Расчет снабберной цепи: Rcd-снаббер — принцип работы и пример расчета

Что такое снаббер? Подробное описание

Снаббер – это демпфирующее устройство, работающее в качестве фильтра низкой частоты, которое выполняет действие по замыканию на себе тока переходного процесса.

Предназначение снаббера

Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, для понижения значения перенапряжений в переходных процессах, которые появляются при коммутационных действиях с силовыми полупроводниками. Они практически незаменимы для снижения влияния паразитной генерации, которая способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и для предохранения от температурного перегрева диодов и мощных транзисторов.

Достигается это с помощью облегчения теплообмена при работе ключа. При этом емкость служит для понижения скорости нарастания напряжения, а индуктивность снижает нарастание величины тока. При снижении значения динамических потерь в силовом ключе происходит формирование траектории переключения: при этом параллельно подключенные емкостные конденсаторы понизят скорость нарастания напряжения. Индуктивность в коммутационных цепях ограничивает скорость увеличения тока.

Снаббер выполняет задачу по предотвращению ошибочного включения семистора, которое может произойти в результате сетевых помех. Полезно применение снаббера в качестве ограничителя перенапряжений для ключевого транзистора, которые появляются во время коммутации. В этом случае модель может применяться в устройствах импульсных источников питания.

Конфигурация снаббера

Устройство необходимого к использованию снаббера зависит от величины нагрузки и типа питающей сети, она связана с типом силового компонента и частоты, на которой он работает.

снаббер

Рис. №1. Конфигурация снабберных конденсаторов.

Самый простой снаббер считается импульсным конденсатором незначительной емкости, который подключается параллельно силовому ключу. В конструкции обязательно должен присутствовать, подключенный параллельно конденсатору  резистор, он помогает избавиться от потерь и утечек в паразитном колебательном контуре.

Основное требование к конструкции снабберной емкости – обеспечить помимо минимальной величины распределенной индуктивности, еще и удобство присоединения к терминалам силового модуля. В качестве снаббера недопустимо использовать обычные конденсаторы, как на (рис.1а).

Методика расчета снабберной цепи

Выполнение расчета связано с механизмом действия снабберной цепи. Номинальное значение конденсатора высчитывается по определенному значению уровня перенапряжения Vos и величины энергии, находящейся в запасе в паразитной индуктивности шины Lв при коммутировании токовой величины Iреак:

Безымянный

С помощью снабберов происходит формирование траектории переключения, где параллельно подключенные емкости снижают быстроту нарастания значения напряжения, а индуктивности служат для ограничения скорости увеличения токовых значений.

Вычисление емкости снаббера и максимально эффективного значения индуктивности можно выполнить если известны значения напряжения ΔV1 и ΔV2, при этом их величина С2 будет прямо пропорциональна показателям паразитной индуктивности. Формула расчета емкости будет иметь такой вид:Безымянный

Таким образом, становится ясно, что корректная типология и силового каскада, которая может обеспечить минимальную величину и значение LDC дает возможность снизить требования к снабберным цепям.

Для определения расчета паразитного контура DC необходимо проводить коррекционные замеры параметров снабберной схемы, за основу берутся результаты экспериментальной проверки.

Основой выбора служит минимальная величина перенапряжения и отсутствие опасных осцилляций.

Необходимо знать, снаббер не сможет помочь силовому ключу при перенапряжении плохо подобранной DC-шине, которая имеет значительную площадь токовой петли.

При подборе конденсатора учитываются такие его параметры:

  • Разрешенное напряжение для цепей постоянного тока VRmax;
  • Максимальное значение напряжения и тока пульсации Vnnsили Inns;
  • Величину емкости и индуктивности;
  • Срок эксплуатации.

Желательно учитывать, что для модулей IGBT величина напряжения шины не должна быть больше значения 9000В, для такого значения рекомендуется применять снаббер с VRmax

= 1000В. Величины емкости должно хватать для подавления и сглаживания пиковых сигналов, появляющихся при отключении IGBT, емкость может быть в пределах от 0,1 до 1 мкФ.

снаббер

Рис.№ 2. Классический пример использования конструкции с высокоиндуктивной шиной с применением параллельно соединенных проводников звена постоянного тока. Даже с наличием снаббера при коротком замыкании произойдет скачек напряжения более, чем в 1000 раз.

При некорректной типологии шины-DC нецелесообразно увеличивать емкость снаббера – это приводит к увеличению колебательности паразитного контура.

 

Типы снабберных схем

снаббер

Рис. №2. Схема снаббера.  (а) – обычный высоковольтный конденсатор. (б) – схема для применения в низковольтных преобразователях, рассчитанных на высокий ток с использованием MOSFET-ключами. (в) – схема цепи, ограничивающая скорость управления тиристорными ключами. В этом случае, снаббер устанавливается на всех плечах полумоста, схема состоит из диода обладающего быстрой скоростью и резистора. Они выполняют функцию разряда и ограничителя тока разряда и служат для разделения зарядных цепей.   (г) – схема для снижения паразитной индуктивности, она характеризуется подключением снаббера к коллектору и эмиттеру всех транзисторов полумоста, схема используется редко, главным образом из-за сложности.

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

Поделиться ссылкой:

Проектирование снабберных схем — Время электроники

В статье рассматриваются эффективные методы повышения надежности MOSFET в обратноходовых преобразователях.

Принцип работы обратноходовых преобразователей основан на накоплении энергии в трансформаторе при открытом состоянии силового ключа с последующей передачей этой энергии на выход устройства во время закрытого состояния ключа. Обратноходовой трансформатор состоит из двух или более взаимосвязанных обмоток на сердечнике с воздушным зазором, в котором и хранится магнитная энергия до тех пор, пока она не будет передана во вторичную цепь. На практике никогда не удается добиться идеального коэффициента связи между обмотками, поэтому не вся энергия проходит через этот воздушный зазор.

Небольшое количество энергии накапливается внутри и между обмотками. Это явление называется индуктивностью рассеяния трансформатора. При открытии ключа энергия, накопленная в индуктивности рассеяния, не передается во вторичную обмотку, приводя к возникновению высоковольтных всплесков в первичной обмотке трансформатора и в ключе. Кроме того, эта энергия вызывает высокочастотный колебательный процесс в контуре, состоящем из эффективной емкости открытого ключа, индуктивности первичной обмотки и индуктивности рассеяния трансформатора (см. рис. 1).

Рис. 1. Переходные процессы в стоке транзистора, вызванные индуктивностью рассеяния трансформатора

Если пиковое напряжение всплеска превысит напряжение пробоя переключающего элемента, чаще всего, силового транзистора MOSFET, это приведет к выходу из строя всего устройства. Более того, колебания высокой амплитуды на стоке транзистора вызывают сильные электромагнитные помехи. В источниках питания мощностью выше 2 Вт для ограничения всплесков напряжения на MOSFET используются ограничительные (снабберные) схемы, которые позволяют рассеивать энергию, накопленную в индуктивности рассеяния.

Принцип работы снабберной схемы

Снабберная схема используется для ограничения максимального напряжения на MOSFET до заданного значения. Как только напряжение на MOSFET достигает порогового значения, вся дополнительная энергия рассеяния перенаправляется в снабберную схему, где она либо накапливается и медленно рассеивается, либо возвращается в преобразователь. Одним из недостатков ограничительных схем является то, что они рассеивают энергию, снижая эффективность. В связи с этим существует несколько типов ограничительных схем (см. рис. 2). В некоторых из них используются стабилитроны (диоды Зенера), позволяющие снизить потребление мощности. Однако из-за резкого включения стабилитронов в таких схемах часто возникают электромагнитные помехи. Ограничительные схемы RCD обеспечивают хороший баланс между эффективностью, генерацией электромагнитных помех и стоимостью и потому получили наибольшее распространение.

