Схема демпфирования ограничивает скачки напряжения в преобразователях частоты. Снабберы (или импульсные конденсаторы) также используются в выходах аудиоусилителей класса D по тем же причинам (рисунок ниже). Когда транзистор, который вы используете для переключения тока, отключается, он генерирует скачок напряжения, который может повредить устройство. Этот всплеск также будет генерировать электромагнитные помехи (EMI). Имейте в виду, что электромагнитные помехи создаются током в контуре. Если ваша демпфирующая сеть направляет ток по большой петле, она будет увеличивать, а не уменьшать EMI.
Все дело в индуктивности
Пики напряжения в электрической цепи вызваны дискретными индукторами, которые вы коммутируете. Индуктивность рассеяния трансформаторов выглядит как индуктивность, включенная последовательно с обмоткой идеального трансформатора, которая генерирует скачки напряжения. Дискретные индуктивности очевидны, если смотреть на вашу схему. Еще одной проблемой является вся паразитная индуктивность в проводах и дорожках печатных плат (PCB). Любой провод в пространстве имеет индуктивность. Разработка силовой электроники похожа на разработку радиочастотной схемы, где ваша печатная плата является компонентом.
Тот факт, что компоновка и конструкция печатной платы изменяет паразитную индуктивность, означает, что вам нужно будет построить и протестировать свои схемы питания для их оптимизации. Это, как правило, быстрее и дешевле, чем использование только систем моделирования для определения паразитной индуктивности на этапе проектирования. Глядя на аналогичные конструкции, вы можете получить представление о размерах компонентов демпфера.
Как избавиться от пиковых скачков напряжения
Простейшая демпфирующая цепь представляет собой последовательную RC-цепь на узле коммутатора (рисунок ниже). Конденсатор предотвращает протекание постоянного тока. Когда транзистор переключается, конденсатор переходит в состояние близкое к короткому замыканию и берет весь ток цепи на себя, а резистор ограничивает ток короткого замыкания. Одним из недостатков демпфирующей цепочки RC является то, что она увеличивает потери в силовой цепи добавляя потери в RC контуре к потерям в самом транзисторе.
При больших мощностях в RC цепочку последовательно включается диод, с помощью которого создается демпфирующая цепочка RCD (рисунок ниже). Диод блокирует любой ток в цепи при включенном транзисторе. Когда транзистор отключается, диод открывается, и ток протекает через резистор и конденсатор.
Конструкция снабберов
Корнелл Дубильер (Cornell Dubilier) имеет хорошее руководство по проектированию демпфирующих сетей. В руководстве есть раздел с кратким описанием проектирования и предложением, похожим на аналог: «Планируйте использование 2-ваттного резистора из углеродного состава». В руководстве отмечается, что проволочные резисторы вызовут проблемы, поскольку они имеют более высокую индуктивность. Даже у металлического пленочного резистора могут возникнуть проблемы, если заусенцы выполняется в форме спирали, имеющей индуктивность. Поскольку он является аналоговым компонентом, вы можете быть уверены, что резистор мощностью 2 Вт не подходит для преобразователя мощностью 1 Вт или инвертора мощностью 10 кВт.
В руководстве описан метод быстрого проектирования, а затем оптимизированный проект, который снижает номинальную мощность резистора в 5 раз и значение демпфирующего конденсатора в 3,5 раза. Эти выгоды предназначены для конкретной конструкции с определенной компоновкой печатной платы. Ваши изделия, несомненно, будут иметь отличия.
Одно из ценных замечаний в этом руководстве заключается в том, что узел коммутатора, который вы пытаетесь отключить, будет иметь характеристическое сопротивление, как и линия передачи. Вы хотите, чтобы размер демпфирующего резистора не превышал это характеристическое сопротивление, чтобы не возникало переходного напряжения при размыкании коммутатора.
