Снаббер что это такое

Помехоподавляющая RC-цепочка (сетевой снаббер, сетевой демпфер, RC SNUBBER NETWORKS, RC element) – это устройство, используемое для подавления выбросов напряжения (Surge suppressors) в электрических цепях, устройство гашения импульсных перенапряжений.

Применение RC-цепочек сглаживает и ограничивает коммутационные перенапряжения на элементах схем релейного управления, снижает искрообразование на контактах управляющего реле и тем самым увеличивает его коммутационный ресурс. Предотвращение или сведение к минимуму искрения в контактах реле снижает интенсивность электромагнитного излучения, генерируемого в моменты коммутации, что обеспечивает необходимую помехоустойчивость при работе чувствительных электронных схем.

Дугогасящая RC-цепочка работает в момент размыкания контактов, отключающих катушку, поглощает и подавляет энергию дуги, замыкает выброс напряжения на себя, позволяя паразитной энергии обойти управляющий контакт.

RC-цепочка состоит из соединенных последовательно конденсатора и резистора. Конденсатор должен поглощать энергию импульсов тока и напряжения и обеспечивать защиту от потенциалов, генерируемых индуктивностью в процессе отключения и дребезга контактов. Диэлектрик конденсатора, используемого в снабберной цепи должен выдерживать величину перенапряжения. Резистор должен быть безындуктивного типа для обеспечения высокого быстродействия снаббера и проведения тока импульсной помехи. Искровые разряды и индуцированные шумы, возникающие при коммутации, должны эффективно поглощаться RC-цепочкой.

При управлении электромагнитными устройствами, имеющими значительную индуктивность (например, соленоиды электромагнитных клапанов, катушки электромагнитных пускателей, реле и контакторов), рекомендуется применять помехоподавляющие RC-цепочки в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.

Рис. 1. Включение помехоподавляющей RC-цепи в схему управления контакторами. а) схема без RC-цепочки; б) схема с подключенной RC-цепочкой

Подробные осциллограммы, снятые в схеме управления реального АВР приведены ниже на рисунках.

На рис. 2 приведена осциллограмма напряжения 220 В на катушке управляющего реле в схеме без помехоподавляющей RC-цепи, в соответствии с рис. 1а. В схеме использован контактор АВВ ESB 20-11 Выброс напряжения при отключении контактов управляющего реле составил +2200 В (1 дел.=1000 В).

Рис. 2. Оосциллограмма напряжения на катушке управляющего реле в схеме без помехоподавляющей RC-цепи.

На рис. 3 приведена осциллограмма напряжения 220 В на катушке управляющего реле в схеме с установленной помехоподавляющей RC-цепочкой, в соответствии с рис. 1б. В схеме использован контактор АВВ ESB 20-11 Выброс напряжения при отключении контактов управляющего реле отсутствует (1 дел.=1000 В).

Что такое RCD снаббер, как он работает, для чего устанавливается в схемы, его принцип действия

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на катушке управляющего реле в схеме с установленной помехоподавляющей RC-цепочкой.

Рис. 4. Способ подключения RC-цепи к контактору

Примечание. Применение помехоподавляющей RC-цепочки с указанными параметрами приводит к незначительному увеличению времени отключения контактора/магнитного пускателя. Эта задержка составляет от 0,05 до 0,015 с, в зависимости от типа контактора. В большинстве применений увеличением задержки можно пренебречь.

Неправильный подбор параметров помехоподавляющей RC-цепи на катушке приводит к замедлению работы контактора в определенных режимах работы и еще большему дребезгу его силовых контактов.

RC цепочки:

  • RC-цепочка с конденсатором емкостью 0,1 мкФ/630B DС и резистором с сопротивлением 100 Ом/2 Вт на напряжение – 250/600 В (АС/DC);
  • RC-цепочка с конденсатором емкостью 0,47 мкФ/400 B и резистором с сопротивлением 220 Ом/2 Вт – 127/200 В (АС/DC).