Рис. 2. Типы ограничительных схем

Ограничительная схема RCD работает следующим образом. Сразу же после закрытия MOSFET диод во вторичной цепи остается обратно смещенным, и ток намагничивания заряжает емкость стока (см. рис. 3а). Когда напряжение в первичной обмотке достигает величины выходного отраженного напряжения V

OR, определяемого соотношением витков трансформатора, открывается диод во вторичной цепи, и энергия намагничивания передается во вторичную обмотку. Энергия рассеяния продолжает заряжать трансформатор и емкость стока до тех пор, пока напряжение в первичной обмотке не станет равным напряжению на конденсаторе ограничительной схемы (см. рис. 3б).

Рис. 3. Первичная цепь ограничительной схемы

В этот момент открывается блокирующий диод, и энергия рассеяния направляется через конденсатор ограничительной схемы (см. рис. 4а). Протекающий через конденсатор ток заряда ограничивает пиковое напряжение на стоке транзистора до величины V

IN(MAX) + VC(MAX). После того как энергия рассеяния полностью передана, блокирующий диод запирается, а конденсатор ограничительной схемы до начала следующего цикла разряжается через резистор этой же схемы (см. рис. 4б). Последовательно с блокирующим диодом часто ставят дополнительный небольшой резистор, предназначенный для подавления любых колебательных процессов, возникающих в контуре из индуктивности трансформатора и конденсатора ограничительной схемы в конце цикла заряда. На рисунке 5 показаны циклические пульсации напряжения VDELTA, наблюдаемые в ограничительной схеме, амплитуда которых определяется величиной конденсатора и резистора, стоящих параллельно друг другу.

Рис. 4. Первичная цепь ограничительной схемы
Рис. 5. Измерение напряжения в ограничительной схеме RCD

Принцип работы ограничительной схемы RCDZ аналогичен принципу работы RCD-схемы, за исключением того, что рассеиваемая энергия делится между стабилитроном и стоящим последовательно с ним резистором (см. рис. 2). Стабилитрон предотвращает конденсатор от разряда ниже уровня блокирующего напряжения стабилитрона, что ограничивает рассеяние мощности и улучшает эффективность, особенно при небольших нагрузках. Схема ZD обеспечивает жесткое ограничение напряжения на MOSFET, определяемое величиной блокирующего напряжения стабилитрона. И, наконец, ограничительная схема RCD+Z работает, как и RCD-схема, но введение в нее стабилитрона обеспечивает безопасное ограничение напряжения на MOSFET во время переходных процессов. Как и RCD-схема, она характеризуется пониженной генерацией электромагнитных помех во время нормального режима.

При разработке ограничительных схем необходимо учитывать параметры как трансформатора, так и MOSFET. Если минимальное ограничивающее напряжение ниже VOR трансформатора, ограничительная схема работает как нагрузка. При этом теряется большее количество энергии, чем при рассеивании, что снижает эффективность. При выборе компонентов ограничительной схемы меньших размеров, чем требуется, они перегреваются, не справляются с опасными напряжениями и генерируют электромагнитные помехи. Необходимо, чтобы ограничительная схема обеспечивала защиту MOSFET от любых всплесков входного напряжения питания, тока нагрузки и учитывала допуски на компоненты.

Компания Power Integrations опубликовала руководство по проектированию ограничительных схем Clamp Sizing Design Guide (PI-DG-101), в котором приведена поэтапная последовательность подбора компонентов для четырех основных типов ограничительных схем, применяемых в обратноходовых источниках питания. Это руководство предназначено для использования совместно с программным пакетом PI Expertä. Данная интерактивная программа автоматически подбирает на основе параметров источника питания пользователя все компоненты (включая характеристики трансформатора), необходимые для генерации требуемого рабочего напряжения импульсного источника питания. PI Expertä автоматически создает ограничительную схему, которая, впрочем, слегка отличается от схемы, спроектированной по алгоритму из упомянутого руководства.

Проектирование ограничительной схемы RCD

Ниже приведена последовательность шагов при проектировании ограничительной схемы RCD (подробнее см. руководство Clamp Sizing Design Guide). Все перечисленные ниже значения, не измеренные и не определенные пользователем, следует искать в таблице результатов проектирования PI Expert.

  1. Измерьте LL — индуктивность рассеяния первичной цепи трансформатора.
  2. Проверьте fs — частоту переключения источника питания.
  3. Определите Ip — точное значение тока в первичной цепи.
  4. Определите полное напряжение в первичной цепи MOSFET и рассчитайте Vmaxclamp при помощи следующего выражения:

 

   ( Примечание: предусмотрите для MOSFET запас, по крайней мере, в 50 В ниже уровня BVDSS, а дополнительно к нему — запас в 30–50 В на всплески напряжения при переходных процессах).

      5. Определите Vdelta — амплитуду пульсаций в ограничительной схеме.

      6. Рассчитайте минимальное напряжение в ограничительной схеме:

 

 

           7. Рассчитайте среднее напряжение в ограничительной схеме:

 

           8. Рассчитайте энергию, накопленную в индуктивности рассеяния:

        

           9. Оцените Eclamp — энергию, рассеиваемую в ограничительной схеме:

 

 

      10. Рассчитайте величину резистора в ограничительной схеме:

 

      11. Расчетная мощность резистора в ограничительной схеме должна быть больше, чем:

 

      12. Рассчитайте емкость конденсатора в ограничительной схеме:

 

 

    13.  Расчетное напряжение на конденсаторе в ограничительной схеме должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp.

    14. В качестве блокирующего диода в ограничительной схеме необходимо использовать диод с коротким или очень коротким временем восстановления.

    15. Пиковое обратное напряжение блокирующего диода должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp.

    16. Расчетный пиковый ток прямого смещения должен быть больше IP. Если этот параметр не перечислен в таблице данных, средний расчетный ток прямого смещения должен быть больше 0,5IP.

    17. Величина демпфирующего резистора (если он используется) выбирается из соотношения:

 

    18. Расчетная мощность демпфирующего резистора должна быть больше, чем

.

 

После проведения первоначальных расчетов для проверки рабочих характеристик источника питания необходимо сконструировать прототип такого устройства, поскольку индуктивность рассеяния трансформатора может значительно меняться в зависимости от техники намотки. В некоторых случаях следует измерить среднее напряжение Vclamp и сравнить его с рассчитанным в п. 7 значением (см. рис. 5). В случае существенных различий этих значений можно произвести корректировку Rclamp. Если полученные результаты существенно отличаются от ожидаемых, расчет следует повторить с использованием уточненных данных.

Для расчета параметров ограничительных схем других типов используют аналогичную последовательность шагов, добавляя шаги для каждого нового элемента. Следует быть очень внимательными при выборе диодов и стабилитронов — у них должна быть соответствующая мощность. Почти во всех случаях применения стабилитронов для обеспечения требуемой пиковой мгновенной мощности необходимо использовать цепи подавления всплесков напряжений при переходных процессах.

Расчетная мощность компонентов проверяется методом измерения температур корпусов компонентов в то время, когда источник питания работает на полную нагрузку при минимальном входном напряжении. Если рабочая температура какого-либо компонента схемы выходит за установленные производителем пределы, компонент следует заменить, а схему необходимо тщательно проверить.

