Снаббер что это такое

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.

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:

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 ΔV₁и ΔV_2,при этом их величина С₂ будет прямо пропорциональна показателям паразитной индуктивности. Формула расчета емкости будет иметь такой вид:

Таким образом, становится ясно, что корректная типология и силового каскада, которая может обеспечить минимальную величину и значение L_DC 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 V_Rmax_;
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 V_Rmax= 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.

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

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:

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:

уменьшение начальной энергии импульса;
уменьшение паразитной индуктивности контура;
уменьшение паразитной ёмкости контура;
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:

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

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

P_Rsn=(1/2)*C_sn*U_in²*f_s, где U_in и f_s — 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:

Электрическая семерка реплика lotus seven › Бортжурнал › Вестник нищеброда часть4. Снабберы и защита от сверхтоков.

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

Полный размер

Я использую для управления силовыми ключами микросхему IR2127S. Суммарная емкость затворов силовых мосфетов большая, и по току их перезарядки она получается слабовата, для ее усиления стоит двухкаскадный усилитель на транзисторах irf.ru/techdoc/dt92-2.pdf
У этой микрухи есть вход защиты по току, если напряжение на нем превысит 250мВ то она выключается и выдает сигнал fault на процик, который на жк дисплей выводит номер ошибки, рубит все и уходит в нирвану до перезагрузки. Я использую схемку которая смотрит напряжение на открытом переходе мосфета, сопротивление которого в моем случае 25.5 милиОм на корпус, и при токе 45А на корпус схема сработает при напряжении на стоке 1.25В. На фотке некоторые номиналы чип резисторов изменены в ходе настройки, не копируйте.

Полный размер

Оценка потери мощности снаббера

9 января 2018

Рейли Лан, Назарено (Рено), Розетти (Maxim Integrated)

Представьте ситуацию: ваш клиент обеспокоен. Он думает, что резистор, стоящий в цепи снаббера (или демпфера) регулятора напряжения, перегревается, и подозревает, что это вызовет отказы при эксплуатации. Меж тем миллионы изделий уже изготовлены и отгружены. Клиент находится перед вашей дверью и собирается просить о помощи. Что вы можете порекомендовать?

Зачем нужен снаббер?

Рассмотрим теорию использования снаббера. На рисунке 1 показан типовой понижающий преобразователь с RC-цепочкой, выполняющей роль снаббера (SNUBBER). Без снаббера в точке Vx – верхняя точка конденсатора – может возникнуть «звон» (высокочастотные колебания, мешающие нормальной работе DC/DC-преобразователя, прим. переводчика). Это может случиться в течение определенного времени, когда второй транзистор включается, не дождавшись полного выключения первого. В течение этого периода времени выходной контур (OUTPUT LOOP) закорочен только паразитными последовательными индуктивностями и параллельными емкостями транзисторов.

Рис. 1. Понижающий DC/DC-преобразователь c RC-снаббером

Теоретически амплитуда звона может в два раза превышать входное напряжение. Плохая трассировка печатной платы также может стать источником звона в цепи. Звон вызывает электромагнитные помехи (EMI) – как излученные, так и наведенные, – которые могут привести к превышению токами и напряжениями транзисторов их предельных пороговых значений, что может вызвать отказ всей схемы. Цепь RC-снаббера уменьшает звон до безопасных величин за счет рассеивания мощности его паразитных колебаний на резисторе.

Отладка

Вернемся к исходной ситуации. Вы посещаете лабораторию клиента и смотрите на переполненную печатную плату с установленным регулятором напряжения. Небольшой ЧИП-резистор с сопротивлением 4,7 Ом и размерами 2х1,2х0,45 мм (размер корпуса 0805) едва заметен. Мог ли он повлиять на работу схемы и нарушить ее?

