Снаббер в импульсном блоке питания: Как устроен блок питания, часть 4. Силовой трансформатор блока питания. Устройство импульсного блока питания

Как устроен блок питания, часть 4. Силовой трансформатор блока питания. Устройство импульсного блока питания


Как я уже сказал, речь сегодня пойдет о силовом трансформаторе, а также об узле, именуемом Снаббер.
И если трансформатор наверное знает большинство, то снаббер в основном те, кто занимается блоками питания более плотно.
Весь узел на фото выделен красным, а снаббер я обвел зеленым.

Также его можно увидеть в народном блоке питания. На фото я вычеркнул диод, не имеющий отношения к снабберу.

И в моем самодельном блоке питания. Здесь его схема отличается и об этом я расскажу немного позже.

Схема типового обратноходового блока питания думаю знакома многим, подобные схемы часто встречаются в моих обзорах.

Выделим из нее ту часть, о которой я и буду рассказывать.
В нее входит снаббер, трансформатор, входной конденсатор и высоковольтный транзистор.

Отсечем ту часть, которая не имеет отношения к теме разговора, останется совсем мало деталей, думаю что так будет проще для понимания процессов.

Что же происходит в импульсном блоке питания во время работы.
Сначала открывается силовой ключ, через цепь выделенную красным, течет ток, энергия в это время запасается в магнитопроводе трансформатора.

После закрытия ключа полярность на обмотках трансформатора меняется на противоположную и ток начинает течь в нагрузку.

Но так как трансформатор и выходные цепи неидеальны, то на первичной обмотке возникает выброс напряжения, который начинает течь через снаббер.
Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что начала обмоток помеченные точками, одинаково сориентированы по отношению к диодам D1 и D2, потому во время открытого состояния силового ключа эти цепи не работают.
Функция снаббера поглотить паразитный выброс, который возникает в первичной обмотке и тем самым защитить высоковольтный транзистор. У некоторых совсем дешевых блоках питания снаббера нет вообще, и это весьма вредно, так как снижает надежность.

В типовом блоке питания данный участок схемы выглядит так. Номиналы подбираются в зависимости от индуктивности обмотки трансформатора, частоты работы и мощности блока питания. Я не буду рассказывать о методике расчета, это довольно долго, но скажу лишь что здесь не работает принцип — чем больше, тем лучше, цепь должна быть оптимальная для определенных условий.

Некоторые наверное увидели диод в схеме снаббера и подумали — что-то знакомое.
Да, так и есть, ближайший аналог, это цепь защиты транзистора, который коммутирует питание обмотки реле. В данном случае он выполняет похожую функцию, не допускает выброса напряжения на транзисторе при выключении. Кстати если диод в этой схеме заменить стабилитроном, то работать должно лучше.

Так как вариант с диодом неприменим в варианте с трансформатором, то последовательно с ним ставят либо резистор с конденсатором, либо супрессор, как на этой схеме.

Еще одно новое слово — супрессор. Не пугайтесь, супрессор это по сути просто стабилитрон, но если у стабилитрона функция обеспечить стабильное напряжение, то у супрессора акцент сделан на импульсный ток и рассеиваемую мощность, стабильность напряжения в данном случае не так важна.
Выглядит он как обычный диод, при этом бывает двунаправленным, но тогда катод не маркируется. Наиолее распространенные супрессоры серий P6KE и 1.5KE. Первый имеет импульсную мощность 600 Ватт, второй 1500 Ватт. Существуют и более мощные, но нас они не интересуют.

Я немного переверну схему так, чтобы было более понятно как работает эта схема. В подобных схемах чаще применяют супрессоры на напряжение в 200 Вольт, например P6KE200A.
Благодаря этому напряжение на обмотке трансформатора не может быть больше чем 200 Вольт. Напряжение на входном конденсаторе около 310 Вольт.
Получается что на транзисторе напряжение около 510 Вольт. На самом деле напряжение будет немного выше, так как детали неидеальны, а кроме того в сети может быть и более высокое напряжение.

В даташитах к микросхемам серии ТОР часто была показана именно такая схема включения супрессора.
Такая схема имеет более жесткую характеристику ограничения, так как до 200 Вольт не ограничивает совсем, а потом старается обрезать все что выше 200 Вольт. Схема с конденсатором имеет немного другую характеристику ограничения, но на самом деле это не критично.

Для уменьшения мощности, рассеиваемой на супрессоре, параллельно ему можно подключить конденсатор.