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:

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*π2*f2*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:

PRsn=(1/2)*Csn*Uin2*fs, где Uin и fs — это, соответственно, входное напряжение преобразователя и частота, на которой он работает

В дополнение, хочется сказать, что располагать элементы снаббера рекомендуется как можно ближе к силовым ногам транзистора:

Программа для расчета снаббера МОП транзистора ИБП

РадиоКот >Статьи >

Программа для расчета снаббера МОП транзистора ИБП

Рассчитывая импульсный блок питания для УМЗЧ автомобиля столкнулся с необходимостью добавления в схему цепочки снаббера на силовые транзисторы, как и положено нам «котам», лапками тыкать в калькулятор лень. В связи с этим была набросана программка для автоматического расчета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Программа очень простая и имеет небольшие подсказки при наведении указателя на элемент. «Coss транзистора» это выходная ёмкость МОП-транзистора, искать её следует в datasheet на транзистор. Период импульса помехи измеряется с помощью осциллографа на уже готовой плате блока питания, этот параметр не влияет на расчетную мощность резистора, ёмкость и напряжение конденсатора. Поэтому можно смело при разводке печатной платы рассчитать с любыми данными периода помехи для определения габаритов номинала, а после изготовления печатной платы подставить измеренный период и вычислить точный номинал резистора (При первых расчетах до разводки платы я использую период в 20нС). Входное напряжение и частота преобразования берутся из параметров вашего блока питания. Перемещение по полям ввода и к кнопке «Рассчитать» может осуществляться клавишей «Tab». При нажатии клавиши Enter в любом из полей ввода производится попытка расчета, а при ошибке или не полноте ввода данных выдаётся соответствующее предупреждение.

Расчет мощности резистора производится с 10% запасом, напряжение конденсатора с 20% запасом, а сопротивление и ёмкость рассчитываются по факту с округлением до сотых без учёта стандартных номиналов.


Файлы:
Программа


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Онлайн калькулятор по рассчёту частоты и RC-цепи IR2153


Перенесу-ка я сюда схему устройства мягкого пуска и защиты импульсника с предыдущей страницы.
Плавный пуск и схема защиты импульсного блока питания
Рис.1

Фактически, основной фрагмент импульсного блока питания (Рис.2), состоящий из самотактируемого полумостового драйвера, управляющего мощными полевыми транзисторами, самих транзисторов и импульсного трансформатора — издавна уже обрёл привычные очертания, отработан до мелочей и радует счастливые взоры радиолюбителей предсказуемым поведением и весьма приличными характеристиками.
Импульсный источник питания на микросхеме IR2153
Рис.2

Приведённая схема импульсного источника питания позволяет снимать с блока максимальную мощность до 300Вт.
Дополнительные резисторы R9 и R10 введены для устранения сквозных токов через транзисторные ключи в начальный момент включения блока питания (до тех пор, пока напряжение питания микросхемы DA1 не достигнет рабочих значений).

Частота преобразования драйвера IR2153 — 50кГц. При желании изменить тактовую частоту следует изменить значения номиналов элементов R1 и С1 в соответствии с формулой F = 1 / [1,4×C×(R+75)].

Большинство схемотехнических решений ИПБ на IR2153, представленных в сети, не учитывают простой рекомендации производителя микросхемы по выбору номиналов данных элементов, а именно:
Timing resistor value (Min) — 10 kΩ, CT pin capacitor value (Min) — 330 pF.

Для удобства приведу простой калькулятор по расчёту частотозадающих элементов IR2153.


И с другими вводными — частота IR2153 с учётом имеющихся у Вас деталей.
На страшилки по поводу опасности несущественного отклонения рабочей частоты от расчётной, как то: насыщение феррита, снижение КПД и т.д. и т.п. — не следует обращать никакого внимания. Прекрасно Ваш феррит переживёт подобные отклонения, вплоть до 10-15% изменения частоты преобразователя, без всяких последствий для собственного здоровья.

Теперь о намотке трансформатора Tr1.
Парой слов здесь ограничиться не удастся, потому как именно импульсный трансформатор назначен главным ответственным за показатели ИБП.
Собственно, исходя из этих соображений, мы и посвятили целую статью расчётам и намотке трансформатора на тороидальном ферритовом сердечнике для данного блока с возможностью выбора желаемого диапазона мощностей — Ссылка на страницу.

Плавно переходим к снабберной цепочке R8, С9. Снаббер – это демпфирующее устройство, которое выполняет действие по замыканию на себе токов переходных процессов. Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, которые появляются при переключении коммутационных полупроводников и способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и силовых транзисторов.
В теории, существуют методики расчёта снабберных цепей. На практике — а не пошли бы они лесом, уж очень много различных параметров необходимо учитывать для получения корректного результата. К тому же достаточно велика вероятность того, что данная цепочка вообще не понадобится в транзисторно-трансформаторном хозяйстве.
Для проверки этого предчувствия следует к выходу ИПБ подключить нагрузку, обеспечивающую его работу при 10% мощности от максимальной, и поочерёдно ткнувшись пальцем в импульсный трансформатор и радиатор выходных транзисторов, убедиться, что температура данных элементов не превышает 30-40 градусов.
Если это так, то про снабберную цепочку забываем, если не повезло — начинаем юзать снаббер, начиная со значения ёмкости конденсатора С9 200пФ и постепенно повышая её до тех пор, пока не будет получен устойчивый положительный результат. Естественным делом данный конденсатор обязан быть высоковольтным.

Выходной выпрямитель особенностей не имеет, П-образные фильтры C5,L1,C9 и C6,L2,C11 необходимы для предотвращения попадания высокочастотных помех в нагрузку, электролиты С10 и С12 борются с сетевыми 50-ти герцовыми пульсациями. Дроссели L1 и L2 номиналом 10-20 мкГн, должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки, и могут быть как покупными, так и самостоятельно намотанными на силовых ферритах.

Радиатор для ключевых транзисторов Т1, Т2 для схемы, приведённой на Рис.2, должен рассчитываться исходя мощности рассеивания 3-5Вт и в простейшем случае может представлять из себя алюминиевую или медную пластину площадью 40-50 см2.

При необходимости радикально увеличить мощность блока питания вплоть до 1000 Вт имеет смысл воспользоваться ещё одной расхожей схемой ИБП с использованием более мощных полевых транзисторов (Рис.3).
Мощный импульсный блок питания на микросхеме IR2153
Рис.3

Поскольку выходным драйверам IR2153 сложновато прокачать значительные ёмкости Сзи могучих полевиков, в схему добавлены двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах Т1-Т4, во всём остальном схема повторяет свой менее мощный аналог, приведённый на Рис.2.
Значения ёмкостей конденсаторов С3, С4 приведены для мощности ИБП 500Вт, для 1000Вт их номиналы следует увеличить в 2 раза.
Пропорционально росту мощности ИПБ в соответствующее количество раз нужно увеличивать и размер радиатора полевых транзисторов.
Расчёт трансформатора произведём всё на той же странице — Ссылка на страницу.

Ну а на следующей странице с головой окунёмся в культработу над мощным лабораторным блоком питания с регулируемым выходным напряжением.

Мощный импульсный блок питания на микросхеме IR2153 Мощный импульсный блок питания на микросхеме IR2153

 

Расчет трансформатора для обратноходового импульсного источника питания (Flyback)

Популярность обратноходовых источников питания (ОИП, Flyback) последнее время сильно возросла в связи с простотой и дешевизной этого схемного решения – на рынке можно часто встретить интегральные схемы, включающие в себя практически всю высоковольтную часть такого источника, пользователю остается только подключить трансформатор и собрать низковольтную часть по стандартным схемам. Для расчета трансформаторов также имеется большое количество программного обеспечения – начиная от универсальных программ и заканчивая специализированным ПО производителей интегральных схем.

Сегодня же я хочу поговорить о ручном расчете импульсного трансформатора. «Зачем это нужно?», может спросить читатель. Во-первых, ручной расчет трансформатора подразумевает полное понимание процессов, происходящих в источнике питания, чего зачастую не происходит, если начинающий радиолюбитель рассчитывает трансформатор в специальном ПО. Во-вторых, ручной расчет позволяет выбирать оптимальные параметры функционирования источника (и иметь представление, какой параметр в какую сторону надо изменить для достижения заданного результата) еще на этапе разработки.