Клиент объясняет причины своего беспокойства. Резистор, в соответствии со спецификацией, рассчитан на мощность 125 мВт, а расчеты показывают, что он рассеивает больше, чем его номинальная мощность. Расчет рассеиваемой мощности RC-снаббера для напряжения прямоугольной формы V с частотой f определяется простой формулой:

$$P=C\times V^{2}\times f=680\; пФ\times 19.52\; В\times 500\; кГц=129\;мВ$$

Проблема заключается не только в том, что рассеиваемая мощность немного (на 4 мВт) выше номинальной мощности резистора. Золотое правило заключается в том, что для обеспечения запаса по мощности необходимо применять резистор с номинальной мощностью в два раза больше рассеиваемой. Следовательно, номинальная мощность резистора отличается более чем на 100%. Так это или не так?

Источник формулы P = CV²f

Одной из наиболее популярных формул в электронике является P = CV²f. Чтобы доказать это, рассмотрим рисунок 2 , где напряжение в точке Vx (рисунок 1) представлено источником напряжения, приложенным к демпфирующей цепи с указанными на схеме значениями.

Рис. 2. Упрощенная схема демпфера

При положительном скачке напряжения ток через снаббер определяется формулой:

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

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

Мощность, рассеиваемая на резисторе, определяется следующим уравнением:

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

Переход от мгновенной мощности к средней требует интегрирования по времени, а именно – расчета энергии. Заметим, что интеграл по полупериоду T/2 для повторяющегося прямоугольного сигнала будет давать практически тот же результат, что и при RC << T.

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

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

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

Средняя рассеиваемая мощность – это энергия E, разделенная на период T:

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

где f – частота источника напряжения прямоугольной формы.

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

Конечное время нарастания и спадания фронта импульса

Измерение напряжения на входе демпфера (точка V_х на рисунке 1) показывает, что нарастание и спад происходят достаточно быстро. Напряжение поднимается до 19,5 В и опускается до 0 В за 10 нс. Имеет ли это существенное значение? Возвращаясь к расчету, мы повторяем те же вычисления, что и выше, но на этот раз – учитывая время нарастания (рисунок 3).

Рис. 3. Нарастание и спадение сигнала

Уравнения ниже описывают энергию E_r1 и E_r2, связанную со временем нарастания Т_r и Т_ON соответственно:

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

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

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

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

Аналогичный набор уравнений получен для спадающего фронта:

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

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

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

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

Общая средняя мощность рассеяния представляет собой сумму четырех энергий, умноженную на частоту источника напряжения.

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

Тем не менее, мы обнаруживаем, что расчет потери мощности в случае для неидеального импульса немного сложнее.

Упрощение формул

Делая расчет схемы, показанной на рисунке 2, мы считали, что постоянная времени RC-демпфера мала по сравнению с продолжительностью Тr нарастания фронта импульса, а также что временные интервалы нарастания и спада импульса одинаковы.

$$\tau =R\times C=4.7\;Ом\times 680\;пФ=3.2\;нс<T_{r}=10\;нс$$

Следовательно

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

Это позволяет упростить формулу мощности для неидеального импульса:

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

где поправочный коэффициент α определяется следующим образом:

$$\alpha =2\times \frac{\tau}{T_{r}}\times \left(1-\frac{\tau}{T_{r}}\right)=0.43$$

Следовательно, реальная мощность, рассеиваемая в сети RC, составляет менее половины от предполагавшейся в соответствии с формулой $P=C\times V^{2}\times f$ и равна значению:

$$129\;мВт\times 0.43=56\;мВт$$

Этот результат с точностью до 1 мВт совпадает с вычислением. Итак, типоразмер 0805 вполне достаточен, чтобы резистор 1/8 Вт рассеивал в два раза большую мощность, при этом все же соответствуя «золотому правилу» заказчика.

Вы можете жить еще один день.

