Для чего нужен снаббер
Причина, по которой прибегают к использованию снабберов
В ходе разработки силового импульсного преобразователя (особенно это касается мощных устройств топологий push-pull и forward, где переключение происходит в жестких режимах), необходимо как следует позаботиться о защите силовых ключей от пробоя по напряжению.
Такое событие сразу приведет к куче проблем: где достать аналогичный транзистор? Есть ли он сейчас в продаже? Если нет, то когда появится? Насколько качественным окажется новый полевик? Кто, когда и за какие деньги возьмется все это перепаивать? Как долго продержится новый ключ и не повторит ли он судьбу своего предшественника? и т. д. и т. п.
В любом случае лучше сразу перестраховаться, и еще на этапе проектирования устройства принять меры для предотвращения подобных неприятностей на корню. Благо, известно надежное, недорогое и простое в своей реализации решение на пассивных компонентах, давно ставшее популярным как у любителей высоковольтной силовой техники, так и у профессионалов. Речь о простейшем RCD-снаббере.
Традиционно для импульсных преобразователей, в цепь стока транзистора включена индуктивность первичной обмотки трансформатора или дросселя. И при резком запирании транзистора в условиях, когда коммутируемый ток еще не понизился до безопасной величины, согласно закону электромагнитной индукции на обмотке возникнет высокое напряжение, пропорциональное индуктивности обмотки и скорости перехода транзистора из проводящего состояния в запертое.
Если фронт при этом достаточно крут, а общая индуктивность обмотки в цепи стока транзистора существенна, то высокая скорость нарастания напряжения между стоком и истоком мгновенно приведет к катастрофе. Чтобы эту скорость роста напряжения понизить и облегчить тепловой режим запирания транзистора — между стоком и истоком защищаемого ключа ставят RCD-снаббер.
Как работает RCD-снаббер
RCD-cнаббер работает следующим образом. В момент запирания транзистора ток первичной обмотки, в силу наличия у нее индуктивности, не может мгновенно снизиться до нуля. И вместо того чтобы жечь транзистор, заряд, под действием высокой ЭДС, устремляется через диод D в конденсатор C снабберной цепи, заряжая его, а транзистор при этом закрывается в мягком режиме незначительного тока через его переход.
Расчет снабберной цепи
P – мощность, рассеиваемая на резисторе снаббера C – емкость конденсатора снаббера t – время запирания транзистора, за которое конденсатор снаббера заряжается U – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор снаббера I – ток через транзистор до его закрытия f- сколько раз в секунду будет срабатывать снаббер (частота переключения транзистора)
Чтобы рассчитать номиналы элементов защитного снаббера, для начала задаются временем, за которое транзистор в данной схеме переходит из проводящего состояния в запертое. За это время конденсатор снаббера должен успеть зарядиться через диод. Здесь в расчет принимается средний ток силовой обмотки, от которого предстоит защищаться. А напряжение питания обмотки преобразователя позволит выбрать конденсатор с подходящим максимальным напряжением.
Далее необходимо вычислить мощность, которая должна будет рассеиваться на резисторе снаббера, и уже после этого подобрать конкретный номинал резистора, исходя из временных параметров полученной RC-цепи. При том сопротивление резистора не должно быть слишком малым, чтобы когда при запирании ключа конденсатор начнет разряжаться через него, импульс максимального разрядного тока вместе с рабочим током не превысили бы критическую для транзистора величину. Не должно это сопротивление быть и слишком большим, чтобы конденсатор все же успел разрядиться, пока транзистор отрабатывает положительную часть рабочего периода.
Рассмотрим пример
Сетевой двухтактный инвертор (амплитуда напряжения питания 310 вольт) потребляющий мощность 2 кВт работает на частоте 40 кГц, причем максимальное напряжение между стоком и истоком для его ключей составляет 600 вольт. Необходимо рассчитать RCD-снаббер для этих транзисторов. Пусть время запирания транзистора в схеме составляет 120 нс.
Средний ток обмотки 2000/310 = 6,45 А. Пусть напряжение на ключе не превысит 400 вольт. Тогда C = 6,45*0,000000120/400 = 1,935 нФ. Выберем пленочный конденсатор емкостью 2,2 нФ на 630 вольт. Мощность, поглощаемая и рассеиваемая каждым снаббером за 40000 периодов составит P = 40000*0.0000000022*400*400/2 = 7,04 W.
Допустим, минимальная скважность импульса на каждом из двух транзисторов составляет 30%. Значит минимальное время открытого состояния каждого транзистора будет равно 0,3/80000 = 3,75 мкс, с учетом фронта примем 3,65 мкс. Примем 5% этого времени за 3*RC, и пусть за это время конденсатор успеет почти полностью разрядиться. Тогда 3*RC = 0,05*0,00000365. Отсюда (подставим C = 2.2 нФ) получим R = 27,65 Ом.
Установим по два пятиваттных резистора по 56 Ом параллельно в каждый снаббер нашего двухтактника, и получится 28 Ом для каждого снаббера. Импульсный ток от срабатывания снаббера при разряде конденсатора через сопротивление составит 400/28 = 14,28 А — это ток в импульсе, который пройдет через транзистор в начале каждого периода. Согласно документации на большинство популярных силовых транзисторов, максимально допустимый импульсный ток для них превосходит максимальный средний ток минимум в 4 раза.
Что касается диода, то в схему RCD-снаббера ставиться импульсный диод на такое же максимальное напряжение как у транзистора, и способный в импульсе выдерживать максимальный ток, протекающий через первичную цепь данного преобразователя.
Снаббер — это просто
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Рис. 10. Ограничение напряжения супрессором 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.
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»!
Снабберы, способные полностью подавлять 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.