Итак, начнем. Структурная схема ОИП представлена на рис. 1. Он состоит из следующих основных функциональных узлов: ключ Sw, трансформатор Т1, выпрямитель выходного напряжения VD1 и C2, фильтр высокочастотных помех С1 и снаббер Snb.

Рис. 1

Работает такой источник следующим образом (см. упрощенные графики на рис. 2): в начальный момент времени t0 ключ Sw открывается, подавая входное напряжение Uin на первичную обмотку трансформатора Т1. В это время напряжение на нижнем выводе обмотки I (точка а) равно нулю (относительно отрицательного провода входного напряжения), в обмотке I начинает линейно нарастать ток, а на обмотке II появляется напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации Т1 (UoutInv). Но полярность этого напряжения оказывается отрицательной (на верхнем по схеме выводе обмотки II, точка b), поэтому диод VD1 закрыт и напряжение на выходной конденсатор С2 не проходит. За промежуток Ton (от t0 до t1) ток через обмотку I линейно нарастает до значения Imax, и энергия запасается внутри трансформатора Т1 в виде магнитного поля.


Рис. 2

В момент времени t1 ключ Sw резко закрывается, ток через обмотку I прекращается и в ней возникает ЭДС самоиндукции, направленная так, чтобы продолжить прекратившийся ток. В этот момент обмотка I сама становится источником напряжения. Так получается потому, что энергия в катушке индуктивности запасается в виде тока (на самом деле, в виде магнитного поля, но он пропорционален току через катушку, поэтому формула энергии в катушке A = LI²/2), но по закону сохранения энергии она не может исчезнуть бесследно, она должна куда-то перейти. Следовательно, ток в катушке не может прекратиться мгновенно, поэтому катушка сама становится источником напряжения, причем любой амплитуды (!) – такой, чтобы обеспечить сразу после закрытия ключа продолжение того же самого тока Imax. Это является первой важной особенностью катушки индуктивности, которую следует запомнить – при резком прекращении тока в катушке, она становится источником напряжения любой амплитуды, пытаясь поддержать прекратившийся в ней ток, как по направлению, так и по амплитуде. Какой же именно «любой» амплитуды? Достаточно большой, чтобы, например, вывести из строя высоковольтный ключ или образовать искру в свече зажигания автомобиля (да, в зажигании автомобиля использует именно это свойство катушек индуктивности).

Все, что описано выше так и происходило бы, если бы обмотка I была единственной обмоткой трансформатора Т1. Но в нем еще есть обмотка II, индуктивно связанная с I. Поэтому, в момент времени t1 в ней тоже возникает ЭДС, направленная так, что в точке b оказывается плюс по отношению к земле. Эта ЭДС открывает диод VD1 и начинает заряжать конденсатор C2 током I2max. Т.е. заряд конденсатора C2 и передача энергии в нагрузку происходит в тот момент времени, когда ключ Sw закрыт. Именно поэтому источники питания, построенные по такому принципу, называют обратноходовыми – потому что в них нет прямой передачи энергии из высоковольтной части в низковольтную, энергия сначала запасается в трансформаторе, а потом отдается потребителю.

В интервал времени от t1 до t2 линейно спадающий от I2max до 0 ток I2 вторичной обмотки поддерживает магнитное поле внутри катушки в соответствии с законом сохранения энергии и не дает напряжению на первичной обмотке (т.к. они индуктивно связаны) вырасти до неконтролируемого значения. Напряжение на обмотке I в этот момент становится равно напряжению выхода, умноженному на коэффициент трансформации Т1. Однако, полярность этого напряжения такова, что оно складывается с входным напряжением Uin и прикладывается к закрытому ключу Sw. Т.е. на закрытый ключ Sw прикладывается напряжение больше входного! Это также является важной особенностью ОИП, которую следует запомнить.

В момент времени t2 энергия, запасенная в трансформаторе Т1 заканчивается, диод VD1 закрывается, напряжение в точке b становится равным нулю, в точке a – входному напряжению питания, и все процессы в схеме прекращаются до момента t3, когда весь цикл повторяется с самого начала. При этом, в интервалах времени t0-t1 и t2-t4 питание нагрузки осуществляется исключительно за счет энергии, запасенной выходным конденсатором С2.

Описанный режим работы ОИП называется режимом разрывных токов – т.е. за интервал Toff (t1-t3) вся энергия, запасенная в трансформаторе Т1 передается в нагрузку, поэтому, в момент t3 ток через первичную обмотку I начинает нарастать с нуля. Существует также режим неразрывных токов, когда на момент t3 некоторая часть энергии еще продолжает находиться в трансформаторе Т1, и ток через обмотку I в момент t3 начинается не с нулевого значения. Данный режим имеет свои особенности, преимущества и недостатки, о которых мы поговорим в следующий раз.

Итак, какими основными особенностями обладает ОИП в режиме разрывных токов? Выпишем основные пункты:

  1. Передача энергии от источника к потребителю в ОИП не идет напрямую, энергия сначала запасается в трансформаторе, а затем передается в нагрузку. Это однозначно определяет фазировку первичной и вторичной обмоток, а также заставляет использовать только однополупериодный выпрямитель на выходе блока. Также отсюда следует неявный вывод 2, который, как показала моя личная практика, к сожалению, не до конца понимают даже достаточно опытные конструкторы блоков питания.
  2. Максимальная мощность, которую может выдать ОИП в нагрузку, кроме всего прочего, ограничена максимальным количеством энергии, которую может запасти трансформатор! А это, в свою очередь, определяется конструктивными особенностями сердечника и не зависит от обмоток и количества их витков (ниже в статье я рассмотрю данный «парадокс» отдельно и приведу математические доказательства). Эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные мощности.
  3. Низковольтная цепь ОИП состоит из диода, конденсатора и, возможно, дополнительных фильтрующих элементов. Однако, в ОИП первым всегда стоит диод, затем идет конденсатор и никак иначе.
  4. В установившемся режиме работы ОИП количество энергии, полученное первичной обмоткой I трансформатора Т1 за время Ton равно (без учета потерь) количеству энергии, отданному обмоткой II за время Toff. Поскольку скорость приема или отдачи энергии катушкой определяется напряжением на ней, то зависимость между напряжением «заряда» и «разряда» определяется именно интервалами Toff и Ton. Т.е., по сути, в самом сложном режиме работы блока Duty cycle (коэффициент заполнения, D), равный Ton/(Ton + Toff) определяет отношение обратного напряжения на обмотке I к напряжению питания Uin. Этот пункт будет пояснен подробнее ниже.
  5. По закону сохранения энергии, ток I2max, отдаваемый обмоткой II в нагрузку в момент времени t1 численно равен току Imax, только что протекавшему в первичной обмотке, умноженному на отношение количества витков в обмотке I к количеству витков в обмотке II (пояснение ниже).
  6. Импульсное значение тока I2max значительно превышает средний выходной ток блока питания (в 2.5 и более раз), поэтому на выпрямительном диоде VD1 может рассеиваться значительная мощность. Именно эта особенность ограничивает применение ОИП там, где нужны большие выходные токи.
  7. То же самое (высокое импульсное значение тока) относится и к вторичной обмотке II.
  8. Обратное напряжение на диоде VD1 в несколько раз выше выходного напряжения. Это происходит из-за того, что обычно обратное напряжение на первичной обмотке (которое является прямым для диода) выбирается в несколько раз ниже входного, поэтому входное (которое является обратным для диода) после трансформации оказывается в несколько раз выше выходного.