Рассмотрим случай, когда

$$T_{r}<<\tau:$$

$$\tau =R\times C=4.7\;Ом\times 680\;пФ=3.2\;нс>>T_{r}=0.1\;нс$$

Тогда поправочный коэффициент будет следующим:

$$\alpha^{´}\simeq \left(1-\frac{T_{r}}{\tau } \right)=0.97$$

Другими словами, здесь лучше всего работает формула ступенчатой функции, посчитанная ранее. Наконец, для $T_{r}\approx \tau$

приближение, которое работает лучше всего – это:

$$\alpha^{´´}\simeq \frac{1}{3}$$

Проверка с помощью Simplis

Описанное выше – это вычисления мощности рассеивания и, в целом, общеинженерный вариант подхода к проблеме. Для этого потребовалось вспомнить курсы физики и математики в применении к электрическим схемам. С помощью компьютера вы можете легко смоделировать схему в программе Simplis и получить ответ простым способом.

На рисунке 4 показаны графики мощности, напряжения и тока для случая ступенчатой функции, моделируемой в Simplis.

Рис. 4. Моделирование снаббера в Simplis для ступенчатой функции на входе

Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет 81 Вт, что говорит о неблагоприятной ситуации в пике.

Метки (R1) (Y2) в середине рисунка 4 указывают, что средняя рассеиваемая мощность составляет 129,28876 мВт, что хорошо согласуется с предыдущим расчетом.

На рисунке 5 показаны формы мощности, напряжения и тока для моделируемого в Simplis второго случая (с реальным временем нарастания и спада).

Рис. 5. Моделирование снаббера в Simplis для входного напряжения с медленно изменяющимися фронтами

Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет всего 7,5 Вт, что говорит в пользу такого варианта. Метка «Power (R1)(Y2)» в верхней части рисунка 5 также сообщает о средней рассеиваемой мощности 57,383628 мВт, что совпадает с приблизительным расчетом с точностью до 1 мВт.

Работа многих схем DC/DC-преобразователей может быть улучшена при наличии демпфирующей цепочки в точке Vх. С практическими примерами конструирования понижающих преобразователей (в частности – c линейкой Himalaya производства компании Maxim Integrated) и снабберными цепочками можно ознакомиться по ссылкам, приведенным в конце статьи.

Заключение

Мы проанализировали рассеивание мощности на снаббере с нескольких сторон и показали разные способы правильной оценки связанных потерь мощности. Возвратимся к исходной постановке задачи: в конце концов, выяснилось, что проблема была не в цепи RC-снаббера, и поведение схемы было вызвано плохой пайкой. Но не мешает напомнить: разработчику необходимо иметь в арсенале несколько рабочих инструментов, и что еще более важно – в каждой возникшей ситуации найти самый подходящий.

Литература

Himalayas Step-Down Switching Regulators and Power Modules, Maxim Integrated product page;
«R-C Snubbing for The Lab» Maxim Integrated Application Note 907, December 27, 2001.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

Как устроен блок питания, часть 4

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Затем вторичную, иногда в два и более проводов.

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

В целях безопасности изолируем всю конструкцию.

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

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

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

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

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

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

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

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

Снабер — Вікіпедія

Снабер — це демпфуючий пристрій, що працює як фільтр низької частоти, який виконує замикання на собі струму перехідного процесу. Основне призначення пристроїв комутаційного захисту (снаберів) полягає в розвантаженні напівпровідникових приладів від комутації потужності та пов'язаних з цим комутаційних втрат. Крім того, усуваються або послабляються також інші негативні явища, пов'язані з комутацією: комутаційні перенапруги, радіозавади та завади системам керування.

Класифікація снаберів[ред. | ред. код]

За видом основної функції виділяють:
- Снабери вимикання або ємнісні;
- Снабери ввімкнення або індуктивні.
За ступенем інтеграції відрізняють:
- Індивідуальні;
- Групові;
- Загальні.
В залежності від використання енергії комутації:
- Снабери з поглинанням;
- Снабери з поверненням.