По материалам: wel.net.ua

Вестник нищеброда часть4. Снабберы и защита от сверхтоков.

От двигателя до силовых транзисторов достаточно длинные провода, эти провода имеют индуктивность а значит при быстром закрытии силовых транзисторов на них происходит выброс ЭДС самоиндукции. Коммутируемые токи большие и всплеск напряжения может вызвать пробой мосфетов по напряжению. В предыдущем случае использовались IGBT 1200В и был запас по напряжению. Мосфеты IRFP4868 допускают 300В и надо делать снабберы. В данном случае это RCD, выброс напряжения через диоды заряжает конденсаторы которые затем разряжаются на параллельно подключенные резисторы. У меня вместо резисторов стоят варисторы, при превышении напряжения на них выше установленного уровня сопротивление их резко уменьшается. Обратная сторона платы сделана экраном чтобы наводки не влияли на затворные цепи ключей. Диоды 150EBU04.

Фото в бортжурнале Электрическая семеркаФото в бортжурнале Электрическая семеркаФото в бортжурнале Электрическая семерка

Фото в бортжурнале Электрическая семеркаФото в бортжурнале Электрическая семерка

12 апреля 2016 Метки: электроника

Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются. Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

  • Гальваническая развязка входа и нагрузки
  • Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
  • Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное). В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер. Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева — вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

  • Блог компании Unwired Devices LLC
  • Электроника для начинающих

Снаббер — это просто

Пробой коллектор-эмиттер, возникающий при перенапряжении, одна из наиболее распространенных причин выхода из строя транзисторных преобразователей. Виной тому — недостаточно ответственный подход к защитным снабберным цепям инвертора. Но зачастую разработчик закладывает столь сложные снабберные схемы, что на их фоне сам транзисторный инвертор кажется несущественной частью преобразователя. Так как же выбрать правильный снаббер?

При работе любого импульсного преобразователя на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов неминуемо возникают коммутационные паразитные импульсы тока и напряжения. Неизбежность этих импульсов обусловлена паразитными составляющими топологии преобразователя и токами рекуперации при выключении. Создать преобразователь, не имеющий данных импульсов, практически не представляется возможным, а вот спроектировать преобразователь, в котором эти импульсы будут приводить к выходам из строя, — в порядке вещей. Для защиты узлов схемы, в частности самих ключевых транзисторов, применяются снабберные цепи, в настоящее время ставшие необходимым атрибутом почти любого импульсного преобразователя.

Однако если разработчик решит заняться выбором и расчетом снаббера, он столкнется практически с нерешаемой задачей. Ведь снаббер — узел необходимый, обязанный присутствовать в преобразователе. Но как он должен выглядеть и как его посчитать — неизвестно. Нет даже теории адекватного расчета. Что же нужно знать для расчета номинала, например, конденсатора снаббера? Обязательно значение паразитной индуктивности. Эта индуктивность складывается из индуктивностей самого конденсатора, силового модуля, токоведущих шин, соединений, в расчет должны приниматься импеданс электролитических конденсаторов на частоте… (какой?), волновое сопротивление и т. д. И все это при длительностях импульса порядка десятков-сотен наносекунд. Не каждый специалист СВЧ-электроники, даже зная все исходные данные, сможет правильно все посчитать. Предлагается и другой теоретический способ — включить преобразователь без снабберов, измерить длительность и амплитуду выбросов напряжения и, исходя из этого, вывести значения паразитных емкостей/индуктивностей, после чего уже легко найти и искомые номиналы элементов снабберных цепей. Однако на практике этот способ неприменим: если включить подавляющее большинство преобразователей вообще без снабберов, они наверняка выйдут из строя даже при 10%-ной нагрузке, и измерять уже будет нечего. Следовательно, теория здесь не поможет. Обратимся к практике.