Или вообще сделать гибрид из двух схем, где есть все элементы обоих вариантов, такое часто применяется в мощных обратноходовых блоках питания.

Иногда применяется альтернативный вариант защиты транзистора, супрессор включенный параллельно ему. Такой вариант применяется довольно редко, чаще в блоках питания имеющих низкое входное напряжение.

Например такое включение супрессора можно увидеть в РоЕ блоке питания, входное напряжение здесь не 310 Вольт постоянного тока, а всего до 70 Вольт.

Теперь можно перейти к трансформатору.
Трансформатор состоит из магнитопровода и каркаса, иногда конструкция дополняется специальным скобами, которые фиксируют магнитопровод на каркасе.

Чаще всего для них используются Ш-образные магнитопроводы. Если блок питания обратноходовый, каким является подавляющее большинство недорогих маломощных блоков питания, то между половинками магнитопровода должен быть зазор. Зазор делается либо между половинками, либо используется специальный магнитопровод, где центральный керн уже имеет зазор, а этом случае ширина зазора должна быть в два раза больше.

Обычно в качестве материала магнитопровода используется феррит, у фирменных магнитопроводов может быть нанесена маркировка и по даташиту можно узнать его характеристики, у более дешевых магнитопроводом чаще маркировки нет.

Вначале мотаются обмотки трансформатора, а затем на этот магнитопровод устанавливается каркас.

Процесс намотки мелких трансформаторов довольно прост.
Сначала мотаем первичную обмотку.

Затем вторичную, иногда в два и более проводов.

Если есть третья обмотка, чаще всего это обмотка питания ШИМ контроллера, то мотаем и ее.

В целях безопасности изолируем всю конструкцию.

После этого берем подобранный магнитопровод, в данном случае здесь у одной половинки средний керн укорочен.

Собираем всю конструкцию вместе. Магнитопровод чаще всего склеивается, но я обычно дополнительно фиксирую скотчем.

В итоге получаем небольшой аккуратный трансформатор. На фото трансформатор мощностью около 25-30 Ватт.

Этот трансформатор уже имеет мощность до 80-100 Ватт. Мотаются они подобным образом, но с некоторыми отличиями.

У трансформаторов рассчитанных на низкое выходное напряжение и большой ток выходная обмотка может мотаться либо литцендратом, либо шиной.

Величина выбора с первичной обмотке напрямую зависит от правильности намотки трансформатора и если для маломощных трансформаторов это не очень критично, то неправильная намотка мощного трансформатора может привести к печальным последствиям.
Обычно наматывают обмотки в три слоя (если используется три обмотки), первичная, вторичная и вспомогательная.
Но связь между обмотками можно сильно улучшить если вторичную обмотку разместить между двумя половинами первичной.

Кроме того рекомендуется мотать провод не внавал, а виток к витку, равномерно заполняя всю площадь каркаса. Обмотки рассчитанные на большой ток мотать лучше несколькими тонкими проводами, а не одним толстым.

Проблемы, которые могут возникнуть в этом узле:
1. Межвитковое КЗ в случае выхода из строя высоковольтного транзистора.
2. Перегрев трансформатора, последующее резкое уменьшение его индуктивности и выход из строя транзистора инвертора
3. Пробой диода снаббера, крайне редко.
4. Частичный пробой супрессора, например супрессор на 200 Вольт превращается в супрессор на 100 Вольт, ничего не выгорает, но БП не работает.

Снабберы, полностью подавляющие пики напряжения

Схема демпфирования ограничивает скачки напряжения в преобразователях частоты. Снабберы (или импульсные конденсаторы) также используются в выходах аудиоусилителей класса D по тем же причинам (рисунок ниже). Когда транзистор, который вы используете для переключения тока, отключается, он генерирует скачок напряжения, который может повредить устройство. Этот всплеск также будет генерировать электромагнитные помехи (EMI). Имейте в виду, что электромагнитные помехи создаются током в контуре. Если ваша демпфирующая сеть направляет ток по большой петле, она будет увеличивать, а не уменьшать EMI.

Все дело в индуктивности

Пики напряжения в электрической цепи вызваны дискретными индукторами, которые вы коммутируете. Индуктивность рассеяния трансформаторов выглядит как индуктивность, включенная последовательно с обмоткой идеального трансформатора, которая генерирует скачки напряжения. Дискретные индуктивности очевидны, если смотреть на вашу схему. Еще одной проблемой является вся паразитная индуктивность в проводах и дорожках печатных плат (PCB). Любой провод в пространстве имеет индуктивность. Разработка силовой электроники похожа на разработку радиочастотной схемы, где ваша печатная плата является компонентом.