Використання снаберів у схемах захисних ланок[ред. | ред. код]

Схеми снаберів використовують при підключенні тиристорів та транзисторів різних типів, частіше MOSFET та IGBT. Основною задачею снаберних схем стає поглинання надлишкових викидів струму або напруги з ключів, які можуть призвести до порушення роботи схеми або їх пробою. У різних схемах снабери можуть бути представлені по-різному. Виділяють такі схеми, як C-, RC-, RCD- снабери, снабери на основі варісторів та супресорів.

С — Снабери[ред. | ред. код]

Підключення С-снабера до IGBT-транзистора

Найпростішим способом обмеження викидів напруги є використання снаберної ємності у вигляді високовольтного конденсатора, який необхідно паралельно підключити до виводів живлення. Дія конденсатора як основного елемента снабера зводиться до затримання наростання напруги на приладі, що вимикається, та зменшенню, як наслідок, потужності тепловиділення в ньому. Розглянутий снабер не забезпечує повного розвантаження напівпровідникового приладу від комутації потужності, тому що потужність тепловиділення на інтервалі спаду струму t₀...t₁ відрізняється від нуля.^[1] У схемах перетворювачів важливою при конструюванні є силова шина, яка повинна бути виконана якомога більш короткою та широкою. Під час комутації на шині з'являється незначна індуктивність, якої необхідно позбутися. Для цього найпростішим варіантом є використання снаберної ємності. Типово, для схем потужністю до 200 Вт розмір ємності становитиме від 0.1 до 0.2 мкФ. С-снабер використовують у більшості інверторів середньої та великої потужності.^[2]^[3]

RC — Снабери[ред. | ред. код]

Підключення RC-снаберу до транзистору

Даний тип подібний до попереднього, тільки з введенням у схему послідовно під'єднаного резистора. За допомогою такої ланки є можливість поглинання паразитних генерацій у схемі, які з'являються внаслідок ємності снабера та індуктивності шини. Ємність транзистора помічається між стоком та витоком (C_oss) та є номінальним параметром із документації.^[2] Дана ланка RC — є найбільш оптимальною для поглинання власних паразитних ємностей транзистора. Резистор R потрібен для обмеження струму розряду конденсатора при ввімкненні керованого ключа. Чим більше величина R, тим менше розрядний струм, але більше час розряду, що обмежує знизу час ввімкненого стану VS та діапазон регулювання напруги при ШІМ.^[1] Використовуються, як правило, для низьковольтних схем побудованих на MOSFET транзисторах, що комутують великі струми.^[2]

Захист від перенапруги IGBT-транзистора за допомогою RCD-ланки

RCD — Снабери[ред. | ред. код]

Снабер приєднується паралельно приладу VT, що захищається, та містить конденсатор С як основний елемент і розрядні резистор R та діод VD. Дана ланка снабера складена з діоду, конденсатору та резистору. Разом вони виконують функцію розряду та обмежування струму. Дія конденсатора як основного елемента снабера зводиться до затримання наростання напруги u_v на приладі, що вимикається, та зменшенню, як слідство, потужності u_vi_v тепловиділення в ньому.

З початком спаду струму в приладі різниця струмів i_c = і - i_v потече через діод VD в конденсатор і напруга на ньому почне наростати.

Після вимикання транзистора у момент t₁, якщо при цьому u₀<u_v, конденсатор продовжує заряджатися струмом і, поки напруга на ньому не досягне u. Введення до схем діоду VD додатково знижує наростання напруги при розряді конденсатора. Даний снабер використовується з IGBT-транзисторами, проте через складність виконання схеми його використовують доволі рідко.^[1]

Супресори[ред. | ред. код]

Позначення супресорів. а)Симетричні; б)Однонаправлені

Один з класів напівпровідникових діодів, що називається НОП (напівпровідниковий обмежувач напруги) або супресор. У зарубіжній технічній літературі використовується назва TVS-діод (Transient Voltage Suppressor). Використовуються у електроніці для захисту від перенапруг, які можуть виникати внаслідок викидів напруг на силових трансформаторних підстанціях. Супресори використовують частіше у імпульсних блоках живлення, а також для захисту різної чутливої апаратури.^[4]

Варистори[ред. | ред. код]

Позначення на схемі

Варистор (англ. vari(able) (resi)stor — змінний резистор) — напівпровідниковий резистор, електричний опір (провідність) якого нелінійно залежить від прикладеної електричної напруги; іншими словами, який має нелінійну симетричну вольт-амперну характеристику та два виводи.

