rcd клампер что это
Rcd клампер что это
В этой статье попытаемся рассчитать элементы импульсного источника питания на UC3842 под необходимые параметры. Для начала определимся зачем он нам нужен.
А нужен мне импульсный источник питания в лабораторно – испытательных целях. В будущем, этот ИИП будет немного видоизменен и дополнен возможностью регулировки выходного напряжения и силы тока, а пока рассчитаем ИИП на UC3842 под максимально возможные необходимые параметры.
Первое условие – нужное напряжение – 32 В (больше использовать не приходилось, так, что буду наедятся, что этого хватит). Второе условие – сила тока – естественно, чем больше, тем лучше. Однако будем исходить из реалий: сварочный аппарат мне не нужен, а значит посмотрим, что имеется у меня из деталей. В качестве выпрямительных диодов VD1 – VD4 буду использовать диодный мост DB207S с максимальным пропускным током 2 А. В качестве ключа установится имеющийся IRF840, по датасшиту максимальный коммутируемый им ток до 8 А, но если учесть, что он китайский, то к максимуму лучше не подходить. С силой тока разберемся по ходу.
Самым важным элементом во всей схеме ИИП на UC3842 является трансформатор. Для его расчета воспользуемся программой Flyback. Сразу приведу скрин программы с уже заполненными параметрами, а после разъясню, что откуда брать.
Основные параметры, которые необходимо ввести:
Питание. Устанавливаем точку напротив AC, и вводим значения переменного тока сети. Если установить точку напротив DС, необходимо будет ввести параметры уже выпрямленного тока после диодного моста.
Максимально допустимое напряжение на ключе – 500 В, cопротивление канала Rds – 0,85 Ом. Эти значения берем из датасшита на имеющийся у вас полевой транзистор. Вот пример для транзистора IRF840:
Не забываем, что в датасшите напряжение и сила тока указаны максимальные, к которым лучше не приближаться!
Идем дальше. Пороговое напряжение датчика тока – установлено 1 В. Это такое напряжение, формируемое на 3 выводе драйвера UC3842, при превышении которого он закрывает транзистор. Поступает оно с датчика тока R13.
Теперь задаем выходные параметры. Напряжение мне нужно 32 В, однако, я указал две обмотки по 16 В, чтобы после сформировать на выходе двух полярное питание со средней точкой (может когда сгодится). Там же указываем нужный ток Iном. У меня Iном = 5 А, чуть позже объясню почему именно такое значение выбрал.
Так же здесь указываем напряжение обмотки питания драйвера как на скриншоте в начале.
Справа, в программе, задаем параметры сердечника, на котором будем мотать трансформатор. В базе программы уже есть параметры наиболее распространённых сердечников. Я использовать буду сердечник от трансформатора с компьютерного ИИП, собственно его размеры и выбрал.
После ввода всех данных жмем кнопку «Рассчитать». И смотрим, получилось.
Параметры, которые нужны для изготовления ИИП на UC3842.
Величина немагнитного зазора – зазор между частями магнитопровода трансформатора. Программа рассчитывает полный минимальный зазор. Получился 2,071 мм. Берем чуть больше. Делим его пополам, получаем прокладки толoиной чуть более 1 мм. При сборке трансформатора устанавливаем их так как показано на картинке.
Теперь смотрим параметры обмоток.
Из расчетов берем значение сопротивления датчика тока 0,201 Ом – это сопротивление R13 и минимальную емкость буферной емкости 201 мкФ С3 и С4, вместо которых буду ставить один конденсатор на 220 мкФ.
Вторичные обмотки получились по 6 витков косичкой по 9 проводов диаметром 0,335 мм в каждой.
Обмотка питания драйвера 7 витков одним проводом диаметром 0,335 мм.
В расчетах вторичных обмотках обращаем внимание на параметр Ud – минимальное обратное напряжение выпрямительных диодов.