Схемы снабберов, установленных по питанию

Рис. 1. Схемы снабберов, установленных по питанию

На практике употребляются самые разнообразные снабберы: С, RC, RCD, Z, RCZ и т. д. Пока опустим применение супрессоров (о них речь пойдет далее), тогда основные схемы снабберных цепей сводятся к вариантам, показанным на рис. 1, где а) С-снаббер, б) RC-снаббер, в) и г) два варианта относительно часто встречающихся RCD-снабберов. Если такие цепи ставятся не по питанию, а на каждом ключе инвертора, то, соответственно, получаем схемы, приведенные на рис. 2. Иные схемы фактически не применяются, а если и используются, то в эквивалентном написании все равно сводятся к указанным вариантам.

Схемы снабберов, установленных на ключах

Рис. 2. Схемы снабберов, установленных на ключах

В качестве тестовой схемы использовался преобразователь, представляющий собой импульсный трансформатор, первичная обмотка которого включена в Н-мост модуля интеллектуального инвертора М31-10-12Б4 с отключенными защитами. Нагрузка трансформатора — активная, постоянная, мощностью 0,5 кВт. Штатное коммутируемое напряжение преобразователя 550 В (выпрямленные трехфазные 380 В), средний ток 1,2 А. На осциллограмме рис. 3 видны временные характеристики, в частности «мертвое» время переключения. Далее на осциллограммах приводится фронт выключения нижнего ключа, то есть осциллограф подключен между эмиттером и коллектором одного из нижних ключей. Сигнал без каких-либо снабберов приведен на рис. 4.

Сигнал преобразователя

Рис. 3. Сигнал преобразователя

На рис. 4 видно, что амплитуда обратного выброса превышает 1200 В при общей длительности импульса порядка 100 нс, что на практике недопустимо, так как очень велик риск выхода из строя транзисторов из-за потенциального пробоя коллектор-эмиттер. Далее применялись различные варианты снабберных цепей.

Сигнал без снаббера

Рис. 4. Сигнал без снаббера

Наиболее простым вариантом представляется С-снаббер, особенно если он устанавливается не на каждом ключе, а только на шине питания. Такой вариант (конденсатор на шинах питания) изображен на осциллограмме рис. 5.

С-снаббер 0,22 мкФ

Рис. 5. С-снаббер 0,22 мкФ

Как видим, длительность фронта выключения практически не увеличилась, а следовательно, значимо не увеличились и динамические потери ключа, но при этом амплитуда выброса уменьшилась до вполне приемлемых 800 В. Что, собственно, и требовалось от снаббера.

Если устанавливать конденсаторы не по питанию, а на каждом ключе (схема рис. 2а), то в контур рекуперации тока включается трансформатор, и его параметры, в том числе и параметры нагрузки трансформатора, начинают значительно влиять на картину выключения. На рис. 6 приведена осциллограмма выключения при установленных параллельно каждому ключу конденсаторах 0,01 мкФ.

2С-снаббер 0,01 мкФ

Рис. 6. 2С-снаббер 0,01 мкФ

Выключение на рис. 6 показывает избыточность емкости конденсаторов, поскольку выброс напряжения почти не уменьшился (относительно рис. 5), а длительность фронта выключения возросла почти в два раза. Но даже и так характер выключения мало отличается от выключения при установленном одном конденсаторе по питанию и фактически эквивалентен конденсатору порядка 0,47 мкФ, установленному по схеме рис. 1а.

Таким образом, конденсаторы на каждом ключе не дают преимущества в плане большей эффективности или иного характера выключения, «лучшей» защиты, зато данная схема имеет существенный недостаток в том, что работа снаббера начинает сильно зависеть от нагрузки инвертора, в отличие от одного конденсатора на шинах питания, где характеристики нагрузки на работе снаббера практически не сказываются.

То же самое следует сказать и о других схемах снабберов, устанавливаемых или на шинах питания, или на каждом ключе. Принципиальных различий в их работе и в том, и в другом включении нет. Вопрос только в номиналах; всегда можно подобрать такие номиналы, когда разница в работе одного и другого варианта практически не заметна. Как следствие, далее будут рассматриваться в основном более простые варианты подключения к шинам питания, а не на каждом ключе, что, повторимся, не принципиально.