Тот факт, что компоновка и конструкция печатной платы изменяет паразитную индуктивность, означает, что вам нужно будет построить и протестировать свои схемы питания для их оптимизации. Это, как правило, быстрее и дешевле, чем использование только систем моделирования для определения паразитной индуктивности на этапе проектирования. Глядя на аналогичные конструкции, вы можете получить представление о размерах компонентов демпфера.

Как избавиться от пиковых скачков напряжения

Простейшая демпфирующая цепь представляет собой последовательную RC-цепь на узле коммутатора (рисунок ниже). Конденсатор предотвращает протекание постоянного тока. Когда транзистор переключается, конденсатор переходит в состояние близкое к короткому замыканию и берет весь ток цепи на себя, а резистор ограничивает ток короткого замыкания. Одним из недостатков демпфирующей цепочки RC является то, что она увеличивает потери в силовой цепи добавляя потери в RC контуре к потерям в самом транзисторе.

При больших мощностях в RC цепочку последовательно включается диод, с помощью которого создается демпфирующая цепочка RCD (рисунок ниже). Диод блокирует любой ток в цепи при включенном транзисторе. Когда транзистор отключается, диод открывается, и ток протекает через резистор и конденсатор.

Конструкция снабберов

Корнелл Дубильер (Cornell Dubilier) имеет хорошее руководство по проектированию демпфирующих сетей. В руководстве есть раздел с кратким описанием проектирования и предложением, похожим на аналог: «Планируйте использование 2-ваттного резистора из углеродного состава». В руководстве отмечается, что проволочные резисторы вызовут проблемы, поскольку они имеют более высокую индуктивность. Даже у металлического пленочного резистора могут возникнуть проблемы, если заусенцы выполняется в форме спирали, имеющей индуктивность. Поскольку он является аналоговым компонентом, вы можете быть уверены, что резистор мощностью 2 Вт не подходит для преобразователя мощностью 1 Вт или инвертора мощностью 10 кВт.

В руководстве описан метод быстрого проектирования, а затем оптимизированный проект, который снижает номинальную мощность резистора в 5 раз и значение демпфирующего конденсатора в 3,5 раза. Эти выгоды предназначены для конкретной конструкции с определенной компоновкой
печатной платы. Ваши изделия, несомненно, будут иметь отличия.

Одно из ценных замечаний в этом руководстве заключается в том, что узел коммутатора, который вы пытаетесь отключить, будет иметь характеристическое сопротивление, как и линия передачи. Вы хотите, чтобы размер демпфирующего резистора не превышал это характеристическое сопротивление, чтобы не возникало переходного напряжения при размыкании коммутатора.

Корнелл Дубильер также имеет гораздо более подробное руководство по проектированию демпферов. В этом руководстве намного больше математики, теории и диаграмм. Помните, однако, что вся теория бесполезна, если вы не создаете, не проводите испытаний и не оцениваете схемы демпфирования, которые разрабатываете.

Хорошая особенность резистора в RC-цепи состоит в том, что вы можете с его помощью вести замеры в реальном времени мгновенных значений токов (применение в качестве шунта) и напряжений, которые также находятся и на конденсаторе. В цепи RCD вы должны добавить шунт последовательно конденсатору. Это будет непросто для устройств поверхностного монтажа, но обычно вы можете разорвать дорожку печатной платы, чтобы подключить датчик тока в цепь. Все это высокочастотные сигналы, поэтому убедитесь, что у вас есть осциллограф и щупы с достаточной шириной полосы пропускания для измерения пиковых значений токов и напряжений.

Проблема с электролитикой

Опытные инженеры аналоговых систем знают, что есть много различных типов конденсаторов. Никакой физический конденсатор не является идеальным представлением «символа» вашей схемы или модели в моделировании. Электролитические конденсаторы имеют большие значения емкости и более дешевы. Используя диод в демпфирующей сети RCD, вы сможете обойти проблему, связанную с полярностью электролитических конденсаторов, и стоит помнить, что они взорвутся, если вы подключите их в обратной полярности.

