СНАББЕР СИЛОВОГО ТРАНЗИСТОРА

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.
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 5…10% 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 5…10 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 которого подключен к общей шине; аноды первого и второго диодов подключены между первичной обмоткой трансформатора и одним выводом силового транзистора.
Устройство работает следующим образом. Когда транзистор закрывается, ток в первичной обмотке из-за индуктивности мгновенно прерваться не может. Поэтому ток закрывающегося транзистора становится током заряда конденсаторов Csn и Csn* через диоды VDsn и VDsn*, соответственно, и транзистор закрывается в режиме малого тока. Для достижения положительного эффекта необходимо, чтобы диод VDsn был диодом с быстрым восстановлением, а диод VDsn* с временем восстановления в 5…10 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.
Разряд конденсаторов Csn и Csn* осуществляется до напряжения равного суммарному напряжению входного и выходного напряжения умноженного на коэффициент трансформации (Uin+Uout*K) (напряжение «полочки»).
Снабберная цепочка VDsn, Csn, Rsn рассчитывается на демпфирование высокочастотных колебаний (10 мГц и выше), а цепочка VDsn*, Csn*, (Rsn*+Rsn) рассчитывается на демпфирование рабочей частоты преобразования.
Сущность технического решения поясняется диаграммами, приведенными на фиг.4, на примере обратноходового преобразователя фиг.5.
В момент времени 0-1 силовой транзистор VT1 под воздействием управляющего импульса на затворе с напряжением Ugs открыт и через него протекает ток Id.
Далее, силовой транзистор закрывается и в момент времени 1-2 происходит заряд малой емкости Csn через быстрый диод VDsn и начинается заряд большей емкости Csn* через медленный диод VDsn*.
В момент времени 2-3 диод VDsn закрывается и конденсатор Csn начинает разряжаться через резистор Rsn сам на себя и возникает затухающий колебательный процесс. Поскольку емкость конденсатора невелика, то и рассеиваемая мощность на резисторе незначительна. Конденсатор Csn* продолжает заряжаться.
В момент времени 3-4 напряжение на конденсаторе Csn* закрывает диод VDsn*. Вследствие своего особого свойства, а именно медленного восстановления, диод VDsn* начинает проводить ток в обратном направлении, разряжая емкость Csn* и Csn через первичную обмотку трансформатора, отдавая накопленную энергию в нагрузку.
В течение времени 4-5 диод VDsn* окончательно закрывается и конденсаторы Csn и Csn* продолжают разряжаться через резисторы Rsn и Rsn* во входную емкость до напряжения «полочки».
При следующем открывании силового транзистора, в течение времени 6-7, конденсаторы Csn и Csn* удерживают свой заряд на уровне напряжения «полочки».
Цикл повторяется.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что использование предлагаемого снаббера позволяет повысить КПД преобразователя на 3-4%.
Преимуществом данного устройства является то, что энергия, накопленная в индуктивности рассеивания, рекуперируется в энергию, запасенную в конденсаторе Csn*, большая часть которой возвращается через обмотки трансформатора в нагрузку и незначительно выделяется в виде тепла на резисторе. Кроме того, незначительные изменения в схемотехнике типового снаббера с добавлением незначительного количества пассивных компонентов позволяют увеличить КПД преобразователя.