Теперь обратим внимание на вариант RC-снаббера. На рис. 7–9 приведены сигналы выключения транзистора (канал 1) и ток снабберного конденсатора на токосъемном резисторе 0,1 Ом (канал 2).

На рис. 7, с резистором 1 Ом, видно, что ток конденсатора в пике достигает 43 А, однако малое сопротивление резистора не ухудшает защитные функции снаббера (сравните с рис. 5: выключение без резистора). Если резистор увеличивать (10 Ом на рис. 8 и 40 Ом на рис. 9), то снаббер начинает работать хуже: амплитуд выброса увеличивается с 700 до 900 В и далее до 1150 В. Однако уменьшается и импульсный ток конденсатора до 20 и 5 А соответственно.

RС-снаббер 0,22 мкФ/1 Ом

Рис. 7. RС-снаббер 0,22 мкФ/1 Ом

Таким образом, как и следовало ожидать, единственная функция резистора в RC-снаббере — это снижение импульсной нагрузки на конденсатор за счет ухудшения защитной функции снаббера. Мнение, что RC-снаббер сродни RC-фильтру, где соотношение номиналов резистора и конденсатора собственно и определяет постоянную времени фильтра, категорически неверно. Всю «снабберную» функцию все равно продолжает выполнять только конденсатор, резистор же в этом смысле «вредит», но может быть в некоторой степени полезным для ограничения тока конденсатора. Однако нужно ли такое ограничение тока? При правильном выборе комплектации (об этом ниже) — нет; даже конденсаторы К73-17 номиналом 0,22 мкФ на 630 В (не говоря уже о специализированных снабберных конденсаторах) без ограничительного резистора успешно работают в преобразователях до десятков киловатт средней мощности и до сотен киловатт на запуске/останове двигателя. На практике выходы из строя не встречались, даже не встречался нагрев этого конденсатора. Возможно, резистор все-таки потребуется, если преобразователь с «приемкой 5», то есть импортные снабберы применять нельзя, а средняя мощность более 100 кВт, но это уже довольно специфическая задача, и ее решение к общим рекомендациям (о которых здесь и идет речь) не относится.

Еще более ошибочно мнение о RCD-снабберах. Указанные на рис. 1 и 2 RCD-снабберы действительно имеют право на существование, но применимы к биполярным транзисторам, тиристорам, к нагрузке и т. п., но не параллельно IGBT- или MOSFET-ключу. Хотя на практике нами не раз встречались именно такие схемы снабберов. Объясняется неправильность применения данных снабберных цепей наличием внутренних оппозитных диодов в IGBT- и MOSFET-транзисторах, которые сводят на нет диод собственно снаббера. Например, схема рис. 1в и 2в при включении практически не работает (снаббер шунтируется открытым каналом транзистора), а при выключении, поскольку диод снаббера блокирует обратный ток, работает как обычный RC-снаббер — таким образом, смысл диода в схеме теряется. Снабберы, показанные на рис. 1г и 2г, не работают вовсе, так как при выключении ток может протекать по двум путям: или через обратный диод транзистора, или через диод и резистор/конденсатор снаббера. Разумеется, ток потечет по пути наименьшего сопротивления, то есть через диод транзистора, а снаббер просто остается незадействованным. Осциллограммы работы таких снабберов отдельно приводиться не будут, ведь они один в один повторят осциллограммы рис. 8 и 2 соответственно.

RС-снаббер 0,22 мкФ/10 Ом

Рис. 8. RС-снаббер 0,22 мкФ/10 Ом

Отдельно следует сказать об активном ограничении напряжения снаббера супрессором или варистором. Такие схемы представляют собой ограничитель (супрессор/варистор), установленный либо также на шинах питания, либо параллельно каждому ключу. Зачастую последовательно им ставят резисторы, чтобы ограничить ток импульса, но это, как и в случае с вышеописанным RC-снаббером, категорически неправильно, поскольку неминуемо приводит к ухудшению защитных функций цепи.

