranzystora prąd uzwojenia pierwotnego, ze względu na jego indukcyjność, nie może natychmiast spaść do zera. I zamiast spalić tranzystor, ładunek pod działaniem wysokiego pola elektromagnetycznego przepływa przez diodę D do kondensatora C obwodu tłumiącego, ładując go, a tranzystor zamyka się w trybie miękkim małego prądu przez jego przejście.

Kiedy tranzystor zacznie się ponownie otwierać (nagle przechodzi do następnego okresu przełączania), kondensator tłumiący zostanie rozładowany, ale nie przez pusty tranzystor, ale przez rezystor tłumiący R. A ponieważ rezystancja opornika tłumiącego jest kilka razy większa niż rezystancja złącza źródło, wówczas główna część energii zmagazynowanej w kondensatorze zostanie przydzielona dokładnie na rezystorze, a nie na tranzystorze. W związku z tym tłumik RCD pochłania i rozprasza energię fałszywej indukcyjności wysokonapięciowej c.

Obliczanie łańcucha tłumiącego

P jest mocą rozproszoną na rezystorze tłumiącym C to pojemność kondensatora tłumiącego t to czas blokady tranzystora, podczas którego ładowany jest kondensator tłumiący U to maksymalne napięcie, do którego ładowany jest kondensator tłumiący I to prąd przez tranzystor do momentu jego zamknięcia f - ile razy na sekundę snabber (częstotliwość przełączania tranzystora)

Aby obliczyć wartości ochronnych elementów tłumiących, na początek są one ustalane na podstawie czasu, przez który tranzystor w tym obwodzie przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu zablokowanego. W tym czasie kondensator tłumiący musi mieć czas na naładowanie przez diodę. Tutaj brany jest pod uwagę średni prąd uzwojenia mocy, przed którym należy chronić. Napięcie zasilania uzwojenia konwertera pozwoli ci wybrać kondensator o odpowiednim maksymalnym napięciu.

Następnie musisz obliczyć moc, która zostanie rozproszona przez opornik tłumiący, a następnie wybierz konkretną wartość rezystora na podstawie parametrów czasowych uzyskanego obwodu RC. Ponadto rezystancja rezystora nie powinna być zbyt mała, aby gdy kondensator zaczyna się przez niego rozładowywać, maksymalny impuls prądu rozładowania wraz z prądem roboczym nie przekraczał wartości krytycznej dla tranzystora. Rezystancja ta nie powinna być zbyt duża, aby kondensator nadal miał czas na rozładowanie, podczas gdy tranzystor wypracowuje dodatnią część okresu pracy.

Spójrzmy na przykład.

Falownik sieciowy typu push-pull (amplituda napięcia zasilającego 310 woltów) zużywający 2 kW działa na częstotliwości 40 kHz, a maksymalne napięcie między drenem a źródłem jego kluczy wynosi 600 woltów. Konieczne jest obliczenie tłumika RCD dla tych tranzystorów. Niech czas wyłączenia tranzystora w obwodzie wynosi 120 ns.

Średni prąd uzwojenia 2000/310 = 6,45 A. Niech napięcie na kluczu nie przekroczy 400 woltów. Następnie C = 6,45 * 0,000000120 / 400 = 1,935 nF. Wybieramy kondensator foliowy o pojemności 2,2 nF przy 630 woltach. Moc pochłaniana i rozpraszana przez każdy tłumik przez 40 000 okresów będzie wynosić P = 40 000 * 0,0000000022 * 400 * 400/2 = 7,04 W.

Załóżmy, że minimalny cykl pracy impulsu na każdym z dwóch tranzystorów wynosi 30%. Oznacza to, że minimalny czas otwarcia każdego tranzystora wyniesie 0,3 / 80 000 = 3,75 μs, biorąc pod uwagę przód, przyjmujemy 3,65 μs. Zajmujemy 5% tego czasu dla 3 * RC i pozwalamy kondensatorowi prawie całkowicie się rozładować w tym czasie. Następnie 3 * RC = 0,05 * 0,00000365. Stąd (zamiennik C = 2,2 nF) otrzymujemy R = 27,65 Ohm.

Instalujemy dwa pięcio watowe rezystory o wartości 56 omów równolegle w każdym tłumiku naszego dwusuwowego i otrzymujemy 28 omów za każdy tłumik. Prąd pulsacyjny z działania tłumika, gdy kondensator rozładowuje się przez rezystancję, wynosi 400/28 = 14,28 A - jest to prąd w impulsie, który przechodzi przez tranzystor na początku każdego okresu. Zgodnie z dokumentacją najpopularniejszych tranzystorów mocy maksymalny dopuszczalny prąd pulsacyjny przekracza dla nich maksymalny średni prąd co najmniej 4 razy.

Jeśli chodzi o diodę, dioda impulsowa jest umieszczana w obwodzie tłumiącym RCD przy takim samym maksymalnym napięciu jak napięcie tranzystora i jest w stanie wytrzymać maksymalny prąd przepływający przez obwód pierwotny tego przetwornika w impulsie.