Amortiguador RCD: principio de funcionamiento y ejemplo de cálculo

La razón por la que recurren al uso de amortiguadores

Durante el desarrollo de un convertidor de pulso de potencia (especialmente para dispositivos de topología push-pull y avance, donde la conmutación se produce en modos duros), se debe tener cuidado para proteger los interruptores de potencia de la ruptura de voltaje.

A pesar de que la documentación del trabajo de campo indica el voltaje máximo entre el drenaje y la fuente a 450, 600 o incluso 1200 voltios, un pulso aleatorio de alto voltaje en el drenaje puede ser suficiente para romper la costosa llave (incluso de alto voltaje). Además, los elementos vecinos del circuito, incluido un controlador escaso, pueden ser atacados.

Tal evento conducirá inmediatamente a un montón de problemas: ¿dónde obtener un transistor similar? ¿Está a la venta ahora? Si no, ¿cuándo aparecerá? ¿Qué tan bueno será el nuevo trabajo de campo? ¿Quién, cuándo y por qué dinero se comprometerá a soldar todo esto? ¿Cuánto durará la nueva clave y no repetirá el destino de su predecesor? etc. y así sucesivamente.

En cualquier caso, es mejor estar seguro de inmediato, e incluso en la etapa de diseño del dispositivo, tome medidas para evitar tales problemas en la raíz. Afortunadamente, desde hace mucho tiempo se conoce una solución confiable, económica y fácil de implementar para componentes pasivos que se ha popularizado tanto entre los fanáticos de los equipos de potencia de alto voltaje como entre los profesionales. Se trata del amortiguador RCD más simple.

Tradicionalmente para los convertidores de pulso, la inductancia del devanado primario de un transformador o inductor se incluye en el circuito de drenaje de un transistor. Y con un apagado brusco del transistor en condiciones en que la corriente conmutada aún no ha disminuido a un valor seguro, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, aparecerá un alto voltaje en el devanado, proporcional a la inductancia del devanado y la velocidad de transición del transistor del estado de conducción al estado bloqueado.

Si el frente es lo suficientemente empinado y la inductancia total del devanado en el circuito de drenaje del transistor es significativa, entonces la alta tasa de aumento de voltaje entre el drenaje y la fuente conducirá instantáneamente al desastre. Para reducir y facilitar esta tasa de crecimiento térmico de bloqueo del transistor, se coloca un amortiguador RCD entre el drenaje y la fuente de la llave protegida.

¿Cómo funciona el amortiguador RCD?

El capturador RCD funciona de la siguiente manera. En el momento en que el transistor está bloqueado, la corriente del devanado primario, debido a su inductancia, no puede disminuir instantáneamente a cero. Y en lugar de quemar el transistor, la carga, bajo la acción de un EMF alto, se precipita a través del diodo D al condensador C del circuito amortiguador, cargándolo, y el transistor se cierra en el modo suave de una pequeña corriente a través de su transición.

Cuando el transistor comienza a abrirse nuevamente (pasando abruptamente al siguiente período de conmutación), el condensador amortiguador se descargará, pero no a través del transistor desnudo, sino a través de la resistencia amortiguadora R. Y dado que la resistencia de la resistencia amortiguadora es varias veces mayor que la resistencia de la unión fuente, entonces la parte principal de la energía almacenada en el condensador se asignará exactamente en la resistencia, y no en el transistor. Por lo tanto, el amortiguador RCD absorbe y disipa la energía de la inductancia espuria de sobretensión c de alto voltaje.

Cálculo de la cadena de amortiguadores

P es la potencia disipada en la resistencia amortiguadora C es la capacitancia del condensador amortiguador t es el tiempo de bloqueo del transistor durante el cual se carga el condensador amortiguador U es el voltaje máximo al que se carga el condensador amortiguador I es la corriente a través del transistor hasta que se cierra f- cuántas veces por segundo Snabber (frecuencia de conmutación del transistor)

Para calcular los valores de los elementos amortiguadores de protección, para empezar, se establecen en el momento en que el transistor en este circuito pasa de un estado conductor a un estado bloqueado. Durante este tiempo, el condensador amortiguador debe tener tiempo para cargarse a través del diodo. Aquí, se toma en cuenta la corriente promedio del devanado eléctrico, del cual es necesario proteger. Y la tensión de alimentación del devanado del convertidor le permitirá elegir un condensador con una tensión máxima adecuada.

A continuación, debe calcular la potencia que será disipada por la resistencia amortiguadora, y luego seleccionar el valor de la resistencia específica en función de los parámetros de tiempo del circuito RC obtenido. Además, la resistencia de la resistencia no debe ser demasiado pequeña para que cuando el condensador comience a descargar a través de ella, el pulso de la corriente de descarga máxima junto con la corriente de funcionamiento no exceda el valor crítico para el transistor. Esta resistencia no debe ser demasiado grande para que el capacitor todavía tenga tiempo de descargar, mientras el transistor está trabajando en la parte positiva del período de trabajo.

Veamos un ejemplo.

Un inversor de red push-pull (amplitud de un voltaje de suministro de 310 voltios) que consume 2 kW funciona a una frecuencia de 40 kHz, y el voltaje máximo entre el drenaje y la fuente de sus llaves es de 600 voltios. Es necesario calcular el amortiguador RCD para estos transistores. Deje que el tiempo de apagado del transistor en el circuito sea de 120 ns.

La corriente de bobinado promedio 2000/310 = 6.45 A. Deje que el voltaje en la llave no exceda los 400 voltios. Entonces C = 6.45 * 0.000000120 / 400 = 1.935 nF. Elegimos un condensador de película con una capacidad de 2.2 nF a 630 voltios. La potencia absorbida y disipada por cada amortiguador durante 40,000 períodos será P = 40,000 * 0.0000000022 * 400 * 400/2 = 7.04 W.

Suponga que el ciclo de trabajo mínimo del pulso en cada uno de los dos transistores es del 30%. Esto significa que el tiempo mínimo de apertura de cada transistor será 0.3 / 80,000 = 3.75 μs, teniendo en cuenta el frente, tomamos 3.65 μs. Tomamos el 5% de este tiempo para 3 * RC, y dejamos que el condensador se haya descargado casi por completo durante este tiempo. Entonces 3 * RC = 0.05 * 0.00000365. Desde aquí (sustituto de C = 2.2 nF) obtenemos R = 27.65 ohmios.

Instalamos dos resistencias de cinco vatios de 56 ohmios en paralelo en cada amortiguador de nuestros dos tiempos, y obtenemos 28 ohmios por cada amortiguador. La corriente de pulso de la operación del amortiguador cuando el condensador se descarga a través de la resistencia es 400/28 = 14.28 A: esta es la corriente en el pulso que pasa a través del transistor al comienzo de cada período. Según la documentación de los transistores de potencia más populares, la corriente de pulso máxima permitida para ellos excede la corriente promedio máxima en al menos 4 veces.

En cuanto al diodo, se coloca un diodo de pulso en el circuito amortiguador RCD al mismo voltaje máximo que el del transistor, y es capaz de soportar la corriente máxima que fluye a través del circuito primario de este convertidor en un pulso.