RС-снаббер 0,22 мкФ/40 Ом

Рис. 9. RС-снаббер 0,22 мкФ/40 Ом

На рис. 10 и 11 приведены импульсы выключения без конденсаторов (изменения относительно рис. 2) для супрессора и варистора соответственно.

Ограничение напряжения супрессором на 800 В

Рис. 10. Ограничение напряжения супрессором на 800 В

Ограничение напряжения варистором на 800 В

Рис. 11. Ограничение напряжения варистором на 800 В

Как видим из рисунков, принципиальных различий нет, кроме явно большей собственной емкости варистора относительно супрессора, емкость которого измеряется пикофарадами или в худшем случае десятками пикофарад. Однако супрессор для транзисторных инверторов в большей степени предпочтителен, в то время как варистор чаще используется в тиристорных схемах. Объясняется это нагрузочными и временными характеристиками: для транзисторных преобразователей критично быстродействие, оно должно составлять не более десятков наносекунд, но и длительность работы супрессора редко превышает сотни наносекунд, то есть импульсная мощность относительно небольшая. Для тиристорных преобразователей такое быстродействие не нужно, зато критична импульсная мощность защитного элемента, так как время воздействия на него может исчисляться микросекундами.

Задержка срабатывания супрессора наглядно показана на рис. 12. Здесь приведено выключение транзистора в схеме нижнего ключа на активно индуктивную нагрузку; режим одиночного импульса.

В тестовой схеме рис. 12 также отсутствуют снабберные конденсаторы. Очень хорошо видна полка ограничения на уровне 820 В, однако перед нею столь же хорошо виден импульс, возникший из-за задержки срабатывания супрессора. Время задержки — порядка 10–20 нс, амплитуда выброса за это время достигает 1200 В, что недопустимо для транзистора 12-го класса. Именно поэтому супрессоры «в чистом виде» применяются редко; параллельно им почти всегда ставят все те же С- или RC-снабберы.

Ограничение напряжения супрессором на 800 В

Рис. 12. Ограничение напряжения супрессором на 800 В

Итак, какая схема снаббера предпочтительна?

Применение RCD-снабберов, показанных на рис. 1 и 2, перешло в область инверторов на транзисторах с полевым управлением из преобразователей на основе тиристоров и биполярных транзисторов и в виде защитного элемента собственно транзистора неприменимо в принципе.

RC-снабберы не лучше простого С-снаббера (поскольку это не RC-фильтр); резистор только ухудшает его функции и для пленочных, тем более специализированных снабберных, конденсаторов не нужен. В тиристорных преобразователях — да, резистор зачастую необходим, здесь мощность импульса значительно больше, но в транзисторных — нет, за исключением разве что уникальных изделий.

С-снаббер, устанавливаемый на каждом ключе, ничем не превосходит одиночный конденсатор, установленный на шинах питания, преимуществ в такой схеме нет. Но есть минусы: зависимость номинала конденсатора от нагрузки, что значительно усложняет расчет схемы, а значит, снижает и надежность.

Для защиты от перенапряжения необходимо и использование активного ограничителя — супрессора, устанавливаемого аналогично между шинами питания.

Таким образом, наилучший снаббер — это установленные между «+U» и «–U» конденсатор и параллельно ему последовательная сборка (до нужного напряжения) супрессоров. Если полумосты по топологии разнесены (например, несколько полумостов в отдельных модулях), такая сборка ставится на каждом полумосте. Если сборка инвертора в одном корпусе, то устанавливается один снаббер. Все прочие схемы избыточны и в конечном счете, кроме ухудшения защитных функций и усложнения конструкции, ничего не привносят.