Застосування[ред. | ред. код]

Низьковольтні варистори виготовляють під робочу напругу від 3 до 200 В та струм від 0,1 мА до 1 А; високовольтні варистори — під робочу напругу до 20 кВ.

Варистори застосовують для стабілізації та регулювання низькочастотних струмів і напруги; в аналогових обчислювальних машинах — для реалізації підняття до степеня, добування коренів та інших математичних дій; для захисту від перенапруги (наприклад, високовольтні лінії електропередачі, лінії зв'язку, електричні прилади) та ін.

Високовольтні варистори застосовують для виготовлення обмежувачів перенапруги.

Як електричні компоненти, варистори дешеві і надійні, здатні витримувати значні електричні перевантаження, можуть працювати на високій частоті (до 500 кГц). Серед недоліків — значний низькочастотний шум та старіння — зміна параметрів з часом і при коливаннях температури.

Порівняльна таблиця снаберних ланок[ред. | ред. код]

Окрім основних схем захисних ланок снаберів також використовуються такі схеми, як супресори та варістори. Така різноманітність схем пов'язана з параметрами таких ланок та їх можливостями у електричному колі. До основних параметрів снаберів відносять власну пробивну напругу, потужність, ККД, та швидкодію. В залежності від різних схем та потреб обирають необхідну снаберну ланку. Серед усіх обмежувачів супресори мають найбільшу швидкодію. Для схем, де має місце велика потужність та довжина імпульсу кращими для використання будуть варістори.

В таблиці наведені орієнтовні характеристики основних типів снаберів:

Тип снабера	C	RC	RCD	Супресор	Варістор
Потужність, при якій застосовується	Середня та висока потужності	Середня потужність	Висока потужність	Середня потужність	Висока потужність
ККД	Низький ККД	Високий ККД	Високий ККД	Високий ККД	Високий ККД
Швидкодія	Висока швидкодія	Середня швидкодія	Середня швидкодія	Середня швидкодія	Низька швидкодія

https://web.archive.org/web/20161224030711/http://radiohlam.ru/teory/snubber.htm
http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03_05/stat_50.htm
http://svarka-master.ru/zashhita-ot-perenapryazheniya-chto-vy-brat/

Power Electronics • Просмотр темы

valvol писал(а):

Конечно для любителя, делающего аппарат для себя, законы не писаны (отвечать будет перед самим собой),

А, собственно, о чём речь?
Убедить кого-то в том, что хорошее лучше, чем плохого?
- Так я много народу видел, которые считают, что лучше попроще, не важно, сколько им потом это будет стоить.
Беда не в том, что они для себя создают проблемы от кажущейся простоты, а в том, что пытаются убедить других в правильности их точки зрения.
Так вот, для этих других, кто ещё не выбрал, что лучше - простота, или надёжность, скажу:
Надёжность в результате дешевле, экономит не только деньги, но и время, которое есть Ваша жизнь!
Это было вообще. Теперь про снабберы в частности.
Бытует мнение, что сварочные аппараты чаще всего вылетают при повышенном напряжении сети. А если присмотреться, так это как - раз те аппараты, у которых со снабберами слишком просто, или их вообще нет.
Я для себя точно выяснил, что риск вылета транзисторов резко возрастает при пиковой мощности потерь на фронтах, превышающей 3 КВт, дальше всё зависит от интеграла этой мощности, то есть, от длительности этого пика, и частоты. Видимо, создаётся какой-то локальный перегрев в кристалле, при котором тепло не успевает рассосаться по кристаллу и уйти на радиатор. При повышении напряжения в сети, эта мощность растёт быстрее, чем напряжение, в конце концов появляется известный пушистый зверёк и накрывает всё медным тазиком.

