Снаббер - это просто
Пробой коллектор-эмиттер перенапряжением одна из наиболее распространённых причин выхода из строя транзисторных преобразователей. Причина тому – недостаточно ответственный подход к защитным снабберным цепям инвертора. Но и с другой стороны, зачастую разработчик закладывает такие сложные снабберные схемы, что на их фоне сам транзисторный инвертор кажется несущественной частью преобразователя. Так как же выбрать правильный снаббер?
При работе любого импульсного преобразователя на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов неизбежно возникают коммутационные паразитные импульсы тока и напряжения. Неизбежность этих импульсов обусловлена паразитными составляющими топологии преобразователя и токами рекуперации при выключении. Создать преобразователь не имеющий данных импульсов практически не представляется возможным, а вот создать преобразователь, в котором эти импульсы будут приводить к выходам из строя – это в порядке вещей. Для защиты узлов схемы и, в частности, самих ключевых транзисторов, применяются снабберные цепи, которые, в настоящее время, являются необходимым атрибутом почти любого импульсного преобразователя.
Однако, если разработчик решит заняться выбором и расчётом снаббера, он столкнётся практически с нерешаемой задачей. Т.е. снаббер – узел необходимый, он обязан быть в преобразователе, но как он должен выглядеть и как его посчитать неизвестно. Нет даже теории адекватного расчёта. Ведь что нужно знать, для расчёт номинала, например, конденсатора снаббера? В частности, обязательно, значение паразитной индуктивности. Эта индуктивность складывается из индуктивностей самого конденсатора, силового модуля, токоведущих шин, соединений, в расчёте должны приниматься импеданс электролитических конденсаторов на частоте… (какой?), волновое сопротивление и т.д. И всё это при длительностях импульса порядка десятков-сотен нс. Не каждый специалист СВЧ-электроники даже зная все исходные данные сможет правильно всё посчитать. Предлагается и другой теоретический способ: включить преобразователь без снабберов, измерить длительность и амплитуду выбросов напряжения и исходя из этого вывести значения паразитных емкостей/индуктивностей, после чего уже легко можно найти и искомые номиналы элементов снабберных цепей. Однако, на практике этот способ неприменим: если включить подавляющее большинство преобразователей вообще без снабберов, они наверняка выйдут из строя даже при 10% нагрузке и измерять уже будет нечего. Следовательно, теория здесь не поможет. Обратимся к практике.
На практике применяются самые разнообразные снабберы: С, RC, RCD, Z, RCZ… Пока опустим применение супрессоров, об этом речь пойдёт ниже, тогда основные схемы снабберных цепей сводятся к вариантам рисунка 1, где «А» - С-снаббер, «Б» - «RC»-снаббер, «В» и «Г» - два варианта относительно часто встречающихся RCD-снабберов. Если такие цепи ставятся не по питанию, а на каждом ключе инвертора, то, соответственно, получаем схемы рисунка 2. Иные схемы, фактически, не применяются, а если и применяются, то в эквивалентном написании всё равно сводятся к данным вариантам.
Рисунок 1 – Схемы снабберов установленных по питанию
Рисунок 2 – Схемы снабберов установленных на ключах
Рисунок 3 – Сигнал преобразователя Рисунок 4 – Сигнал без снаббера
На рисунке 4 видно, что амплитуда обратного выброса превышает 1200 В, при общей длительности импульса порядка 100 нс, что на практике недопустимо, т.к. очень велик риск выхода из строя транзисторов из-за потенциального пробоя коллектор-эмиттер. Далее применялись различные варианты снабберных цепей.
С-снаббер является наиболее простым вариантом, особенно если устанавливается не на каждом ключе, а только на шине питания. Такой вариант (конденсатор на шинах питания) представлен на осциллограмме рисунка 5.
Рисунок 5 – С-снаббер 0,22 мкФ Рисунок 6 – 2С-снаббер 0,01 мкФ
Как видим, длительность фронта выключения практически не увеличилась, а следовательно значимо не увеличились и динамические потери ключа, но при этом амплитуда выброса уменьшилась до вполне приемлемых 800 В. Что, собственно, и требовалось от снаббера.
Если устанавливать конденсаторы не по питанию, а на каждом ключе (схема рисунка 2А), то в контур рекуперации тока включается трансформатор и его параметры, в т.ч. и параметры нагрузки трансформатора, начинают значительно влиять на картину выключения. На рисунке 6 приведена осциллограмма выключения при установленных параллельно каждому ключу конденсаторах 0,01 мкФ.
Выключение рисунка 6 показывает избыточность ёмкости конденсаторов, т.к. выброс напряжения почти не уменьшился (относительно рисунка 5), а длительность фронта выключения возросла почти в два раза. Но даже и так характер выключения мало отличается от выключения при установленном одном конденсаторе по питанию и эквивалентен, фактически, конденсатору порядка 0,47 мкФ установленном по схеме рисунка 1А.
Таким образом, конденсаторы на каждом ключе не дают преимущества в плане большей эффективности или иного характера выключения, «лучшей» защиты, но зато такая схема имеет существенный недостаток в том, что работа снаббера начинает сильно зависеть от нагрузки инвертора, в отличии от одного конденсатора на шинах питания, где характеристики нагрузки на работе снаббера практически не сказываются.