Тип конденсатора — обязательно пленочный К73-17 или К78-2; керамические конденсаторы, а тем более чип-конденсаторы категорически не подходят. Причина тому не в паразитных составляющих данных типов конденсаторов (это мнение распространено, но ошибочно), а просто в большей устойчивости пленочных конденсаторов к импульсной перегрузке. Специализированные снабберные конденсаторы (например, серии В32682–В32686 от Epcos и т. п.) фактически представляют собой все тот же пленочный К73-17, только побольше и с выводами потолще (для уменьшения индуктивности); принципиальных отличий нет.

Номинал конденсатора составляет 0,1–0,33 мкФ, в подавляющем большинстве случаев 0,22 мкФ. Большие или меньшие номиналы, конечно, применяются, но гораздо реже и «по месту», например при очень мощных обратных выбросах, в преобразователях на частоту 200 кГц и т. п. В этом, к слову, еще одно преимущество данной схемы снаббера: номинал не зависит от характеристик нагрузки, конденсатор никак не привязан к фазным выходам. Сродни конденсаторам, устанавливаемым по питанию микросхем: в любых схемах, старых и новых, СВЧ и DC, любые микросхемы, почти всегда 0,1 мкФ. Аналогично и здесь: почти всегда 0,22 мкФ.

Так как же должен выглядеть оптимальный снаббер, по крайней мере для первого включения преобразователя? Пленочный конденсатор по питанию инвертора 0,22 мкФ и параллельно ему супрессор. Если силовых модулей несколько, то ставится на каждый полумост по такой сборке. Все. Доказательством такого подхода служит опыт производителей силовых блоков инверторов, таких как Powerex, APS, Infineon. Во всех этих силовых инверторах применяются полумосты в «стандартном» конструктиве 62 мм, и на каждом полумосте стоит один конденсатор по питанию типа В32686 емкостью 0,22 мкФ и параллельно ему супрессоры. Другие схемы не применяются. Автор по крайней мере других вариантов не встречал. А это преобразователи, заметьте, работающие со всевозможной нагрузкой, в различных применениях, мощностью до десятков и сотен киловатт. И тогда что уж говорить о типовом инверторе на пару-тройку киловатт? Отсюда и утверждение: «снаббер — это просто»!

Снаббер со супрессором

Активное ограничение напряжения обеспечивает супрессор (стабилитрон, варистор). Но есть недостаток — небольшая задержка срабатывания, в течение которой возможны опасные выбросы.

При разработке преобразователя важно правильно выбрать тип снаббера и его параметры. Рассмотрим основные критерии.

Критерии выбора типа снаббера

  • Мощность преобразователя
  • Максимальное напряжение в схеме
  • Тип силовых ключей (IGBT, MOSFET)
  • Характер нагрузки (активная, индуктивная)

Осциллограмма работы снаббера

Борьба с паразитными колебаниями в DC/DC преобразователях. Расчёт RC-снаббера

Итак, для начала определимся с объектом нашей борьбы. Для этого рассмотрим схему синхронного buck-конвертера и осциллограмму напряжения, снятую в точке 1 в момент открытия верхнего и закрытия нижнего транзисторов:

Паразитные колебания в синхронном buck-конвертере

Видите синусоиду? Вот с этими паразитными колебаниями мы и будем бороться.

А зачем, собственно, нам это нужно? Да потому, что эти колебания могут вызвать ряд очень неприятных последствий. Одним из таких последствий является перенапряжение, которое может привести к повторному открытию нижнего транзистора или даже к его лавинному пробою. Кроме того, паразитные высокочастотные колебания могут попасть в нагрузку и привести к нарушению работы её компонентов.

Давайте разберёмся, откуда возникают эти паразитные колебания. Возникают они следующим образом: во время выключения нижнего транзистора на его встроенном защитном диоде кратковременно возникает мощный импульс обратного восстанавливающего тока. Поскольку в контуре всегда присутствует некоторая паразитная индуктивность и ёмкость, то образуется колебательный контур, в котором начинает циркулировать наш токовый импульс. Этот процесс продолжается то тех пор, пока вся энергия этого импульса не будет израсходована, после чего колебания прекратятся (полностью затухнут).