Ставим точу напротив имеющегося конденсатора (в моем случае 10 нФ) и жмем рассчитать. Получаем резистор сопротивлением 10,3 кОм мощностью не менее 2,259 Вт и диод FR307.
Рассчитаем частоту задающие элементы R9 и С10.
Выбираем «Обратный расчет. Заданы F и С». Указываем частоту работы 60 кГц и имеющийся конденсатор. Жмем рассчитать. Меняем емкость конденсатора до тех пор, пока сопротивление резистора не окажется наиболее подходящим. У меня получилось С10 = 15 нФ и R9 = 1,5 кОм.
Вроде бы все. Если что-то забыл спрашиваем в комментариях/на форуме.
В следующей статье опишу намотку трансформатора.
П.С. Отдельное спасибо автору программ некому «Старичку». Не знаю кто ты, но проделанная работа действительно заслуживает уважения!
Причина, по которой прибегают к использованию снабберов
В ходе разработки силового импульсного преобразователя (особенно это касается мощных устройств топологий push-pull и forward, где переключение происходит в жестких режимах), необходимо как следует позаботиться о защите силовых ключей от пробоя по напряжению.
Такое событие сразу приведет к куче проблем: где достать аналогичный транзистор? Есть ли он сейчас в продаже? Если нет, то когда появится? Насколько качественным окажется новый полевик? Кто, когда и за какие деньги возьмется все это перепаивать? Как долго продержится новый ключ и не повторит ли он судьбу своего предшественника? и т. д. и т. п.
В любом случае лучше сразу перестраховаться, и еще на этапе проектирования устройства принять меры для предотвращения подобных неприятностей на корню. Благо, известно надежное, недорогое и простое в своей реализации решение на пассивных компонентах, давно ставшее популярным как у любителей высоковольтной силовой техники, так и у профессионалов. Речь о простейшем RCD-снаббере.
Традиционно для импульсных преобразователей, в цепь стока транзистора включена индуктивность первичной обмотки трансформатора или дросселя. И при резком запирании транзистора в условиях, когда коммутируемый ток еще не понизился до безопасной величины, согласно закону электромагнитной индукции на обмотке возникнет высокое напряжение, пропорциональное индуктивности обмотки и скорости перехода транзистора из проводящего состояния в запертое.
Если фронт при этом достаточно крут, а общая индуктивность обмотки в цепи стока транзистора существенна, то высокая скорость нарастания напряжения между стоком и истоком мгновенно приведет к катастрофе. Чтобы эту скорость роста напряжения понизить и облегчить тепловой режим запирания транзистора — между стоком и истоком защищаемого ключа ставят RCD-снаббер.
Как работает RCD-снаббер
RCD-cнаббер работает следующим образом. В момент запирания транзистора ток первичной обмотки, в силу наличия у нее индуктивности, не может мгновенно снизиться до нуля. И вместо того чтобы жечь транзистор, заряд, под действием высокой ЭДС, устремляется через диод D в конденсатор C снабберной цепи, заряжая его, а транзистор при этом закрывается в мягком режиме незначительного тока через его переход.
Расчет снабберной цепи
P – мощность, рассеиваемая на резисторе снаббера C – емкость конденсатора снаббера t – время запирания транзистора, за которое конденсатор снаббера заряжается U – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор снаббера I – ток через транзистор до его закрытия f- сколько раз в секунду будет срабатывать снаббер (частота переключения транзистора)
Чтобы рассчитать номиналы элементов защитного снаббера, для начала задаются временем, за которое транзистор в данной схеме переходит из проводящего состояния в запертое. За это время конденсатор снаббера должен успеть зарядиться через диод. Здесь в расчет принимается средний ток силовой обмотки, от которого предстоит защищаться. А напряжение питания обмотки преобразователя позволит выбрать конденсатор с подходящим максимальным напряжением.