И ещё.
Мне всё же непонятно. На старом форуме, кажется, выяснили про снабберы всё, нашли такой, который обеспечивает косому мосту идеальное переключение, почти без потерь, простой, как грабли, уж во всяком случае, проще, чем RCD, практически не требует переделки косого моста, загоняет трансформатор в сторону, противоположную насыщению, и что, никому это не надо?
Или народ как во всё времена, неприемлет хоть и хорошее, но новое?
Или просто потому, что не может быть пророков в своём отечестве?

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания в качестве схемы ограничения перенапряжения на ключевом транзисторе, возникающего в процессе коммутации. Целью полезной модели является повышение КПД преобразователя за счет уменьшения потерь в снабберных цепях и регенерации энергии, запасенной в снаббере, в питающую сеть и нагрузку. Данная цель достигается за счет того, что снабберная цепь (фиг.3), содержит два диода, причем необходимо, чтобы диод VDsn был диодом с быстрым восстановлением, а диод VDsn* с временем восстановления в 510 раз больше чем у диода VDsn. Благодаря этому свойству диода VDsn* конденсатор может отдать часть запасенной в нем энергии через него в первичную обмотку трансформатора и далее в нагрузку, тем самым снижая энергию, рассеиваемую на резисторах Rsn и Rsn*, что и приводит к увеличению КПД преобразователя. Причем, для того чтобы значительная часть энергии запасенная в снаббере регенировалась во вторичную обмотку силового трансформатора необходимо соблюдение условия Csn*>>Csn и Rsn*>>Rsn. Также к преимуществам данного решения относится то, что незначительные изменения в схемотехнике типового снаббера с добавлением незначительного количества пассивных компонентов позволяют увеличить КПД преобразователя.

При работе преобразователя напряжения на ключевом транзисторе возникают перенапряжения, обусловленные как коммутационными процессами, так и процессами, связанными с перемагничиванием сердечника силового трансформатора. Эти перенапряжения достигают больших значений и могут привести к выходу из строя полупроводниковых приборов, а также способствуют увеличению уровня помех на входе преобразователя напряжения.

Из-за наличия индуктивности рассеивания LS силового трансформатора TV при закрытии транзистора VT на его стоке возможно появление коммутационного импульса напряжения. Так как до закрытия силового транзистора VT через него протекал ток Icm, то энергия, накопленная в индуктивности рассеивания LS. Закрытие транзистора VT сопровождается увеличением напряжения сток-исток Uси. Так как спад тока транзистора происходит за пренебрежимо малое время, то увеличение напряжения вследствие наличия индуктивности LS и емкости сток-исток Сси транзистора подчиняется синусоидальному закону (фиг.1).

Основным способом ограничения напряжения на транзисторе является применение демпфирующих RCD-цепей. При этом они работают только на ограничение коммутационного выброса напряжения (фиг.2).

Любая индуктивность при изменении тока в цепи стремится поддержать его на прежнем уровне. В данном случае ток изменяется скачком от максимума до минимума в момент закрытия ключевого полевого транзистора, при этом возникает ЭДС самоиндукции, значение которой превышает напряжение исток-сток в несколько раз, а если учесть, что к каналу прикладывается двойное ее значение, то транзистор может выйти из строя. Ему на помощь приходят так называемые снабберы, их задача снизить амплитуду этих выбросов и тем самым уберечь транзистор от пробоя. Снабберы включаются параллельно обмоткам трансформатора, причем если в них есть диод, то так чтобы ток открытого транзистора не проходил через него (т.е. в обратном направлении).