Тоже самое следует сказать и о других схемах снабберов, устанавливаемых или на шинах питания, или на каждом ключе. Принципиальных различий в их работе и в том, и в другом включении нет. Вопрос только в номиналах; всегда можно подобрать такие номиналы, когда разница в работе одного и другого варианта практически не заметна. Как следствие, ниже будут рассматриваться в основном более простые варианты подключения к шинам питания, а не на каждом ключе, что, повторимся, не принципиально.
Далее рассматривался вариант RC-снаббера. На рисунках 7,8,9 приведены сигналы выключения транзистора (канал 1) и ток снабберного конденсатора на токосъёмном резисторе 0,1 Ом (канал 2).
Рисунок 7 – RС-снаббер 0,22 мкФ / 1 Ом
Рисунок 8 – RС-снаббер 0,22 мкФ / 10 Ом Рисунок 9 – RС-снаббер 0,22 мкФ / 40 Ом
На рисунке 7, с резистором 1 Ом, видно, что ток конденсатора в пике достигает 43 А, однако малое сопротивление резистора не ухудшает защитные функции снаббера (сравните с рисунком 5 – выключение без резистора). Если резистор увеличивать (10 Ом на рисунке 8 и 40 Ом на рисунке 9), то снаббер начинает работать хуже: амплитуды выброса увеличивается с 700 В до 900 В и далее до 1150 В. Однако, уменьшается и импульсный ток конденсатора до 20 А и до 5 А соответственно.
Таким образом, что и следовало ожидать, единственная функция резистора в RC-снаббере – это снижение импульсной нагрузки на конденсатор за счёт ухудшения защитной функции снаббера. То мнение, что RC-снаббер сродни RC-фильтру, где соотношение номиналов резистора и конденсатора собственно и определяет постоянную времени фильтра, категорически не верно. Всю «снабберную» функцию всё равно продолжает выполнять только конденсатор, резистор же в этом смысле «вредит», но может быть в некоторой степени полезным с целью ограничения тока этого конденсатора. Нужно ли это ограничение тока? При правильном выборе комплектации (об этом ниже) – нет; даже конденсаторы К73-17 номиналом 0,22 мкФ на 630 В (не говоря уже о специализированных снабберных конденсаторах) без ограничительного резистора успешно работают в преобразователях до десятков кВт средней мощности и до сотен кВт на запуске/останове двигателя. На практике выходы из строя не встречались, даже не встречался нагрев этого конденсатора. Возможно, резистор всё-таки потребуется, если преобразователь с «приемкой 5», т.е. импортные снабберы применять нельзя, а средняя мощность более 100 кВт, но это уже довольно специфическая задача и её решение к общим рекомендациям (о которых здесь и идёт речь) не относится.
Ещё более ошибочно мнение о RCD-снабберах. Указанные на рисунках 1 и 2 RCD-снабберы, действительно, имеют право на существование, но применимы к биполярным транзисторам, тиристорам, к нагрузке и т.п., но не параллельно IGBT- или MOSFET-ключу. Хотя на практике нами не раз встречались именно такие схемы снабберов. Объясняется неправильность применения таких снабберных цепей наличием внутренних оппозитных диодов в IGBT- и MOSFET-транзисторах, которые сводят на нет диод собственно снаббера. Например, схема рисунков 1В и 2В при включении практически не работает (снаббер шунтируется открытым каналом транзистора), а при выключении, т.к. диод снаббера блокирует обратный ток, работает как обычный RC-снаббер, таким образом смысл диода в схеме теряется. Снабберы рисунков 1Г и 2Г не работают вовсе, т.к. при выключении ток может протекать по двум путям: или через обратный диод транзистора, или через диод и резистор/конденсатор снаббера. Разумеется, ток потечёт по пути наименьшего сопротивления, т.е. через диод транзистора, а снаббер, фактически, просто остаётся незадействованным. Осциллограммы работы таких снабберов отдельно приводиться не будут, т.к. они один-в-один повторят осциллограммы рисунков 8 и 2 соответственно.
Отдельно следует сказать о активном ограничении напряжения снаббером супрессором или варистором. Такие схемы представляют собой ограничитель (супрессор/варистор) установленный либо так же на шинах питания, либо параллельно каждому ключу. Зачастую последовательно им ставят резисторы, с целью ограничения тока импульса, что, как и в случае с вышеописанным RC-снаббером, категорически неправильно, т.к. неминуемо приводит к ухудшению защитных функций цепи.
На рисунках 10 и 11 приведены импульсы выключения без конденсаторов (т.е. изменения относительно рисунка 2) для супрессора и варистора соответственно.