Несмотря на это, электролитические конденсаторы не подходят для демпфирующих цепей, так как демпферы имеют очень большие пиковые токи, которые могут вызывать перегрев и повредить электролитический конденсатор. Что еще хуже, электролитические конденсаторы обладают ужасной надежностью, хуже, чем большинство пассивных или дискретных компонентов, за исключением, возможно, потенциометра. Это делает электролитические или танталовые конденсаторы плохим выбором для демпфирующих цепей.

Слюдяные и пленочные конденсаторы

Приятной особенностью справочника Корнелла Дубильера является то, что компания почти не зависит от типа используемого конденсатора. Руководство изначально рекомендует вам обратить внимание на слюдяные конденсаторы. Слюда подходит к идеальному конденсатору по многим параметрам. К сожалению, они имеют плохие свойства включения и, как правило, дорогие.

Вместо слюдяных конденсаторов ваша снабберная цепочка может использовать пленочные конденсаторы. Данный тип устройств может состоять из слоев фольги, и металлизированной пленки (рисунок выше). Слой
фольги принимают более высокие пиковые токи. Фольга будет «заживать» после перенапряжения, когда пластиковый слой просто плавиться от короткого замыкания. Некоторые типы фольги имеют различную толщину, что дополнительно увеличивает емкость тока при одновременном уменьшении физических размеров (рисунок ниже). Полипропиленовая пленка является предпочтительной, поскольку полиэстер имеет более высокие потери, что делает его непригодным для использования с демпфирующими сетями.

Диэлектрики: друзья и враги

При небольших размерах и прочности вы можете рассмотреть керамические конденсаторы в демпфирующих цепях. Будьте осторожны с максимальным номинальным током конденсатора, который вы никогда не сможете превысить его без последствий для конденсатора, даже на мгновение. Керамика и металлизированная пленка также будут иметь ограничения переходного
напряжения, возможно, до 50 В / нс. Благодаря гораздо более быстрому времени переключения силовых транзисторов на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) вы должны быть уверены, что работаете на переходной характеристике демпфирующего конденсатора.

Другая проблема с керамическими конденсаторами заключается в том, что они могут терять емкость в зависимости от температуры и приложенного напряжения. Это функция диэлектриков, используемых компаниями. Диэлектрик C0G имеет очень хорошую температурную стабильность, но он работает только в небольших диапазонах температур и стоит значительно дороже, чем другие диэлектрики.

Керамические конденсаторы работают

Несмотря на особенности керамических конденсаторов, их можно использовать в демпфирующих цепочках, если вы хорошо понимаете их преимущества и недостатки. Мурата описывает, как разные диэлектрики подходят для разных снабберных (демпфирующих) конденсаторов. Просто
помните, что диэлектрики большой емкости имеют худшие температурные
характеристики, поэтому их небольшой размер и низкая индуктивность приводят к необходимости более высоких значений для работы при повышенных температурах.

Производители транзисторов хотят, чтобы вы улучшали свои снабберные цепи. Соответственно, ROHM сравнивает использование пленочных и керамических конденсаторов (рисунок ниже). Здесь они базируются вокруг ограничений по напряжению и стоимости керамических конденсаторов, соединяя последовательно два блока из пяти керамических конденсаторов. Эти 10 устройств дают номинальное напряжение и значение, соизмеримые с одним пленочным конденсатором.

Результаты, полученные ROHM, показывают, насколько лучше керамические конденсаторы с демпфированием (рисунок ниже). Обратите внимание, что эти результаты относятся к SiC-транзисторам ROHM, которые переключаются очень быстро и нуждаются в оптимальной демпфирующей цепочке. Также обратите внимание, что компания не проводила испытания при повышенных
температурах, при которых силовые цепи всегда работают. Вы несете
ответственность за то, чтобы снаббер хорошо работал при высоких температурах, когда значение емкости падает.

Вы также должны проверить свою систему на «акустические проблемы» от керамических конденсаторов. Они работают как динамики и микрофоны. Если ваш преобразователь работает с частотой ниже 20 кГц, керамические снабберные конденсаторы могут создавать нежелательный шум. Обязательно найдите молодого человека, который будет слушать шум, так как кто-либо старше 35 лет не может слышать в диапазоне выше 15 кГц.

