Оценка потери мощности снаббера

Зачем нужен снаббер?

Рассмотрим теорию использования демпфера. На рисунке 1 показан типичный RC-демпферный преобразователь с понижением частоты (SNUBBER). Без демпфера в точке Vx — верхней точке конденсатора — может возникнуть «звон» (высокочастотные колебания, которые мешают нормальной работе преобразователя постоянного тока в постоянный, примерно транслятор). Это может произойти в течение некоторого времени, когда второй транзистор включается, не дожидаясь полного выключения первого. В это время выходная цепь (OUTPUT LOOP) закорачивается только паразитными последовательными индуктивностями и параллельными емкостями транзисторов.

Рис. 1. Понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный с RC-демпфером

Теоретически амплитуда звонка может быть вдвое больше входного напряжения. Плохая разводка печатной платы также может быть источником звонков в цепи. Звонок вызывает электромагнитные помехи (EMI) — как излучаемые, так и кондуктивные, — которые могут привести к превышению токами и напряжением транзисторов их пороговых значений, что приведет к отказу всей схемы. RC-демпферная цепь снижает вызывание до безопасного уровня, рассеивая мощность паразитных колебаний через резистор.

Конфигурация снаббера

Устройство, необходимое для использования демпфера, зависит от размера нагрузки и типа источника питания, связано с типом силового элемента и частотой, с которой он работает.

Рис. # 1. Конфигурация демпфирующего конденсатора.

Самым простым демпфером считается импульсный конденсатор малой емкости, который включается параллельно выключателю питания. В конструкции обязательно должен быть резистор, подключенный параллельно конденсатору, это помогает исключить потери и потери в паразитном колебательном контуре.

Основное требование к конструкции демпферной емкости — обеспечить, помимо минимального значения распределенной индуктивности, еще и удобство подключения к клеммам силового модуля. В качестве амортизатора недопустимо использовать обычные конденсаторы, как на (рис. 1а).

Методика расчета снабберной цепи

Выполнение расчета связано с механизмом действия снабберной цепи. Номинал конденсатора рассчитывается исходя из определенного значения уровня перенапряжения Vos и количества энергии, запасенной в паразитной индуктивности шины Lw при переключении значения тока Ireak:

С помощью демпферов формируется путь переключения, в котором конденсаторы, соединенные параллельно, уменьшают скорость увеличения значения напряжения, а индуктивности служат для ограничения скорости увеличения значений тока.

Расчет демпфирующей емкости и максимального значения эффективной индуктивности может быть выполнен, если значения напряжения ΔV1 и ΔV2 известны, а их значение C2 будет прямо пропорционально параметрам паразитной индуктивности. Формула расчета емкости будет выглядеть так:

Таким образом, очевидно, что правильный тип и силовой каскад, способный обеспечить минимальное значение и значение LDC, позволяют снизить требования к демпфирующим цепям.

Для определения расчета паразитной цепи постоянного тока необходимо произвести корректирующие измерения параметров демпферной цепи по результатам экспериментальной проверки.

Выбор основан на минимальном значении перенапряжения и отсутствии опасных колебаний.

необходимо знать, что демпфер не сможет помочь переключателю мощности в случае скачка напряжения в несогласованной шине постоянного тока, имеющей значительную площадь токовой цепи.

При выборе конденсатора учитываются следующие параметры:

• Допустимое напряжение для цепей постоянного тока VRmax;
• Максимальное напряжение и ток пульсации Vnns или Inns;
• Значение емкости и индуктивности;
• Продолжительность жизни.

Желательно учесть, что для модулей IGBT значение напряжения на шине не должно превышать 9000В; для этого значения рекомендуется использовать демпфер с VRmax = 1000V. Значение емкости должно быть достаточным для подавления и ослабления пиковых сигналов, возникающих при выключении IGBT, емкость может составлять от 0,1 до 1 мкФ.

Рис. №2. Классический пример конструкции высокоиндуктивной шины с использованием параллельно соединенных проводов шины постоянного тока. Даже при наличии демпфера короткое замыкание вызовет скачок напряжения более чем в 1000 раз.