Корнелл Дубильер также имеет гораздо более подробное руководство по проектированию демпферов. В этом руководстве намного больше математики, теории и диаграмм. Помните, однако, что вся теория бесполезна, если вы не создаете, не проводите испытаний и не оцениваете схемы демпфирования, которые разрабатываете.
Хорошая особенность резистора в RC-цепи состоит в том, что вы можете с его помощью вести замеры в реальном времени мгновенных значений токов (применение в качестве шунта) и напряжений, которые также находятся и на конденсаторе. В цепи RCD вы должны добавить шунт последовательно конденсатору. Это будет непросто для устройств поверхностного монтажа, но обычно вы можете разорвать дорожку печатной платы, чтобы подключить датчик тока в цепь. Все это высокочастотные сигналы, поэтому убедитесь, что у вас есть осциллограф и щупы с достаточной шириной полосы пропускания для измерения пиковых значений токов и напряжений.
Проблема с электролитикой
Опытные инженеры аналоговых систем знают, что есть много различных типов конденсаторов. Никакой физический конденсатор не является идеальным представлением «символа» вашей схемы или модели в моделировании. Электролитические конденсаторы имеют большие значения емкости и более дешевы. Используя диод в демпфирующей сети RCD, вы сможете обойти проблему, связанную с полярностью электролитических конденсаторов, и стоит помнить, что они взорвутся, если вы подключите их в обратной полярности.
Несмотря на это, электролитические конденсаторы не подходят для демпфирующих цепей, так как демпферы имеют очень большие пиковые токи, которые могут вызывать перегрев и повредить электролитический конденсатор. Что еще хуже, электролитические конденсаторы обладают ужасной надежностью, хуже, чем большинство пассивных или дискретных компонентов, за исключением, возможно, потенциометра. Это делает электролитические или танталовые конденсаторы плохим выбором для демпфирующих цепей.
Слюдяные и пленочные конденсаторы
Приятной особенностью справочника Корнелла Дубильера является то, что компания почти не зависит от типа используемого конденсатора. Руководство изначально рекомендует вам обратить внимание на слюдяные конденсаторы. Слюда подходит к идеальному конденсатору по многим параметрам. К сожалению, они имеют плохие свойства включения и, как правило, дорогие.
Вместо слюдяных конденсаторов ваша снабберная цепочка может использовать пленочные конденсаторы. Данный тип устройств может состоять из слоев фольги, и металлизированной пленки (рисунок выше). Слой фольги принимают более высокие пиковые токи. Фольга будет «заживать» после перенапряжения, когда пластиковый слой просто плавиться от короткого замыкания. Некоторые типы фольги имеют различную толщину, что дополнительно увеличивает емкость тока при одновременном уменьшении физических размеров (рисунок ниже). Полипропиленовая пленка является предпочтительной, поскольку полиэстер имеет более высокие потери, что делает его непригодным для использования с демпфирующими сетями.
Диэлектрики: друзья и враги
При небольших размерах и прочности вы можете рассмотреть керамические конденсаторы в демпфирующих цепях. Будьте осторожны с максимальным номинальным током конденсатора, который вы никогда не сможете превысить его без последствий для конденсатора, даже на мгновение. Керамика и металлизированная пленка также будут иметь ограничения переходного напряжения, возможно, до 50 В / нс. Благодаря гораздо более быстрому времени переключения силовых транзисторов на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) вы должны быть уверены, что работаете на переходной характеристике демпфирующего конденсатора.
Другая проблема с керамическими конденсаторами заключается в том, что они могут терять емкость в зависимости от температуры и приложенного напряжения. Это функция диэлектриков, используемых компаниями. Диэлектрик C0G имеет очень хорошую температурную стабильность, но он работает только в небольших диапазонах температур и стоит значительно дороже, чем другие диэлектрики.
Керамические конденсаторы работают
Несмотря на особенности керамических конденсаторов, их можно использовать в демпфирующих цепочках, если вы хорошо понимаете их преимущества и недостатки. Мурата описывает, как разные диэлектрики подходят для разных снабберных (демпфирующих) конденсаторов. Просто помните, что диэлектрики большой емкости имеют худшие температурные характеристики, поэтому их небольшой размер и низкая индуктивность приводят к необходимости более высоких значений для работы при повышенных температурах.