Рисунок 10 – Ограничение напряжения супрессором на 800 В / Рисунок 11 – Ограничение напряжения варистором на 800 В
Как видим из рисунков принципиальных отличий нет, кроме явно большей собственной ёмкости варистора, относительно супрессора, ёмкость которого измеряется пФ или в худшем случае десятками пФ. Однако, супрессор для транзисторных инверторов более предпочтителен, в то время как варистор чаще используется в тиристорных схемах. Объясняется это нагрузочными и временными характеристиками: для транзисторных преобразователей критично быстродействие, оно должно составлять не более десятков нс, но и длительность работы супрессора редко превышает сотни нс, т.е. импульсная мощность относительно небольшая. Для тиристорных преобразователей такое быстродействие не нужно, зато критична импульсная мощность защитного элемента, т.к. время воздействия на него может исчисляться мкс.
Задержка срабатывания супрессора наглядно показана на рисунке 12. Здесь приведено выключение транзистора в схеме нижнего ключа на активно-индуктивную нагрузку; режим одиночного импульса.
Рисунок 12 – Ограничение напряжения супрессором на 800 В
В тестовой схеме рисунка 12 так же отсутствуют снабберные конденсаторы. Очень хорошо видна полка ограничения на уровне 820 В, однако перед нею так же хорошо виден импульс возникший из-за задержки срабатывания супрессора. Время задержки – порядка 10…20 нс, амплитуда выброса за это время достигает 1200 В, что недопустимо для транзистора 12-го класса. Именно поэтому, супрессоры «в чистом виде» применяются редко; параллельно им почти всегда ставят всё те же С- или RC-снабберы.
Итак, какая схема снаббера предпочтительна?
Применение RCD-снабберов в виде рисунков 1 и 2 перекочевало в область инверторов на транзисторах с полевым управлением из преобразователей на основе тиристоров и биполярных транзисторов и в виде защитного элемента собственно транзистора неприменимо в принципе.
RC-снабберы не лучше простого С-снаббера (т.к. это не RC-фильтр); резистор только ухудшает его функции и для плёночных, тем более специализированных снабберных, конденсаторов не нужен. В тиристорных преобразователях – да, резистор зачастую необходим, здесь мощность импульса значительно больше, но в транзисторных – нет, за исключением, разве что, уникальных изделий.
С-снаббер устанавливаемый на каждом ключе ничем не превосходит одиночный конденсатор установленный на шинах питания, преимуществ в такой схеме нет. Но есть минусы: зависимость номинала конденсатора от нагрузки, что значительно усложняет расчёт схемы, а значит снижает и надёжность.
Для защиты от перенапряжения так же необходимо использование активного ограничителя – супрессора, устанавливаемого аналогично между шинами питания.
Таким образом, наилучший снаббер – это установленные между «+U» и «-U» конденсатор и параллельно ему последовательная сборка (до нужного напряжения) супрессоров. Если полумосты по топологии разнесены (например, несколько полумостов в отдельных модулях), то такая сборка ставится на каждом полумосте. Если сборка инвертора в одном корпусе, то ставится один снаббер. Все прочие схемы избыточны и, в конечном счёте, кроме ухудшения защитных функций и усложнения конструкции ничего не привносят.
Тип конденсатора – обязательно плёночный К73-17 или К78-2; керамические конденсаторы, а тем более чип-конденсаторы категорически не подходят. Причина тому не в паразитных составляющих данных типов конденсаторов (это мнение распространено, но ошибочно), а просто в большей устойчивости плёночных конденсаторов к импульсной перегрузке. Те же специализированные снабберные конденсаторы (например, серии В32682…В32686 от «Epcos» и т.п.), фактически представляют собой всё тот же плёночный К73-17, только побольше и с выводами потолще (для уменьшения индуктивности); принципиальных отличий нет.
Номинал конденсатора 0,1…0,33 мкФ, в подавляющем большинстве случаев 0,22 мкФ. Большие или меньшие номиналы, конечно, применяются, но гораздо реже и «по месту», например при очень мощных обратных выбросах, в преобразователях на частоту 200 кГц и т.п. В этом, к слову, ещё одно преимущество данной схемы снаббера: номинал не зависит от характеристик нагрузки, конденсатор никак не привязан к фазным выходам. Сродни конденсаторам устанавливаемых по питанию микросхем: в любых схемах, старых и новых, СВЧ и DC, любые микросхемы, почти всегда 0,1 мкФ. Аналогично и здесь: почти всегда 0,22 мкФ.
Так как же должен выглядеть оптимальный снаббер, по крайней мере для первого включения преобразователя? Плёночный конденсатор по питанию инвертора 0,22 мкФ и параллельно ему супрессор. Если силовых модулей несколько, то ставится на каждый полумост по такой сборке. Всё. Доказательством такого подхода служит опыт производителей силовых блоков инверторов, таких как «Powerex», «APS», «Infineon»… Во всех этих силовых инверторах применяются полумосты в «стандартном» конструктиве 62-мм и на каждом полумосте стоит один конденсатор по питанию типа В32686 ёмкостью 0,22 мкФ и параллельно ему супрессоры. Другие схемы не применяются. Автор, по крайней мере, других вариантов не встречал. А это преобразователи, заметьте, работающие со всевозможной нагрузкой, в различных применениях, мощностью до сотен и сотен кВт. И тогда что уж говорить о типовом инверторе на пару-тройку кВт? Отсюда и утверждение: «снаббер – это просто».