Пояснение к п. 4. Из физики мы помним формулу для катушки индуктивности:

U(t) = L*(dI(t)/dt),

которая означает, что напряжение на катушке прямо пропорционально ее индуктивности, умноженной на скорость изменения тока в ней. Что это нам дает? Прежде всего, то, что если мы прикладываем к катушке постоянное напряжение U, то скорость изменения тока в ней постоянна. Это позволяет переписать формулу для постоянного напряжения без дифференциалов:

U = L*(ΔI/Δt),

и именно в соответствии с этой формулой графики тока на рис. 2 прямые. Далее, если мы прикладываем напряжение Uin к катушке на время Ton, ток в ней возрастет до значения

Imax = Uin*Ton/L

Теперь мы хотим (в самом нагруженном режиме работы), чтобы вся энергия катушки, которую мы только что набрали, была передана в нагрузку за интервал Toff, т.е. на момент t3 ток в катушке должен упасть до нуля. Здесь для упрощения представим, что мы как подаем, так и снимаем напряжение/ток с одной и той же катушки I, позже я объясню, почему такое допущение возможно. Посчитаем, на какое напряжение мы можем «разряжать» катушку, чтобы ток в момент t3 достиг нуля:

Udis = L*Imax/Toff,

Подставляем и упрощаем:

Udis = L*Uin*Ton/(L*Toff) = Uin*Ton/Toff

Т.е. напряжение, на которое мы должны «разряжать» катушку в моменты закрытия ключа Sw зависит только от входного напряжения и интервалов «заряда»-«разряда». Вспомним формулу коэффициента заполнения D:

D = Ton/(Ton + Toff),

таким образом:

Udis = Uin*D/(1 – D)

Но, напряжение, на которое мы «разряжаем» катушку – это и есть то обратное напряжение, которое возникает в первичной обмотке в моменты закрытия ключа. Т.е. мы получили, что оно зависит только от входного напряжения и коэффициента заполнения D и определяется формулой:

Uinv = Uin*D/(1 – D)

При работе в реальных условиях значение коэффициента заполнения D будет меняться в зависимости от входного напряжения и нагрузки блока питания. Свое максимальное значение D будет принимать при минимальном входном напряжении и максимальной выходной мощности — этот режим работы считается самым сложным, и данное максимальное значение D и задается при проектировании блока. Что будет в те моменты, когда входное напряжение блока будет выше или нагрузка будет неполной? D будет принимать меньшие значения, т.к. от более высокого напряжения энергия быстрее «запасется» в первичной обмотке, или же (в случае меньшей нагрузки) надо просто «запасать» меньшее количество энергии. В любом случае, обратное напряжение на первичной обмотке будет всегда одинаковым, т.к. оно жестко связано с выходным напряжением, а то, в свою очередь, стабилизируется схемой. Итак, максимальное обратное напряжение на ключе равно:

Usw = Umax + Umin*D/(1 – D)

Это важный момент при проектировании ОИП, т.к. обычно максимальное обратное напряжение на ключе является исходным параметром, т.е. максимальный коэффициент заполнения D также является исходной величиной. На практике обычно применяют следующие максимальные значения D: 25% (1/4), 33% (1/3) и реже 50% (1/2). Как вы понимаете, в последнем случае максимальное обратное напряжение на ключе будет равно удвоенному минимальному входному напряжению, что усложняет выбор полупроводникового прибора. Более низкие максимальные значения D, в свою очередь, снижают максимальную мощность при том же токе Imax, затрудняют процесс управления ключом Sw и снижают стабильность работы блока.

Почему же здесь мы применили допущение, что мы как подаем энергию, так и снимаем ее с первичной обмотки I, и что будет в реальности, когда снимается энергия с катушки II? То же самое. Напряжение на выводах любой обмотки трансформатора пропорционально скорости изменения магнитного поля в сердечнике (а поле пропорционально току, поэтому напряжение пропорционально скорости изменения тока). Поэтому не важно, с какой обмотки мы будем снимать энергию, если мы будем делать это с одной и той же скоростью, магнитное поле в трансформаторе будет уменьшаться одинаково, а на выводах первичной обмотки будет одно и то же напряжение. Но на какое напряжение надо «разряжать» вторичную обмотку, чтобы снятие энергии происходило с той же самой скоростью? Для этого сначала рассмотрим ток во вторичной обмотке.

Пояснение к п. 5. Пусть обмотка I имеет N1 витков, в то время как обмотка II – N2. Магнитное поле создается током, проходящим через каждый виток катушки, т.е. оно пропорционально произведению I*N. Тогда, получаем Imax*N1 = I2max*N2 (исходя из того, что обе обмотки намотаны в абсолютно одинаковых условиях), отсюда начальный ток вторичной обмотки:

I2max = Imax*N1/N2

Итак, ток во вторичной обмотке будет в N1/N2 раз выше, чем в первичной. Но на какое напряжение мы должны «разряжать» вторичную обмотку, чтобы к моменту t3 потратить всю энергию, запасенную в трансформаторе? Очевидно, что делать это мы должны с точно такой же скоростью; т.е. в каждый отдельный момент времени трансформатор будет терять одно и то же значение энергии dA(t). Но в первом случае dA(t) = Udis*I1(t)*dt (получено из A = W*T, W = U*I), а теперь это будет dA(t) = Uout*I2(t)*dt. Приравняем эти две функции:

Uout *I2(t) = Udis*I1(t), следовательно, в самом начале «разряда» моментальные мощности разряда должны быть равны:

Uout*I2max = Udis*Imax,

Uout = Udis*Imax/I2max = Udis*Imax/(Imax*N1/N2) = Udis*N2/N1

Т.е. для того, чтобы потратить всю энергию трансформатора к моменту t3, мы должны «разряжать» вторичную обмотку II на напряжение Udis*N2/N1, при этом ток разрядки будет линейно падать от Imax*N1/N2 до нуля. Таким образом, мы установили связь между выходным напряжением блока, количеством витков в обмотках и обратным напряжением на первичной обмотке трансформатора.

На этом сугубо теоретическая часть заканчивается, и мы можем перейти к практике. Первый вопрос, который, скорее всего, возникает на данный момент у читателя – это с чего вообще начать разработку ОИП? Ниже я приведу рекомендованную последовательность шагов. Начнем с ситуации, когда трансформатор планируется изготовить полностью самостоятельно (на него нет жестких ограничений).