Производители транзисторов хотят, чтобы вы улучшали свои снабберные цепи. Соответственно, ROHM сравнивает использование пленочных и керамических конденсаторов (рисунок ниже). Здесь они базируются вокруг ограничений по напряжению и стоимости керамических конденсаторов, соединяя последовательно два блока из пяти керамических конденсаторов. Эти 10 устройств дают номинальное напряжение и значение, соизмеримые с одним пленочным конденсатором.
Результаты, полученные ROHM, показывают, насколько лучше керамические конденсаторы с демпфированием (рисунок ниже). Обратите внимание, что эти результаты относятся к SiC-транзисторам ROHM, которые переключаются очень быстро и нуждаются в оптимальной демпфирующей цепочке. Также обратите внимание, что компания не проводила испытания при повышенных температурах, при которых силовые цепи всегда работают. Вы несете ответственность за то, чтобы снаббер хорошо работал при высоких температурах, когда значение емкости падает.
Вы также должны проверить свою систему на «акустические проблемы» от керамических конденсаторов. Они работают как динамики и микрофоны. Если ваш преобразователь работает с частотой ниже 20 кГц, керамические снабберные конденсаторы могут создавать нежелательный шум. Обязательно найдите молодого человека, который будет слушать шум, так как кто-либо старше 35 лет не может слышать в диапазоне выше 15 кГц.
Сделано для снабберов
На APEC 2019 TDK представила свои конденсаторы для преобразователей частоты компания CeraLink. В ее керамических конденсаторах используется диэлектрик свинец-лантан-цирконий-титан (PLZT). Этот диэлектрик работает в нише с более высоким напряжением и большим значением емкости по сравнению с другими типами керамики (рисунок ниже). Конденсаторы CeraLink будут увеличивать емкость с приложенным напряжением. Они имеют те же проблемы с температурой, что и обычная керамика. TDK отмечает, что это может быть преимуществом, поскольку они не будут «поглотителями тока»; то есть, самый горячий параллельный конденсатор не будет увеличиваться в стоимости и потреблять больше тока — пока он не сгорит.
Такое разделение тока является критическим, поскольку конденсаторы CeraLink состоят из еще более плотной конфигурации, чем обычные стек конденсаторы MLCC (рисунок ниже). Предназначенный для звена постоянного тока в частотных преобразователях, высокая частота пульсаций тока CeraLink может также использоваться в демпфирующих цепях. В документации TDK CeraLink также упоминается физическое напряжение, которое импульс напряжения оказывает на керамический конденсатор. Если импульсы имеют большую частоту и большое значение пикового напряжения, это может вывести конденсатор из строя. Это еще одна причина, по которой вам нужно хорошо протестировать и измерить все параметры электрической цепи, что касается вашей конструкции снаббера, чтобы убедиться, что она будет работать в нужном диапазоне температур и с допустимыми значениями напряжений и пульсаций.
Выберите свой подход к разработке
Вы можете использовать проверенные снабберы на основе пленочных конденсаторов, зная, что вы можете повысить производительность и стоимость с керамическими конденсаторами.
Это сложное решение. Применение конденсаторов меньшего размера означает, что у вас будет меньше паразитной индуктивности — то, что требует больших снабберов. Если вы можете уменьшить всю конструкцию, особенно с SiC и GaN, возможно, имеет смысл начать с керамики. Опять же, если вам нужно некоторое пространство, чтобы отводить тепло от силовых транзисторов, и это пространство дает возможность для установки пленочного конденсатора, ну, возможно, это ваш лучший выбор. «Может быть» и «аналог» идут рука об руку. Каждая разработка и каждая схема уникальны, так же как и ситуация, в которой они используются. Вот что делает аналоговую систему такой сложной и одновременно полезной, когда вы правильно ее понимаете.