Далее необходимо вычислить мощность, которая должна будет рассеиваться на резисторе снаббера, и уже после этого подобрать конкретный номинал резистора, исходя из временных параметров полученной RC-цепи. При том сопротивление резистора не должно быть слишком малым, чтобы когда при запирании ключа конденсатор начнет разряжаться через него, импульс максимального разрядного тока вместе с рабочим током не превысили бы критическую для транзистора величину. Не должно это сопротивление быть и слишком большим, чтобы конденсатор все же успел разрядиться, пока транзистор отрабатывает положительную часть рабочего периода.
Рассмотрим пример
Сетевой двухтактный инвертор (амплитуда напряжения питания 310 вольт) потребляющий мощность 2 кВт работает на частоте 40 кГц, причем максимальное напряжение между стоком и истоком для его ключей составляет 600 вольт. Необходимо рассчитать RCD-снаббер для этих транзисторов. Пусть время запирания транзистора в схеме составляет 120 нс.
Средний ток обмотки 2000/310 = 6,45 А. Пусть напряжение на ключе не превысит 400 вольт. Тогда C = 6,45*0,000000120/400 = 1,935 нФ. Выберем пленочный конденсатор емкостью 2,2 нФ на 630 вольт. Мощность, поглощаемая и рассеиваемая каждым снаббером за 40000 периодов составит P = 40000*0.0000000022*400*400/2 = 7,04 W.
Допустим, минимальная скважность импульса на каждом из двух транзисторов составляет 30%. Значит минимальное время открытого состояния каждого транзистора будет равно 0,3/80000 = 3,75 мкс, с учетом фронта примем 3,65 мкс. Примем 5% этого времени за 3*RC, и пусть за это время конденсатор успеет почти полностью разрядиться. Тогда 3*RC = 0,05*0,00000365. Отсюда (подставим C = 2.2 нФ) получим R = 27,65 Ом.
Установим по два пятиваттных резистора по 56 Ом параллельно в каждый снаббер нашего двухтактника, и получится 28 Ом для каждого снаббера. Импульсный ток от срабатывания снаббера при разряде конденсатора через сопротивление составит 400/28 = 14,28 А — это ток в импульсе, который пройдет через транзистор в начале каждого периода. Согласно документации на большинство популярных силовых транзисторов, максимально допустимый импульсный ток для них превосходит максимальный средний ток минимум в 4 раза.
Что касается диода, то в схему RCD-снаббера ставиться импульсный диод на такое же максимальное напряжение как у транзистора, и способный в импульсе выдерживать максимальный ток, протекающий через первичную цепь данного преобразователя.
Расчет цепи поглощения высоковольтного выброса для обратноходового источника питания
В статье представлен расчет эффективных цепей защиты MOSFET-ключа в обратноходовых источниках питания.
AC/DC источники питания мощностью до 100 Вт обычно строятся по обратноходовой топологии. Такое решение сравнительно недорогое и позволяет строить многоканальные источники питания на одном контроллере. Это сделало обратноходовые источники питания самыми популярными среди разработчиков и де-факто — стандартом для AC/DC-преобразователей с малым числом компонентов. Недостатком обратноходовой топологии является большая нагрузка на ключевой MOSFET.
Принцип работы обратноходовой топологии: накопление энергии в трансформаторе во время открытого состояния силового ключа и передача этой энергии на выход во время закрытого состояния ключа. Обратноходовой трансформатор состоит из двух или более связанных обмоток на сердечнике с воздушным зазором, в котором сохраняется магнитная энергия перед ее передачей во вторичную обмотку. Однако на практике невозможно достичь идеальной согласованности обмоток. Малая часть энергии из-за индукции рассеяния трансформатора не передается во вторичную обмотку. При открытии силового ключа эта энергия генерирует высоковольтный выброс на первичной обмотке трансформатора и ключа. Это также приводит к высокочастотным помехам между эффективными эквивалентными емкостями открытого ключа и первичной обмотки трансформатора и индукцией рассеяния трансформатора (см. рис.1).
.