  1. Определяем выходные напряжения и токи источника питания.
  2. Увеличиваем выходные напряжения на величину, падающую на выпрямительных диодах (VD1). Лучше всего воспользоваться справочной информацией, но в первом приближении можно брать 1В для обычных кремниевых диодов и 0.3В для диодов Шоттки. Особую точность следует соблюдать, когда ОИП имеет несколько выходных обмоток с разным напряжением, т.к. стабилизовать напряжение возможно только на одной из них.
  3. Считаем суммарную выходную мощность трансформатора.
  4. Считаем расчетную входную мощность блока как Pin = Pout/0.8 (здесь берется КПД блока 80%).
  5. Определяем частоту преобразования F. Обычно выбирается частота от 20КГц до 150КГц. Частоты ниже 20КГц могут быть слышны человеческому уху (блок будет «пищать»), частоты выше 150КГц накладывают более серьезные ограничения на элементную базу, также увеличиваются потери на переключение полупроводников (ключа и диодов). Увеличение частоты преобразования позволяет уменьшить габариты трансформатора, наиболее распространенный диапазон частот для ОИП: от 66 до 100 Кгц.
  6. Вычисляем максимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно оно вычисляется как выпрямленное напряжение сети +20%, т.е. Umax = Uсети*1.7 (391В для сети 230В). На это напряжение также должен быть рассчитан конденсатор входного фильтра (не менее 400В в данном случае).
  7. Вычисляем минимальное входное напряжение, от которого нам придется работать. Обычно вычисляется как минимальное допустимое рабочее напряжение -20%, минус просадка напряжения на фильтрующем конденсаторе за полупериод входного напряжения. Для сети 230В и емкости конденсатора входного фильтра из расчета не менее 1мкф на 1 ватт нагрузки, можно брать (в среднем) значение Umin = 220В. Если представить, что напряжение на конденсаторе вообще не просаживается от одного полупериода входного напряжения до другого, то Umin можно взять 260В.
  8. Определяем коэффициент заполнения D исходя из максимально допустимого обратного напряжения на ключе (считается по формуле Uinv = Umax + Umin*D/(1 – D)).
  9. Рассчитываем количество энергии, которую необходимо передать во вторичную обмотку за один импульс: Aimp = Рin*1s/F = Рin/F.
  10. Решаем систему уравнений для самого тяжелого режима работы: A = LImax²/2, Umin = LImax*F/D, получаем L = Umin²*D²/(2*Aimp*F²), Imax = Umin*D/(L*F) – это будет требуемая индуктивность первичной обмотки и максимальный ток, протекающий через нее.
  11. Исходя из полученного Imax выбираем ключ.
  12. Если Imax получился несколько больше, чем может обеспечить имеющийся (выбранный) ключ, меняем исходные параметры – увеличиваем D (насколько возможно исходя из допустимого обратного напряжения ключа), увеличиваем емкость фильтрующего конденсатора, чтобы поднять Umin. На первый взгляд может показаться удивительным, но максимальный ток в первичной обмотке не зависит от частоты – если всё подставить в формулы, получим Imax = 2*Pin/(Umin*D). Исходя из этой формулы, можно было рассчитать максимальный ток и на этапе 8 (сразу после выбора D), но там было бы сложно объяснить, откуда взялся такой расчет.
  13. Если значение Imax все равно оказывается больше допустимого и увеличить его никак нельзя, следует рассмотреть конструкцию ОИП в режиме неразрывных токов.
  14. Исходя из требуемой индуктивности первичной обмотки и максимального тока в ней, выбираем сердечник трансформатора, рассчитываем необходимый зазор и количество витков первичной обмотки (формулы будут ниже в статье).
  15. По формуле N2 = Uout*N1*(1 – D)/(Umin*D) рассчитываем количество витков вторичной обмотки.
  16. Определяем среднеквадратичное значение токов в обмотках трансформатора по формуле Irms = Imax*SQRT(D/3), исходя из которых рассчитываем диаметр провода, необходимого для намотки. Чаще всего в импульсных источниках питания применяется плотность тока от 2 до 5 А/мм².
  17. Мотаем трансформатор по всем правилам намотки трансформаторов для ОИП.
  18. Для того, чтобы убедиться в правильности намотки, измеряем индуктивность первичной обмотки.

Теперь немного рассмотрим сам трансформатор и его конструкцию. Традиционно для импульсных источников питания трансформатор изготавливается на каком-либо сердечнике, выполненном из материала с высокой магнитной проницаемостью. Это позволяет при том же самом количестве витков обмоток сильно увеличить их индуктивность, т.е. сократить количество витков для достижения заданной индуктивности, и, следовательно, уменьшить габариты намотки. Однако, применение сердечника добавляет и недостатки – за счет магнитного гистерезиса в сердечнике теряется некоторая часть энергии, сердечник нагревается, причем потери в сердечнике растут с увеличением частоты (еще одна причина, из-за которой нельзя сильно повышать частоту преобразования). Также добавление сердечника вносит новое, ранее нигде не озвучиваемое ограничение – максимально допустимую плотность потока магнитной индукции Bmax. На практике это проявляется в том, что если увеличивать ток через обмотку, в определенный момент времени, когда ток достигнет определенного максимального значения, сердечник войдет в насыщение и дальнейшее увеличение тока не будет вызывать такое же как раньше увеличение магнитного потока. Это, в свою очередь, приведет к тому, что «относительная индуктивность» обмотки резко упадет, что вызовет еще более быстрое нарастание тока через нее. На практике, если не предусмотреть защиту ключа Sw ОИП от входа сердечника в насыщение, ключ просто сгорит от перегрузки по току. Поэтому во всех схемах ОИП, за исключением простейших блокинг-генераторов, применяется контроль тока через ключ Sw и досрочное закрытие ключа при достижении максимально допустимого тока через первичную обмотку.

Насколько же велико это максимальное значение плотности потока магнитной индукции? Для наиболее распространенного материала сердечников – феррита – оно считается равным 0.3Т. Это – среднее значение, оно может отличаться для каждого конкретного материала, поэтому здесь неплохо обратиться к справочнику. Также, оно зависит от температуры сердечника и, как вы, наверное, уже догадались, падает с ее увеличением. Если вы проектируете ОИП, предназначенный для работы в экстремальных условиях, где температура сердечника может доходить до 125 градусов, уменьшайте Bmax до 0.2Т.

Основная формула, которой вам придется пользоваться при расчете трансформаторов – это индуктивность обмотки по ее габаритам:

L = (μ0*μe*Se*N²)/le, где

μ0 – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, 4πе-7,
μe – эффективная магнитная проницаемость сердечника,
Se – эффективная площадь сечения магнитопровода, м².
N – количество витков
le – длина средней магнитной линии сердечника, м

Плотность потока магнитной индукции в сердечнике:

B = (μ0*μe*I*N)/le, где

I – ток через обмотку, А

Таким образом, исходя из максимальной допустимой плотности потока магнитной индукции, максимально допустимый ток для обмотки будет равен:

Imax = (Bmax*le)/(μ0*μe*N)

А теперь еще один очень важный момент – на практике, если подставить реальные данные трансформатора в вышеприведенные формулы, окажется, что максимально допустимый ток в первичной обмотке оказывается в несколько раз меньше того, который нам нужен! Т.е. сердечник будет введен в насыщения еще до того, как мы сможем «вкачать» в него требуемую энергию Aimp. Так что же делать, не увеличивать же габариты трансформатора до неприличных значений?

Нет. Надо вводить в сердечник немагнитный зазор! Введение немагнитного зазора сильно снижает эффективную магнитную проницаемость сердечника, позволяя пропускать через обмотки значительно больший ток. Но, как вы понимаете, это потребует большего числа витков для достижения требуемой индуктивности обмотки.

Рассмотрим формулы для сердечника с зазором. Эффективная магнитная проницаемость сердечника с зазором:

μe = le/g, где

g – суммарная толщина зазора, м.

Следует отметить, что данная формула справедлива только если получаемая μe много меньше исходной магнитной проницаемости (несколько раз), а g много меньше размеров поперечного сечения сердечника. Итак, рассмотрим формулу индуктивности обмотки на сердечнике с зазором:

L = (μ0*Se*N²)/g

Формула от введения зазора стала только проще. Максимально допустимый ток через обмотку:

Imax = (Bmax*g)/(μ0*N)

Ну и последняя формула, которую можно вывести и самостоятельно. Размер зазора для заданного тока:

g = (I*μ0*N)/Bmax

А теперь сделаем интересный вывод. Как вы помните, энергия, запасенная в катушке, выражается формулой A = LI²/2. Так какую максимальную энергию можно запасти в каком-то абстрактном сердечнике? Подставим данные в формулы.

Amax = (μ0*Se*N²)*(Bmax*g) ²/((μ0*N) ²*2g) = Se*g*Bmax²/2μ0

Сейчас вы можете удивиться, но максимальная энергия, которую можно запасти в сердечнике, не зависит от того, какие обмотки на нем намотаны! Но это и логично, ведь энергия выражается в магнитном поле, а обмотки лишь позволяют его менять в ту или другую сторону! Количество витков в обмотках определяет только скорость, с которой магнитная индукция может достигнуть своего максимального значения при данном подведенном напряжении, но это максимальное значение определяется только конструкцией сердечника!

Данный вывод имеет огромное значение при проектировании ОИП на унифицированных сердечниках. Если перед вами стоит именно такая задача, то, прежде всего, вам необходимо рассчитать, какое максимальное количество энергии способен «впитать» выбранный сердечник за один импульс, чтобы понять, подходит ли он для вашей мощности блока. Как вы понимаете, в этом случае максимальную мощность блока можно повысить только за счет повышения частоты преобразования – чем чаще мы будем перекачивать энергию Amax от входа на выход, тем большую мощность блока в результате сможем получить.

Также, из полученной формулы видно, что количество энергии, которое может «уместиться» в сердечнике прямо пропорционально немагнитному зазору! Это позволяет использовать маленькие сердечники на больших мощностях за счет увеличения зазора в них. Ограничением теперь будет только физические размеры – увеличение зазора вызывает уменьшение магнитной проницаемости, что требует большее количество витков.

А теперь вернемся к структурной схеме ОИП на рис. 1. В ней остались два блока, о которых я ничего не сказал – это конденсатор С1 и снаббер Snb.

Назначение конденсатора С1 – заземление выходной части блока по высоким частотам. Дело в том, что любой трансформатор, даже намотанный по всем правилам с экранами, имеет какую-то межобмоточную емкость. Прямоугольное высокочастотное напряжение огромной амплитуды из точки а проходит через эту емкость в выходные цепи блока. Конденсатор С1, имеющий емкость намного больше емкости трансформатора Т1, заземляет выход блока по высоким частотам. Значение емкости этого конденсатора в ОИП чаще всего выбирают в районе 2нф, напряжение – около киловольта. Если предполагается жесткое заземление выхода блока (например, используется только розетка с заземлением), С1 можно не ставить.

Необходимость в Снаббере Snb также вытекает из неидеальности трансформатора Т1, но уже совсем другого рода. Не смотря на то, что обмотки I и II индуктивно связаны между собой, эта связь не составляет 100%. В схемотехнике ОИП принято говорить, что обмотка I представляет собой две части, соединенные последовательно, где первая полностью индуктивно связана с обмоткой II, а вторая – полностью изолирована от нее. Эту вторую часть обмотки I называют «индуктивностью рассеяния».

Когда в момент t1 ток в первичной обмотке (обоих частях ее) резко прекращается, индуктивность рассеяния также пытается его продолжить. А так, как она не связана ни с какой другой обмоткой, она генерирует высоковольтный импульс, прикладываемый к закрытому ключу Sw. Энергия этого импульса во много раз меньше полезной энергии Aimp (чем лучше трансформатор, тем она меньше вообще), но и ее может оказаться достаточно, чтобы повредить ключ (в случае с биполярным транзистором, например, ее вполне хватит для лавинного пробоя). Для защиты ключа от этого импульса, он гасится на специальном схемном решении.


Рис. 3

Самый простой вариант – RCD снаббер, выполненный из диода, конденсатора и резистора (см. рис. 3). Обратное напряжение, возникающее на обмотке I, открывает диод VD и начинает заряжать конденсатор С. В результате, вся энергия импульса передается в конденсатор. В перерывах между импульсами конденсатор разряжается через резистор R. Т.е. энергия, снимаемая с индуктивности рассеяния, превращается в конечном счете в тепло на резисторе R, поэтому мощность этого резистора должна быть значительной (достигает единиц ватт). Преимуществом снаббера можно считать его схемную простоту, и то, что часть энергии из конденсатора С можно выкачать обратно в трансформатор Т применяя медленный диод VD, но эти процессы уже несколько сложней нашей простой статьи. Основным же недостатком снаббера является то, что на нем падает и полезная мощность! Ведь рабочее обратное напряжение первичной обмотки Vinv также заряжает конденсатор до этого значения, т.е. полезная мощность Uinv²/R теряется впустую.

Схемным решением, лишенным этого недостатка является супрессор. Он представляет собой последовательно соединенный быстрый диод VD1 и мощный и быстрый стабилитрон VD2. Когда индуктивность рассеяния генерирует свой высоковольтный импульс, он открывает диод VD1, пробивает стабилитрон VD2 и энергия импульса рассеивается на нем. Стабилитрон VD2 выбирается с большим напряжением пробоя, чем обратное напряжение Uinv, поэтому он не рассеивает полезной мощности блока. К недостаткам супрессора можно отнести более высокий уровень электромагнитных помех, связанный с резким открытием и закрытием полупроводниковых приборов.

Что будет, если этот высоковольтный импульс не погасить ничем? В случае биполярного ключа, скорее всего, в нем возникнет лавинный пробой и блок питания перейдет в режим кипятильника. Современные же полевые транзисторы устойчивы к лавинному пробою и позволяют рассеивать некоторое количество энергии на стоке (это описано в документации), поэтому такой транзистор может работать и без снаббера или супрессора – его роль будет выполнять сам транзистор. Более того, я встречал некоторые дешевые китайские блоки питания, в которых так и было сделано. Однако, я настоятельно не рекомендую такой режим работы, т.к. он дополнительно снижает надежность блока. Супрессорный диод (стабилитрон) стоит очень дешево и рассчитан на колоссальные импульсные мощности (600W, 1.5KW), так почему бы не применять его по назначению?

Также из вышеописанного следует еще один вывод. Независимо от того, решили ли вы применять снаббер или супрессор, обратное напряжение на закрытом ключе будет еще выше, чем рабочее рассчитанное значение Usw! Это следует иметь в виду при выборе ключа.

Обычно современные ключевые транзисторы и микросхемы имеют допустимое обратное напряжение 600 – 800 вольт. При Umax = 391В, Umin = 220В, обратное напряжение на ключе Usw будет иметь следующие значения (в зависимости от D): D = 25%, Usw = 464B; D = 33%, Usw = 501B; D = 50%, Usw = 611B. Это означает, что для ключей с максимальным обратным напряжением 600В следует выбирать только D = 33% или меньше. Для ключей с обратным напряжением 700В можно выбирать D = 50%.

Ну и в завершении статьи приведу простой пример расчета ОИП. Допустим, мы хотим сделать простой блок питания, позволяющий получить на своем выходе 12В 1А. Рассчитаем его по пунктам:

  1. Выход блока – 12В 1А.
  2. До выходного диода (будем применять обычный кремниевый) должно быть 13В.
  3. Выходная мощность трансформатора – 13Вт.
  4. Расчетная входная мощность блока Pin = 13/0.8 = 16Вт.
  5. F = 100 КГц.
  6. Umax = 391В.
  7. Umin = 220В (емкость конденсатора входного фильтра – 22мкф).
  8. D = 33%, Uinv = 110В, Usw = 501В. Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
  9. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
  10. L = 1.65е-3Гн = 1.65мГн, Imax = 0.44А
  11. Производим выбор сердечника, расчет параметров намотки и зазора.

А теперь, для сравнения рассчитаем тот же ОИП для случая, когда допустимое напряжение сети может быть в интервале 85-230В. В чем будут отличия?
  1. Umax = 391B
  2. Umin = 85B (емкость конденсатора фильтра надо будет увеличить до 47мкф)
  3. D = 60%, Uinv = 128В, Usw = 519В, Будем ориентироваться на ключи с обратным напряжением 600В.
  4. Aimp = 16/100000 = 1.6e-4Дж = 160мкДж.
  5. L = 813мкГн, Imax = 0.63А

Заметьте, что параметры максимального тока через ключ изменились не столь значительно — с 0.44А до 0.63А, индуктивность упала в два раза, однако диапазон допустимых входных напряжений расширился очень существенно. В этом заключается еще одно преимущество ОИП — легкость в создании источников питания, работающих от широкого диапазона входных напряжений.

Возможно, в данной статье не до конца рассмотрены все нюансы построения ОИП, однако ее объем и так получился больше, чем планировалось. Но тем не менее, я надеюсь, что она сможет помочь начинающим радиолюбителям понять принципы и самостоятельно создавать обратноходовые источники питания.