Теперь, поняв причину возникновения колебаний, становятся очевидными и пути борьбы с ними:

  1. уменьшение начальной энергии импульса;
  2. уменьшение паразитной индуктивности контура;
  3. уменьшение паразитной ёмкости контура;
  4. 4) использование для ослабления колебаний специальной схемы, известной у буржуев как снаббер (по-нашему — демпфер).

Остановимся подробнее на каждом из этих вариантов:

1) Для уменьшения начальной энергии импульса можно использовать MOSFET-ы со встроенными диодами Шоттки вместо обычных диодов, поскольку у диодов Шоттки меньше обратный восстанавливающий ток. Меньше импульс тока — меньше начальная энергия паразитных колебаний.

2) Паразитная индуктивность контура определяется разводкой платы. Всё это довольно сложно, но один совет можно дать: силовые шины на плате должны быть как можно короче, шире и прямее.

Никогда не задумывались, почему схема DC-DC преобразователя, собранная радиолюбителем «на проводках» может оказаться неработоспособной, хотя та же схема, с теми же номиналами элементов, но собранная на печатной плате, может вполне прилично работать? Виной этому как раз может быть очень большая паразитная индуктивность спаянной «на проводках» схемы (последствия читай выше).

3) Основной частью паразитной ёмкости контура является ёмкость между стоком и истоком транзистора (выходная ёмкость — Coss). Ёмкость Coss определяется из документации на транзистор. В документации обычно приводятся графики зависимости этой ёмкости от напряжения между стоком и истоком. Так что качаете доку на транзисторы, которые предполагается использовать, и выбираете тот, у которого Coss минимальна.

4) Поскольку, в любом случае, невозможно полностью избавиться ни от паразитной ёмкости, ни от паразитной индуктивности (тем более, когда вы проектируете не просто отдельный блок питания, а блок питания в составе какой-либо платы, то чаще всего у вас нет возможности сделать оптимальную разводку), то может получиться так, что величина паразитных колебаний в сделанном вами девайсе абсолютно вас не устроит. В этом случае (когда все остальные пути исчерпаны) для ослабления колебаний можно использовать снаббер. Причём, могу сказать по собственному опыту, что правильно рассчитанный снаббер способен ослабить колебания довольно эффективно.

Простейший снаббер — это последовательно соединенные конденсатор и резистор. Расчёт такого снаббера заключается в определении номиналов конденсатора и резистора, а так же в определении мощности резистора. Как рассчитываются эти величины:

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

, где L и C — это соответственно паразитные индуктивность и ёмкость

Как было отмечено выше, паразитная ёмкость — это в основном ёмкость между стоком и истоком транзистора (выходная ёмкость Coss). Её величину можно определить из документации на транзистор. Но как найти величину паразитной индуктивности? Эта величина определяется расчётным путём по осциллограмме. Для этого измеряем осциллографом частоту паразитных колебаний и из соотношения:

f=1/(2*π*√ L*C ), находим паразитную индуктивность: L=1/(4*π 2 *f 2 *C)

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

Так вот, на практике величину этой ёмкости обычно определяют из условия, что постоянная времени снаббера должна быть в 3 и более раз больше периода паразитных колебаний:

Rsn*Csn=3*T=3/f, где T и f — это, соответственно, период и частота паразитных колебаний, отсюда Csn=3/(Rsn*f)

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

Это упрощает формулу мощности для неидеального импульса:

$ P simeq CV ^ f alpha,$

где поправочный коэффициент α определяется следующим образом:

$ alpha = 2 times frac < tau>> times left (1- frac < tau>> right) = 0,43$

Следовательно, реальная мощность, рассеиваемая в RC-цепи, меньше половины предполагаемой по формуле (P = C times V ^ 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

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

Таким образом, поправочный коэффициент будет следующим:

$ alpha ^ simeq left (1- frac > < tau>right) = 0,97$

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

приближение, которое лучше всего работает:

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.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий