Amortecedor RCD - exemplo de princípio de operação e cálculo

A razão pela qual eles recorrem ao uso de amortecedores

Durante o desenvolvimento de um conversor de pulso de potência (especialmente para dispositivos avançados de topologia push-pull e forward, onde a comutação ocorre nos modos rígidos), deve-se tomar cuidado para proteger os interruptores de energia da quebra de tensão.

Apesar de a documentação do trabalho de campo indicar a tensão máxima entre o dreno e a fonte de 450, 600 ou mesmo 1200 volts, um pulso aleatório de alta tensão no dreno pode ser suficiente para quebrar a chave dispendiosa (mesmo de alta tensão). Além disso, elementos vizinhos do circuito, incluindo um motorista escasso, podem ser atacados.

Tal evento levará imediatamente a um monte de problemas: onde conseguir um transistor semelhante? Já está à venda? Caso contrário, quando será exibido? Quão bom será o novo trabalho de campo? Quem, quando e com que dinheiro se comprometerá a soldar tudo isso? Quanto tempo durará a nova chave e não repetirá o destino de seu antecessor? etc. e assim por diante.

De qualquer forma, é melhor estar seguro imediatamente, e mesmo no estágio de design do dispositivo, tome medidas para evitar esses problemas na raiz. Felizmente, há muito tempo se conhece uma solução confiável, barata e fácil de implementar, baseada em componentes passivos, que se tornou popular entre os fãs de equipamentos e profissionais de alta tensão. É sobre o amortecedor RCD mais simples.

Tradicionalmente para conversores de pulso, a indutância do enrolamento primário de um transformador ou indutor é incluída no circuito de drenagem de um transistor. E com um desligamento acentuado do transistor em condições em que a corrente comutada ainda não diminuiu para um valor seguro, de acordo com a lei da indução eletromagnética, uma alta tensão aparecerá no enrolamento, proporcional à indutância do enrolamento e à velocidade do transistor do estado condutor ao estado bloqueado.

Se a frente for íngreme o suficiente e a indutância total do enrolamento no circuito de drenagem do transistor for significativa, a alta taxa de aumento de tensão entre o dreno e a fonte levará instantaneamente ao desastre. Para reduzir e facilitar essa taxa de crescimento térmico de travamento do transistor, um amortecedor RCD é colocado entre o dreno e a fonte da chave protegida.

Como o amortecedor RCD funciona?

O snabber do RCD funciona da seguinte maneira. No momento em que o transistor está bloqueado, a corrente do enrolamento primário, devido à sua indutância, não pode instantaneamente diminuir para zero. E, em vez de queimar o transistor, a carga, sob a ação de alta EMF, corre através do diodo D para o capacitor C do circuito amortecedor, carregando-o, e o transistor fecha no modo suave de uma pequena corrente durante sua transição.

Quando o transistor começa a abrir novamente (fazendo uma transição abrupta para o próximo período de comutação), o capacitor de amortecedor será descarregado, mas não através do transistor desencapado, mas através do resistor de amortecedor R. E, como a resistência do resistor de amortecedor é várias vezes maior que a resistência da junção fonte, a parte principal da energia armazenada no capacitor será alocada exatamente no resistor e não no transistor. Assim, o amortecedor RCD absorve e dissipa a energia da indutância espúria de surto de alta tensão.

Cálculo da cadeia de amortecedor

P é a potência dissipada no resistor do amortecedor C é a capacitância do capacitor do amortecedor t é o tempo de travamento do transistor durante o qual o capacitor do amortecedor é carregado U é a tensão máxima na qual o capacitor do amortecedor é carregado I é a corrente através do transistor até que ele se feche f- quantas vezes por segundo snabber (frequência de comutação do transistor)

Para calcular os valores dos elementos amortecedores de proteção, para começar, eles são definidos pelo tempo em que o transistor neste circuito passa do estado condutor para o estado bloqueado. Durante esse período, o capacitor amortecedor deve ter tempo para carregar através do diodo. Aqui, a corrente média do enrolamento de força é levada em consideração, da qual é necessário proteger. E a tensão de alimentação do enrolamento do conversor permitirá que você escolha um capacitor com uma tensão máxima adequada.

Em seguida, é necessário calcular a potência que será dissipada pelo resistor snubber e, em seguida, selecionar o valor específico do resistor com base nos parâmetros de tempo do circuito RC obtido. Além disso, a resistência do resistor não deve ser muito pequena, de modo que quando o capacitor começa a descarregar através dele, o pulso máximo da corrente de descarga juntamente com a corrente operacional não excede o valor crítico para o transistor. Essa resistência não deve ser muito grande para que o capacitor ainda tenha tempo para descarregar, enquanto o transistor está calculando a parte positiva do período de trabalho.

Vejamos um exemplo.

Um inversor push-pull de rede (amplitude de uma tensão de alimentação de 310 volts) consumindo 2 kW opera a uma frequência de 40 kHz e a tensão máxima entre o dreno e a fonte de suas chaves é de 600 volts. É necessário calcular o amortecedor RCD para esses transistores. Deixe o tempo de desligamento do transistor no circuito ser 120 ns.

A corrente média do enrolamento 2000/310 = 6,45 A. Não deixe a tensão na chave exceder 400 volts. Então C = 6,45 * 0,000000120 / 400 = 1,935 nF. Escolhemos um capacitor de filme com capacidade de 2,2 nF a 630 volts. A potência absorvida e dissipada por cada amortecedor por 40.000 períodos será P = 40.000 * 0,0000000022 * 400 * 400/2 = 7,04 W.

Suponha que o ciclo mínimo de operação de pulso em cada um dos dois transistores seja 30%. Isso significa que o tempo aberto mínimo de cada transistor será de 0,3 / 80.000 = 3,75 μs, levando em consideração a frente, tomamos 3,65 μs. Levamos 5% desse tempo para 3 * RC e deixamos o capacitor descarregar quase completamente durante esse tempo. Então 3 * RC = 0,05 * 0,00000365. A partir daqui (substituto C = 2,2 nF), obtemos R = 27,65 Ohms.

Instalamos dois resistores de cinco watts de 56 Ohms em paralelo em cada amortecedor de nossos dois tempos e obtemos 28 Ohms para cada amortecedor. A corrente de pulso da operação do amortecedor quando o capacitor descarrega através da resistência é 400/28 = 14,28 A - essa é a corrente no pulso que passa pelo transistor no início de cada período. De acordo com a documentação dos transistores de potência mais populares, a corrente de pulso máxima permitida para eles excede a corrente média máxima em pelo menos 4 vezes.

Quanto ao diodo, um diodo de pulso é colocado no circuito amortecedor do RCD na mesma tensão máxima que a do transistor e é capaz de suportar a corrente máxima que flui através do circuito primário deste conversor em um pulso.