Сделано для снабберов

На APEC 2019 TDK представила свои конденсаторы для преобразователей частоты компания CeraLink. В ее керамических конденсаторах используется диэлектрик свинец-лантан-цирконий-титан (PLZT). Этот диэлектрик работает в нише с более высоким напряжением и большим значением емкости по сравнению с другими типами керамики (рисунок ниже). Конденсаторы CeraLink будут увеличивать емкость с приложенным напряжением. Они имеют те же проблемы с температурой, что и обычная керамика. TDK отмечает, что это может быть преимуществом, поскольку они не будут «поглотителями тока»; то есть, самый горячий параллельный конденсатор не будет увеличиваться в стоимости и потреблять больше тока — пока он не сгорит.

Такое разделение тока является критическим, поскольку конденсаторы CeraLink состоят из еще более плотной конфигурации, чем обычные стек конденсаторы MLCC (рисунок ниже). Предназначенный для звена постоянного тока в частотных преобразователях, высокая частота пульсаций тока CeraLink может также использоваться в демпфирующих цепях. В документации TDK CeraLink также упоминается физическое напряжение, которое импульс напряжения оказывает на керамический конденсатор. Если импульсы имеют большую частоту и большое значение пикового напряжения, это может вывести конденсатор из строя. Это еще одна причина, по которой вам нужно хорошо протестировать и измерить все параметры электрической цепи, что касается вашей конструкции снаббера, чтобы убедиться, что она будет работать в нужном диапазоне температур и с допустимыми значениями напряжений и пульсаций.

Выберите свой подход к разработке

Вы можете использовать проверенные снабберы на основе пленочных конденсаторов, зная, что вы можете повысить производительность и стоимость с керамическими конденсаторами.

Это сложное решение. Применение конденсаторов меньшего размера означает, что у вас будет меньше паразитной индуктивности — то, что требует больших снабберов. Если вы можете уменьшить всю конструкцию, особенно с SiC и GaN, возможно, имеет смысл начать с керамики. Опять же, если вам нужно некоторое пространство, чтобы отводить тепло от силовых транзисторов, и это пространство дает возможность для установки пленочного конденсатора, ну, возможно, это ваш лучший выбор. «Может быть» и «аналог» идут рука об руку. Каждая разработка и каждая схема уникальны, так же как и ситуация, в которой они используются. Вот что делает аналоговую систему такой сложной и одновременно полезной, когда вы правильно ее понимаете.

Три типа демпферной цепи импульсного источника питания — Инженерно-технический

1. Что такое снабберная цепь импульсного источника питания?

Снабберная цепь, также называемая абсорбционной схемой, является важной схемой защиты силовых электронных устройств. Он состоит из катушек индуктивности, конденсаторов, резисторов, силовых выключателей и других компонентов, которые могут защитить нормальную работу схемы. Существует множество форм демпфирующих цепей, которые можно разделить на несколько категорий в соответствии с различными стандартами классификации для адаптации к различным типам импульсных источников питания.

В зависимости от момента действия снабберной цепи ее можно разделить на снабберную цепь выключения и снабберную цепь включения. Цепь снаббера выключения может поглощать перенапряжение выключения или коммутационное перенапряжение, чтобы уменьшить потери мощности при выключении, в то время как цепь снаббера включения используется для подавления тока при включении импульсного источника питания. Если две цепи демпфера объединить, получится составная цепь демпфера.

Пассивные и активные снабберные цепи классифицируются по типам компонентов. Активные демпфирующие цепи содержат больше компонентов, и их структура относительно сложна. Пассивная буферная схема не имеет схемы управления и возбуждения, имеет более простую структуру и широко используется.

С точки зрения того, создает ли демпферная цепь потери, ее можно разделить на цепи с потерями и без потерь. Существует множество классификаций снабберных цепей, и необходимо определить фактическое использование.

1. 1 Необходимость и назначение демпферной цепи переключения питания

Чтобы избежать этой ситуации, мы можем начать с двух аспектов. Один из способов заключается в уменьшении паразитной емкости в переключающем преобразователе. Другой метод заключается в добавлении в цепь снабберной цепи для замедления тока или напряжения, чтобы уменьшить ущерб, вызванный перегревом импульсного источника питания. По сравнению с предыдущим методом добавление демпферной цепи является более экономичным и осуществимым. Функция снабберной цепи достигается за счет улучшения траектории переключения силового полупроводникового прибора. Он может подавлять перенапряжение и перегрузку по току импульсного источника питания, уменьшать потери импульсного источника питания и обеспечивать безопасную и надежную работу импульсного источника питания.