При неправильном типе шины постоянного тока увеличивать емкость демпфера нецелесообразно — это приводит к увеличению колебания паразитного контура.

Отладка

Вернемся к исходной ситуации. Вы посещаете лабораторию заказчика и смотрите на переполненную печатную плату с установленным регулятором напряжения. Небольшой ЧИП-резистор сопротивлением 4,7 Ом и размерами 2×1,2×0,45 мм (размер корпуса 0805) едва заметен. Могло ли это повлиять на работу цепи и прервать ее?

Клиент объясняет причины своего беспокойства. Резистор рассчитан на 125 мВт в соответствии со спецификациями, и расчеты показывают, что он рассеивает больше, чем его номинальная мощность. Расчет рассеиваемой мощности RC-демпфера для прямоугольного напряжения V с частотой f определяется по простой формуле:

$$ P = C times V ^ {2} times f = 680 ; пФ раз 19,52 ; В раз 500 ; кГц = 129 ; мВ$

Проблема не только в том, что рассеиваемая мощность немного (на 4 мВт) превышает номинальную мощность резистора. Золотое правило состоит в том, что для обеспечения запаса необходимо использовать резистор с удвоенной мощностью рассеиваемой мощности. Следовательно, номинальная мощность резистора отличается более чем на 100% правда это или нет?

Типы снабберных схем

Рис. # 2. Демпферная цепь. (а) — обычный высоковольтный конденсатор. (б) — схема для использования в преобразователях низкого напряжения, рассчитанных на большие токи с использованием переключателей MOSFET. (в) — принципиальная схема ограничения скорости регулирования тиристорных ключей. В этом случае демпфер устанавливается на всех плечах полумоста, схема состоит из быстродействующего диода и резистора. Они работают как ограничители тока разряда и разряда и служат для разделения цепей зарядки. (г) — схема уменьшения паразитной индуктивности, отличается подключением демпфера к коллектору и эмиттеру всех полумостовых транзисторов, схема используется редко, в основном из-за ее сложности.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то упустил. Взгляните на карту сайта, я буду рад, если вы найдете еще что-нибудь полезное на моем сайте.

Демпфер — это демпфирующее устройство, которое действует как фильтр нижних частот и сокращает переходный ток.

Корректная оценка потери мощности снаббера экономит целый рабочий день

Представьте себе ситуацию: ваш покупатель обеспокоен. Он считает, что резистор в демпфирующей (или демпферной) цепи регулятора напряжения перегревается, и подозревает, что это может вызвать сбой в работе. Между тем уже произведены и отгружены миллионы товаров. Клиент стоит у вашей двери и собирается попросить о помощи. Что вы можете порекомендовать?

Зачем нужен снаббер?

Рассмотрим теорию использования демпфера. На рисунке 1 показан типичный RC-демпферный преобразователь с понижением частоты (SNUBBER).

Без демпфера в точке Vx — верхней точке конденсатора — может возникнуть «звон» (высокочастотные колебания, которые мешают нормальной работе преобразователя постоянного тока в постоянный, примерно транслятор). Это может произойти в течение некоторого времени, когда второй транзистор включается, не дожидаясь полного выключения первого.

В это время выходная цепь (OUTPUT LOOP) закорачивается только паразитными последовательными индуктивностями и параллельными емкостями транзисторов.

Теоретически амплитуда звонка может быть вдвое больше входного напряжения. Плохая разводка печатной платы также может быть источником звонков в цепи.

Звонок вызывает электромагнитные помехи (EMI) — как излучаемые, так и кондуктивные, — которые могут привести к превышению токами и напряжением транзисторов их пороговых значений, что приведет к отказу всей схемы.

RC-демпферная цепь снижает вызывание до безопасного уровня, рассеивая мощность паразитных колебаний через резистор.

Отладка

Вернемся к исходной ситуации. Вы посещаете лабораторию заказчика и смотрите на переполненную печатную плату с установленным регулятором напряжения. Небольшой ЧИП-резистор сопротивлением 4,7 Ом и размерами 2×1,2×0,45 мм (размер корпуса 0805) едва заметен. Могло ли это повлиять на работу цепи и прервать ее?

Клиент объясняет причины своего беспокойства. Резистор рассчитан на 125 мВт в соответствии со спецификациями, и расчеты показывают, что он рассеивает больше, чем его номинальная мощность. Расчет рассеиваемой мощности RC-демпфера для прямоугольного напряжения V с частотой f определяется по простой формуле:

$$ P = C times V {2} times f = 680 ; пФ раз 19,52 ; В раз 500 ; кГц = 129 ; мВ$

Проблема не только в том, что рассеиваемая мощность немного (на 4 мВт) превышает номинальную мощность резистора. Золотое правило состоит в том, что для обеспечения запаса необходимо использовать резистор с удвоенной мощностью рассеиваемой мощности. Следовательно, номинальная мощность резистора отличается более чем на 100% правда это или нет?

Источник формулы P = CV2f

Одна из самых популярных формул в электронике — P = CV2f. Чтобы продемонстрировать это, рассмотрим рисунок 2, где напряжение в точке Vx (рисунок 1) представлено источником напряжения, приложенным к демпфирующей цепи со значениями, показанными на диаграмме.

Рис. 2. Упрощенная схема демпфера

При положительном скачке напряжения ток через демпфер определяется по формуле:

$$ I = frac {V} {R} times и ^ {- frac {t} {RC}},$

где V — амплитуда скачка напряжения на входе, равная 19,5 В.

Мощность, рассеиваемая через резистор, определяется по следующему уравнению:

$$ P (t) = R times I ^ {2} = frac {V ^ {2}} {R} times и ^ {- frac {2t} {RC}}$

Переход от мгновенной мощности к средней мощности требует интегрирования во времени, то есть расчета энергии. Обратите внимание, что интеграл от полупериода T / 2 для повторяющегося прямоугольного сигнала даст практически тот же результат, что и RC << T.

$$ int_ {0 -} ^ {+ infty} {P (t) dt} = frac {1} {2} times C times V ^ {2}$

Для прямоугольного импульса с симметричным напряжением (относительно нуля) такое же количество энергии рассеивается в течение отрицательного полупериода. Следовательно, полная энергия, рассеиваемая за период, удваивается:

$$ E = C times V ^ {2}$

Средняя рассеиваемая мощность — это энергия E, деленная на период T:

$$ P = frac {C times V ^ {2}} {T} = C times V ^ {2} times f,$

где f — частота прямоугольного источника напряжения.

важно отметить, что основное предположение формулы состоит в том, что входное напряжение демпфера представляет собой прямоугольную волну с абсолютно вертикальными передними и задними фронтами (ступенчатая функция переходной характеристики). Насколько верна эта гипотеза в нашем случае?

Конечное время нарастания и спадания фронта импульса

Измерение напряжения на входе демпфера (точка Vx на рисунке 1) показывает, что подъем и спуск происходят довольно быстро. Напряжение повышается до 19,5 В и падает до 0 В за 10 нс. Это важно? Возвращаясь к расчету, повторяем те же расчеты, что и выше, но на этот раз с учетом времени нарастания (рисунок 3).

Рис. 3. Сигнал подъема и спуска

Следующие уравнения описывают энергии Er1 и Er2, связанные соответственно со временами нарастания Tr и TON:

$$ E_ {r1} = CV ^ {2} times frac { tau} {T_ {r}} times left (T_ {r} — frac {3} {2} tau + 2 tau e ^ {- frac {T_ {r}} { tau}} — frac { tau} {2} e ^ {- frac {2T_ {r}} { tau}} right)$

$$ V_ {r1} = frac {V} {T_ {r}} times left T_ {r} — tau times (1-e ^ {- frac {T_ {r}} { tau }}) right$

$$ E_ {r2} = frac {CV_ {r2} ^ 2} {2}$

$$ V_ {r2} = V-V_ {r1}$

Аналогичная система уравнений была получена для заднего фронта:

$$ E_ {f1} = CV ^ {2} times frac { tau} {T_ {f}} times left (T_ {f} — frac {3} {2} tau + 2 tau e ^ {- frac {T_ {f}} { tau}} — frac { tau} {2} e ^ {- frac {2T_ {f}} { tau}} right)$

$$ V_ {f1} = frac {V} {T_ {f}} times left T_ {f} — tau times (1-e ^ {- frac {T_ {f}} { tau }}) right$

$$ E_ {f2} = frac {CV_ {f2} ^ 2} {2}$

$$ V_ {f2} = V-V_ {f1}$

Общая средняя рассеиваемая мощность — это сумма четырех энергий, умноженная на частоту источника напряжения.

$$ P = (E_ {r1} + E_ {r2} + E_ {f1} + E_ {f2}) times f$

Однако мы обнаружили, что вычисление потерь мощности в случае неидеального импульса немного сложнее.

Упрощение формул

При расчете схемы, показанной на рисунке 2, мы предположили, что постоянная времени демпфера RC мала по сравнению со временем нарастания Tr фронта импульса и что время нарастания и спада импульса одинаковы.

$$ tau = R times C = 4,7 ; Ом умножить на 680 ; pF = 3,2 ; нс<>

Следовательно

$$ e ^ {- frac {T_ {r}} { tau}} << 1 $$ e $$ T_ {r} = T_ {f}$

Это упрощает формулу мощности для неидеального импульса:

$$ P simeq CV ^ {2} f alpha,$

где поправочный коэффициент α определяется следующим образом:

$$ alpha = 2 times frac { tau} {T_ {r}} times left (1- frac { tau} {T_ {r}} right) = 0,43$

Следовательно, реальная мощность, рассеиваемая в RC-цепи, меньше половины предполагаемой по формуле (P = C times V ^ {2} times f ) и равна значению:

$$ 129 ; мВт раз 0,43 = 56 ; мВт$

Этот результат является точным в пределах 1 мВт от расчетной. Следовательно, размер 0805 достаточно велик, чтобы резистор мощностью 1/8 Вт рассеивал вдвое большую мощность, при этом отвечая «золотому правилу» заказчика.

Вы можете прожить еще один день.

Рассмотрим случай, когда

$$ T_ {r} << tau:$

$$ tau = R times C = 4,7 ; Ом умножить на 680 ; pF = 3,2 ; ns >> T_ {r} = 0,1 ; нс$

Таким образом, поправочный коэффициент будет следующим:

$$ alpha ^ {´} simeq left (1- frac {T_ {r}} { tau} right) = 0,97$

Другими словами, здесь лучше всего работает рассчитанная ранее формула ступенчатой ​​функции. Наконец, для (T_ {r} приблизительно tau)

приближение, которое лучше всего работает:

$$ alfa ^ {´´} simeq frac {1} {3}$

Предназначение снаббера

Устройство предназначено для подавления индуктивных перенапряжений, для уменьшения величины перенапряжений в переходных процессах, возникающих при коммутационных действиях с силовыми полупроводниками. Они практически незаменимы для уменьшения влияния паразитов, что способствует снижению теплотворной способности обмоток трансформатора и защите диодов и мощных транзисторов от перегрева.

Это достигается за счет облегчения передачи тепла во время работы ключа. В этом случае емкость служит для уменьшения скорости нарастания напряжения, а индуктивность снижает нарастание тока. При уменьшении величины динамических потерь в переключателе мощности формируется траектория переключения: в этом случае параллельно включенные емкостные конденсаторы будут снижать скорость нарастания напряжения. Индуктивность в схемах переключения ограничивает скорость увеличения тока.

Демпфер выполняет задачу предотвращения пропусков зажигания полуистора, которые могут возникнуть из-за сетевых помех. Полезно использовать демпфер в качестве ограничителя перенапряжения для переключающего транзистора, который появляется при переключении. В этом случае модель может использоваться в устройствах с импульсными блоками питания.