Для эффективного подавления выбросов мощность, выделяемая на снаббере, должна соответствовать 510% от выходной мощности преобразователя.

Широкое распространение получила RCD-цепь, показанная на фиг.2а. В момент закрытия транзистора VT реактивная энергия, запасенная в индуктивности первичной обмотки трансформатора T, передается через диод VD в конденсатор C. Во время открытого состояния транзистора VT диод VD закрыт, а конденсатор C разряжается в резистор R.

Демпфирующая цепь на фиг.2б по своему действию аналогична цепи на фиг.2а. Отличие от предыдущей схемы состоит в том, что конденсатор C разряжается через резистор R и источник питания.

Основная проблема данного решения - наличие высокочастотного дребезга после того, как демпфирующий диод закрылся - в индуктивности рассеяния осталось еще много энергии, и происходит резонансный процесс обмена энергией между индуктивностью рассеяния и некой комбинацией паразитных емкостей силового ключа и трансформатора.

Кроме того, в демпферах подобного типа энергия, накопленная в индуктивности рассеяния, бесполезно расходуется на нагрев резистора, что снижает общий КПД импульсного преобразователя. В обратноходовом преобразователе индуктивность рассеяния можно снизить за счет конструкции двухобмоточного дросселя (обратноходового трансформатора), при этом потери в демпфере составляют 3-10% от общей мощности, которыми часто пренебрегают, особенно в бюджетных решениях.

Известно устройство (патент US 6088247 «Voltage clamp» с датой приоритета от 26.05.1999 г., МПК H02H 7/122, H02M 3/335) в котором восстанавливается часть потерянной мощности в снаббере и сводятся к минимуму паразитные колебания после того как диод снаббера выключен. Для этого в схему обычного RCD снаббера включен «медленный» диод, время восстановления которого в 510 раз больше чем у «быстрого» диода снаббера, для правильной работы емкость снаббера должна быть значительно больше паразитных емкостей силового ключа и первичной обмотки трансформатора.

Когда силовой ключ выключен, ток снаббера возрастает до определенного значения I1, заряжая конденсатор снаббера. Далее ток I1 уменьшается до нуля, отдавая энергию в цепь питания, при этом резонансная частота индуктивности рассеяния и паразитной емкости первичной обмотки трансформатора намного меньше цикла работы силового ключа. Далее «быстрый» диод закрывается, и ток достигает значения - I2. «Медленный» диод остается в открытом состоянии, ток -I2 затухает через резистор шунтирующий конденсатор и «медленный» диод, отдавая энергию во вторичную обмотку трансформатора.

Недостатком данного решения является то, что энергия, запасенная в конденсаторе, возвращается в силовой трансформатор через резистор, шунтирующий «быстрый» диод, на котором выделяется часть мощности снаббера в виде тепла и снижается КПД преобразователя.

Известно устройство (патент US 7301788 «Power transform device and electronic device for reaching low acoustic noise», дата приоритета 26.07.2006 г., МПК H02H 7/122), в котором перераспределение мощности выделяемой на резисторе классического снаббера, осуществляется на нескольких резисторах, если напряжение на снаббере станет больше, чем напряжение пробоя супрессора, включенного последовательно одной RC цепи.

Недостатком данного решения является то, что энергия снаббера запасенная в конденсаторах рассеивается на резисторах в виде тепла и так же, как и в предыдущем случае, снижается КПД преобразователя.

Цель - повышение КПД преобразователя за счет уменьшения потерь в снабберных цепях и регенерации энергии, запасенной в снаббере, в питающую сеть и нагрузку, достигается за счет того, что снабберная цепь (фиг.3), содержит: первый конденсатор, подключенный одной обкладкой к шине питания и одному выводу первого резистора, другой обкладкой к катоду первого диода, второму выводу первого резистора и одной обкладке второго конденсатора, подключенного другой обкладкой к катоду второго диода и одному выводу второго резистора, второй вывод кот