1.2 Основная идея проектирования демпферной цепи импульсного источника питания

Существует много вариантов конструкции демпферных цепей импульсного источника питания, но основная идея состоит в том, чтобы попытаться заставить анодный ток импульсного источника питания медленно увеличиваться при включении включено, и анодное напряжение медленно растет при выключении, уменьшая потери мощности в процессе переключения. Таким образом, избегается, чтобы переключаемый тиристор одновременно подвергался влиянию перегрузки по току и перенапряжению во время процесса проводимости и блокировки тиристора, что приводит к чрезмерному нагреву устройства и, в конечном итоге, к повреждению.

Цепь снаббера может подавлять скорость увеличения тока, используя характеристику, согласно которой ток индуктора не может внезапно измениться, чтобы достичь цели медленного увеличения анодного тока импульсного источника питания при включении устройства. Характеристика, согласно которой напряжение на конденсаторе не может внезапно измениться, используется для управления скоростью нарастания напряжения на устройстве, чтобы достичь цели медленного нарастания анодного напряжения, когда устройство выключено.

2. Тип снабберной цепи импульсного источника питания

2.1 Цепь снаббера УЗО

Цепь снаббера УЗО состоит из резистора (Rs), конденсатора (Cs) и диода (VDs) . Резистор (Rs) и диод (VDs) могут быть соединены последовательно или параллельно. Его основная функция заключается в подавлении перенапряжения, возникающего при выключении устройства, и в ограничении du/dt для уменьшения потерь при выключении устройства.

Когда цепь снаббера УЗО отключает импульсный источник питания, ток нагрузки будет шунтироваться при прохождении через резистор (Rs) и конденсатор (Cs), уменьшая ток в цепи. Кроме того, энергия, запасенная в паразитной индуктивности, может быть заряжена паразитной емкостью в импульсном источнике питания, так что коммутируемое напряжение растет медленно. Когда напряжение на паразитной индуктивности и паразитной емкости одинаково, поглощающий диод VDs будет включен, так что напряжение переключения останется на уровне около одного вольта.

В то же время паразитная индуктивность также может заряжать конденсатор, так что при включении ключа она может поглощать конденсатор для зарядки резистора Rs. Резистор Rs играет роль в подавлении разрядного тока. Через некоторое время напряжение на конденсаторе становится близким к нулю, что позволяет отключить питание. Цепь демпфера УЗО может снизить напряжение в импульсном источнике питания для защиты цепи. Это снабберная схема с самой простой структурой и самой низкой стоимостью, поэтому она широко используется. Однако ограничивающее напряжение этой демпфирующей цепи будет изменяться при изменении нагрузки цепи. Если параметры снаббера будут определены необоснованно, схема снаббера не даст нужного эффекта и импульсный блок питания выйдет из строя. Кроме того, потери в цепи демпфера УЗО относительно велики, что влияет на эффект применения схемы.

2.2 Снабберная цепь LCD

Снабберная цепь LCD состоит из катушки индуктивности Lr, конденсаторов Cs, Cr и диодов VD1, VD2, VD3. Поскольку демпферная схема ЖК-дисплея не использует активные устройства и не содержит энергоемких компонентов, это означает, что она почти не генерирует потерь, поэтому ее также называют пассивной демпферной схемой без потерь.

Функция буферной схемы ЖК-дисплея состоит в том, чтобы уменьшить скорость нарастания тока и напряжения на основной трубке переключателя, начать с нуля, заставить трубку переключателя работать в квазинулевом токопроводимости и квазинулевом напряжении в выключенном состоянии и уменьшить потери при включении и выключении. Существует много широко используемых методов для демпфирующих цепей LCD. Один из них состоит в том, чтобы соединить индуктор последовательно с переключающей трубкой, чтобы при включении импульсного источника питания ток в петле мог увеличиваться только от нуля, чтобы достичь цели защиты цепи и уменьшения потерь. Конденсатор также может быть подключен параллельно с переключающей трубкой, так что при переключении источника питания напряжение на переключающей трубке может только медленно повышаться от нуля, так что цепь не может сразу генерировать перенапряжение при выключении, поэтому как добиться эффекта буферизации. Структура снабберной цепи ЖК-дисплея так же проста, как и снабберная цепь УЗО, но она имеет больше преимуществ, чем снабберная цепь УЗО. Его эффективность буферизации очень высока, электромагнитные помехи в цепи малы, наряду с низкой стоимостью, хорошей производительностью и высокой надежностью.

2.3 Цепь демпфера с рекуперацией энергии

Поглощенная энергия цепи демпфера с рекуперацией энергии может быть прямо или косвенно возвращена в источник питания постоянного тока и нагрузку без каких-либо управляемых переключающих устройств и соответствующих цепей управления. Он имеет функцию управления и улучшения траектории работы переключающего устройства, чтобы оно располагалось в безопасной рабочей зоне прямого и обратного хода, уменьшая потери при переключении и электромагнитный шум силового устройства, а также улучшая способность устройства к перегрузке по току и перенапряжению. устройство. При включении импульсного источника питания паразитная емкость (Cs) может разряжаться через диод, передающую емкость (Co) и резонансный контур индуктивности поглощения переключателя. Часть энергии на Cs может быть возвращена в импульсный источник питания через диоды, трансформаторы и т. д., чтобы уменьшить пиковый резонансный ток и играть роль в защите схемы. При отключении импульсного источника питания большая часть энергии в катушке индуктивности Ls может быть передана конденсатору, и лишь малая часть возвращается обратно в источник питания. Таким образом, на трубке переключателя не будет возникать большого перенапряжения, и оно эффективно зажато, чтобы уменьшить нагрузку на трубку переключателя. Хотя структура рекуперативного демпферного контура более сложна, он может обеспечить стабильную и эффективную работу мощного оборудования в большей степени, чем другие снабберные контуры.

Заключение

С развитием технологии силовой электроники импульсные источники питания становятся все меньше и легче. А добавление в схему демпфирующей цепи может снизить нагрузку на питание при переключении устройства. Снабберная схема теперь стала неотъемлемой частью схемы и играет жизненно важную роль.

PCBWay предоставляет услуги, включая прототипирование печатных плат и серийное производство, сборку печатных плат (SMT), проектирование печатных плат и продажу электронных модулей. Мы стремимся удовлетворить потребности мировых производителей из разных отраслей с точки зрения качества, доставки, экономической эффективности и любых других требовательных запросов в области электроники.

Щелкните, чтобы получить мгновенное предложение . В части I мы обсудим основы индуктивной коммутации и необходимость защиты цепи. Влияние демпфера RC и снабберного конденсатора на характеристики схемы продемонстрировано с помощью серии симуляций. Часть II (появится в марте 2019 г.выпуск In Compliance) будет посвящен систематическому процессу проектирования демпферной цепи, а также моделированию и проверке с помощью лабораторных измерений. Авторы Богдан Адамчик и Билл Спенс.

Переключение в незащищенной индуктивной цепи

Рассмотрим схему, показанную на рис. 1(a). Когда переключатель замкнут, в установившемся режиме напряжение на катушке индуктивности v L равно нулю, и через катушку индуктивности протекает постоянный ток I 0 . Энергия, запасенная в магнитном поле индуктора, равна

  (1)

Когда переключатель размыкается, на катушке индуктивности, а затем на переключателе возникает большое отрицательное напряжение. Магнитная энергия, накопленная в индукторе, рассеивается в дуге через контакты переключателя или излучается, как показано на рисунке 1(b).

Рисунок 1: Индуктивная цепь — а) переключатель замкнут, б) переключатель разомкнут

Такое поведение часто разрушает переключатель, и требуется какая-то защитная схема. Прежде чем представить возможное решение (RC-демпфер), давайте дополним схему на рис. 1 паразитной емкостью проводки, как показано на рис. 2.

Рисунок 2: Индуктивная цепь с паразитной емкостью – а) переключатель замкнут, б) переключатель разомкнут

Когда переключатель замкнут, в установившемся режиме ток через эту емкость не протекает. Когда ключ размыкается, ток катушки индуктивности теперь течет через паразитный конденсатор, заряжая его, и напряжение на нем возрастает с начальной скоростью . Когда это напряжение превышает напряжение пробоя контактов, на контактах переключателя [1] возникает дуга, и конденсатор разряжается. Когда искрение прекращается, ток снова заряжает конденсатор, что потенциально может вызвать новое искрение.

Электрические колебания, возникающие в этом LC-резонансном контуре при размыкании переключателя, часто являются источником переходных процессов напряжения и высокочастотных помех. Переходные процессы напряжения и тока часто проявляются в виде звенящих сигналов, подобных показанному на рисунке 3 [2].

Рисунок 3: Форма сигнала вызывного сигнала тока

Эти колебания можно уменьшить, поместив демпфирующий элемент на переключатель, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Цепь с индуктивной нагрузкой – а) переключатель без защиты, б) переключатель с защитой с демпфером

Существует множество различных видов демпферов; в этой статье основное внимание уделяется наиболее широко используемому — демпферу RC. Обсуждаемый здесь RC-демпфер используется в понижающих или понижающих импульсных источниках питания.

Типичная схема понижающего ИИП с RC-демпфером на нижнем полевом транзисторе показана на рис. 5.

Рис. явно показаны паразитные емкости и индуктивности [3].

Рис. 6: Типовая схема понижающего импульсного источника питания с показанными паразитными элементами

Импульсное напряжение, генерируемое в коммутационном узле, стимулирует резонанс паразитных компонентов в виде затухающей LC-цепи. Назначение RC-демпфера, размещенного на переключателе нижнего плеча, состоит в том, чтобы уменьшить эти колебания до приемлемого уровня.


RC Демпферное воздействие

Основная резонансная частота в сети RLC [4],

 (2)

Резонансная частота в цепи, показанной на рис. 6, 9

  (3)

Простая схема, демонстрирующая такое поведение, показана на рисунке 7.

Рисунок 7: Паразитная цепь LC без снаббера: (a) схема, (b) напряжение на коммутационном узле

. Крупный план сигнала звонка, показанный на рисунке 8, показывает частоту звонка 412,9 МГц.

Рисунок 8. Форма сигнала звонка и его частота (без снаббера)

БПФ формы сигнала звонка показано на рисунке 9.

Рис. 9: БПФ формы вызывного сигнала (без демпфера)

Чтобы сдвинуть резонансную частоту к более низкому значению, между узлом переключения и эталоном добавляется конденсатор емкостью 150 пФ, как показано на Рис. 10.

Рис. 10: LC-паразитная цепь с добавленным демпфирующим конденсатором 150 пФ

Результирующая форма вызывного сигнала показана на рис. 11.

Рис. 11. Форма вызывного сигнала с добавленным снабберным конденсатором 150 пФ 206,7 МГц.

Обычно не рекомендуется использовать только снабберный конденсатор [1]; для ограничения тока разряда снабберного конденсатора (и защиты переключателя) резистора, если его часто помещают последовательно с конденсатором.

На рис. 12 показана полная RC-цепь снаббера с добавленным резистором 7,5 Ом.

Рисунок 12. Паразитная LC-цепь со демпфером

Результирующие сигналы вызова показаны на рисунке 13. ) БПФ осциллограммы

Обратите внимание, что резонансная частота увеличилась по сравнению со значением емкостного снаббера на рис. 11, но все еще намного ниже, чем у схемы без снаббера.

На рисунках 14 и 15 ясно показано резкое улучшение характеристик схемы с демпфером RC по сравнению с цепью без демпфера.

Рисунок 14: Сравнение характеристик схемы: формы сигналов во временной области со снаббером и без него Рисунок 15: Сравнение характеристик схемы: БПФ сигналов со снаббером и без него

 

Продолжение чтения:

  • RC Snubber Design для SMPS Защита II
  • Фильтрационные конденсаторы для поставки мощности переключателя
  • Руководство по конденсациям Snubber

9000 2
С. Основы инженерии электромагнитной совместимости , Wiley, 2009.

  • Богдан Адамчик, «Модель теории схем звона на линии передачи», In Compliance Magazine , ноябрь 2018 г.
  • Bill Spence, «Snubber Design: Reduction SMPS EMI», Lunch and Learn , Gentex Corp, 2014. , 2017.
  • Д-р Богдан Адамчик — профессор и директор Центра ЭМС в Государственном университете Гранд-Вэлли (http://www.gvsu.edu/emccenter), где он проводит исследования и разрабатывает учебные материалы по ЭМС. . Он является сертифицированным инженером-конструктором EMC, сертифицированным iNARTE, одним из основателей и председателем отделения IEEE EMC в Западном Мичигане. Профессор Адамчик является автором учебника «Основы электромагнитной совместимости с практическими приложениями» (Wiley, 2017). С ним можно связаться по адресу [email protected]

    Уильям Спенс является старшим инженером по электромагнитному соответствию и последние пятнадцать лет работает в лаборатории электромагнитного проектирования корпорации Gentex.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    [an error occurred while processing the directive]