Как работает демпферная цепь? Контрольно-измерительные приборы

Демпферная цепь — это одна из схем защиты тиристора от du / dt.

С помощью демпфирующей схемы можно предотвратить ложное включение тиристора из-за большого dv / dt.

How Snubber Circuit works How Snubber Circuit works

RC демпферная цепь для SCR dv / dt Защита:

Этот тип демпфирующей цепи состоит из последовательной комбинации сопротивления R и емкости C параллельно с SCR.

  • При приложении обратного напряжения инициируется процесс коммутации, и прямой ток, протекающий через тиристор, приближается к нулю.
  • Из-за индуктивности постоянный ток течет из-за смещения заряда на внешних переходах.
  • Когда он достигает пикового значения, он больше не может поддерживаться носителями заряда и очень быстро падает до нуля. Это вызывает скачок напряжения со значением L (di / dt).
  • Также, когда источник питания замкнут в цепи (на приведенном выше рисунке говорят, что переключатель S замкнут), внезапное напряжение появляется на SCR.
  • Теперь, когда ток тиристора равен нулю, это можно рассматривать как разомкнутый переключатель.
  • В этот момент конденсатор C ведет себя как короткое замыкание, и поэтому напряжение на SCR равно нулю.
  • С течением времени конденсатор C заряжается с медленной скоростью, так что dv / dt на конденсаторе и, следовательно, на SCR меньше указанного максимального номинального значения du / dt устройства.
  • Таким образом, конденсатор защищает SCR от высоких напряжений и высоких значений dv / dt.

На основании приведенного выше обсуждения мы можем сказать, что просто конденсатора C достаточно для защиты SCR от ложного срабатывания dv / dt.

Тогда каково назначение сопротивления R?

  • В RC-демпфирующей цепи сопротивление R ограничивает ток разряда конденсатора в момент срабатывания тринистора.
  • Перед срабатыванием SCR конденсатор C заряжается до полного напряжения V.
  • Если SCR срабатывает, когда напряжение на конденсаторе максимальное, он разряжается через локальный путь, образованный конденсатором C, сопротивлением R и SCR.
  • В это время, если сопротивление R не включено в цепь, ток разряда будет высоким и, следовательно, может повредить тиристор из-за большого di / dt.
  • Таким образом, сопротивление R в демпфирующей цепи снижает ток разряда конденсатора C и, таким образом, защищает SCR от больших di / dt.

На практике параметры R, C и тока нагрузки должны быть такими, чтобы

  1. dv / dt на C во время его зарядки было меньше указанного номинального значения du / dt SCR
  2. Ток разряда при включении SCR находится в разумных пределах.

Обычно параметры цепи R, S и нагрузки образуют незатухающую цепь, так что dv / dt ограничивается допустимыми значениями.

RC snubber circuits RC snubber circuits

В некоторых RC-демпферных цепях диод D подключается параллельно резистору R. Он используется для байпаса и, таким образом, обеспечивает улучшенную защиту от дв / вт.

.

Переключение тиристоров с использованием демпфирующей цепи

Демпферы — это цепи поглощения энергии, используемые для сглаживания скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи. Иногда из-за перегрузки по току, перенапряжения и перегрева компонент выходит из строя. Итак, для максимальной токовой защиты цепи мы используем предохранители в подходящих местах, а для перегрева мы используем радиаторы или вентиляторы.

Демпферные цепи используются для ограничения скорости изменения напряжения или тока (di / dt или dv / dt) и перенапряжения во время включения и выключения цепи.Демпферная цепь — это комбинация резисторов и конденсаторов, подключенных последовательно через переключатель, например, транзистор или тиристор, для защиты, а также для повышения производительности. В переключателях и реле также используются демпфирующие цепи для предотвращения дугового разряда.

В этом проекте мы покажем вам , как демпферная цепь защищает тиристор от перенапряжения или перегрузки по току. Схема состоит из демпфирующей цепи на тиристоре и схемы генератора частоты с использованием микросхемы таймера 555.

Необходимые материалы

  • Тиристор-TYN612 (SCR)
  • 555 таймер IC
  • Резистор (47к-2,10к-2,1к-1,150-1)
  • Конденсатор (0,01 мкФ, 0,001 мкФ, 0,1 мкФ-2)
  • Диод-1Н4007
  • Переключатель
  • Осциллограф (для подтверждения вывода)
  • Питание 9В
  • Соединительные провода

Принципиальная схема

Thyristor Switching Circuit diagram using Snubber

Часть 2 этой схемы используется для получения характеристики переключения тиристора со схемой демпфера.

Тиристор — TYN612

Здесь, в названии Thyristor TYN612 , «6» указывает значение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии, V DRM и V RRM составляет 600 В, а «12» указывает значение RMS во включенном состоянии. ток, I T (RMS) составляет 12 А. Тиристор TYN612 подходит для всех режимов управления, таких как защита от перенапряжения, цепи управления двигателем, цепи ограничения пускового тока, цепи зажигания емкостного разряда и цепи регулирования напряжения.Диапазон тока срабатывания затвора (I GT ) составляет от 5 мА до 15 мА. Диапазон рабочих температур от -40 до 125 ° C. Узнайте больше о тиристоре здесь.

Распиновка и схема тиристора TYN612

Thyristor TYN612 Pinout

Конфигурация выводов тиристора TYN612

Контакт NO.

Имя контакта

Описание

1

К

Катод тиристора

2

А

Анод тиристора

3

G

Затвор тиристора, используется для запуска

Проектирование демпфирующей цепи

Snubber Circuit

Как известно, демпферная цепь представляет собой комбинацию резистора и конденсатора.Конденсатор, используемый в цепи демпфера, может предотвратить нежелательное срабатывание dv / dt тиристора или тиристора. Когда напряжение прикладывается к цепи, внезапное напряжение появляется на переключающем устройстве. Конденсатор Cs ведет себя как короткое замыкание, что приводит к нулевому напряжению на тиристоре. По мере того как время идет, напряжение на конденсаторе Cs растет с медленной скоростью. Таким образом, значение dv / dt на конденсаторе C2 и тиристоре становится меньше, чем максимальное значение dv / dt устройства.

Теперь вопрос в том, какая польза от сопротивления R S ? Когда тиристор включен, конденсатор разряжается через тиристор и посылает ток, равный Vs / R S . Поскольку сопротивление достаточно НИЗКОЕ, di / dt будет иметь тенденцию быть достаточно высоким, что может повредить SCR. Так, для ограничения величины разрядного тока используется сопротивление R S .

Работа демпферной цепи

Схема разделена на две части.Первый используется в качестве схемы генератора частоты с использованием микросхемы таймера 555, выход которой используется для питания клеммы затвора тиристора. Вторая часть схемы используется для проверки переключения тиристора или тринистора со схемой демпфера и без цепи демпфера.

Вариант I: без демпферной цепи

Thyristor Switching Circuit diagram without Snubber

Thyristor Switching without Snubber Circuit

Когда цепь демпфера отсутствует на тиристоре, как показано на схеме выше, возникают всплески высокого напряжения, как вы можете видеть на форме волны ниже.Поэтому для сглаживания скачков напряжения мы используем демпферную цепь, которая предотвращает повреждение устройства из-за перенапряжения или ложного срабатывания dv / dt.

Thyristor Switching waveform without Snubber Circuit

Случай II: со схемой демпфера

Thyristor Switching Circuit diagram using Snubber

Thyristor Switching with Snubber Circuit

Когда цепь демпфера присутствует на тиристоре, она уменьшает или сглаживает скачки напряжения, как показано на диаграмме ниже. Таким образом, устройство не будет повреждено из-за перенапряжения, а также снижает значение du / dt устройства, чем максимальное значение.

Thyristor Switching waveform with Snubber Circuit

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о