Індуктивність витоку, розсіювання, розсіювання, зв’язку

Причини пробою силового ключа

При проектуванні імпульсних джерел живлення і перетворювачів напруги великої потужності з гальванічною розв'язкою входу від виходу ми стикаємося з таким цікавим фактом. Ми вибираємо силові ключі (силові транзистори вихідного каскаду) з дворазовим запасом по струму, напрузі і потужності, але вони все одно горять. Цій проблемі схильні такі топології імпульсних перетворювачів: обратноходового, прямоходового і пушпульний. А півмостова і бруківка не схильні до. В результаті інженери практично повністю відмовилися від використання перших трьох топологій в перетворювачах великої потужності, хоча економічно вони більш ефективні, ніж другі дві.

У спеціальній літературі мало уваги приділяється фізичним причин описаного ефекту. Просто вказується, що для даної задачі можна застосувати тільки такі топології, а також йдеться про те, що не слід використовувати силові ключі, навіть якщо вони розраховані на струм 100 - 200 А, для комутації струмів понад 20 - 30 А, так як при великих токах робота ключів стає некерованою.

Вашій увазі добірки матеріалів:

Я постарався розібратися в причинах вигоряння силових ключів в деяких видах схем перетворювачів напруги з трансформатором на виході.

Вихідний трансформатор - індуктивності обмоток, зв'язку, розсіювання

Коли ми будуємо імпульсний джерело живлення, то зазвичай припускаємо, що вихідний трансформатор є ідеальним. Що це означає? Це означає, що він перетворює вхідну напругу в вихідний і не має внутрішньої індуктивності, індуктивності зв'язку, ємності. Тобто [Напруга на вторинній обмотці] = [Коефіцієнт трансформації] * [Напруга на первинній обмотці], де коефіцієнт трансформації є константою, не залежить від частоти, амплітуди та інших параметрів сигналу.

Однак реальний трансформатор зовсім не такий. Дивись схему. N1 - число витків в первинній обмотці, N2 - число витків у вторинній обмотці, L'1 - індуктивність витоку первинної обмотки, L'2 - індуктивність витоку вторинної обмотки, L1 - індуктивність первинної обмотки, L2 - індуктивність вторинної обмотки. Розбиття на L'1 і L'2 умовно, так як насправді саме поняття індуктивності зв'язку має сенс в застосуванні до пари обмоток. Так що до кінця правильно говорити про індуктивностях зв'язку для кожної пари обмоток. Але розрахунок цієї індуктивності пов'язаний з цілою низкою припущень, так що можна покласти [L'1] = [L'2] * ([N1] / [N2]) ^ 2, не надто зіпсувавши модель.

Робота реального силового імпульсного трансформатора при закритті силового ключа

Розглянемо для прикладу прямоходовій топологію. У ній використовується спеціальна обмотка для розмагнічування муздрамтеатру трансформатора, тобто для зняття напруги самоіндукції і відведення накопиченої енергії назад в джерело живлення. У пушпульний топології такої розмагнічуючої обмоткою є обмотка другого плеча. У момент, коли ключ одного плеча закривається, друге плече підключений до мережі через діод, шунтирующий силовий ключ. Накопичена в магнітному полі енергія буде відведена саме через цей ланцюг. У обратноходового перетворювачі накопичена енергія відводиться в вихідний ланцюг, в якій також фіксований напруга. Загалом, всі наші подальші міркування легко переносяться і на ці топології.

Отже, що відбувається при закритті силового ключа в прямоходовій топології? Ми очікуємо побачити наступну картину. Напруга на транзисторі досягне певного значення, рівного [Напруга харчування] + [Напруга харчування] * [Кількість витків в первинній обмотці] / [Кількість витків в розмагнічуючої обмотці]. Після цього деякий час воно тримається на цьому рівні. Відбувається скидання енергії в ланцюг харчування. Далі, у міру вичерпання накопиченої енергії, напруга знижується до напруги харчування.

Але не тут-то було. Реально напруга на транзисторі при закритті підскакує вище розрахункового, потім повільно спадає до розрахункового. Причина тому - індуктивність зв'язку (витоку, розсіювання) між первинною і розмагнічуючої обмотками. Так як магнітне поле індуктивності не може змінитися миттєво, то струм, що проходить через первинну обмотку, повинен як би перебратися в обмотку розмагнічування (з урахуванням співвідношення витків), а там вже поступово затухати. В ідеальному трансформаторі це відбувається моментально, але в реальному для цього потрібен час.

У малопотужних схемах цей стрибок практично непомітний. Чому? Причини дві, і вони один одного доповнюють. Перша - величина стрибка залежить від сили струму. Чим більше сила струму в навантаженні, тим більше буде стрибок. Друга - індуктивність зв'язку залежить від товщини обмоток і того, наскільки щільно вони прилягають один до одного. Чим могутніше трансформатор, більше струм, на який він розрахований, тим товщі провід, тим більше індуктивність зв'язку. Якщо для маленьких трансформаторів ця індуктивність мізерно мала, то для силових виробів може становити 10% і більше індуктивності первинної обмотки.

Ось і причини, за якими прямоходова, обратноходная і пушпульний топології не застосовуються для потужних, силових схем. Управляти великими струмами неможливо зовсім не тому, що це не дозволяють робити самі силові біполярні та польові транзистори, а тому, що цьому заважає паразитная індуктивність навантаження. Захист від перевантаження по струму сучасних джерел живлення побудована за принципом переривання струму при перевищенні його сили вище певних значень. Але взяти і перервати занадто великий струм просто неможливо. Сплеск напруги на силовому ключі виведе його з ладу.

Способи боротьби з самоіндукцією, індуктивним стрибком напруги

Дуже шкода, адже названі топології мають ряд незаперечних переваг. Перш за все, це економічні переваги: менші втрати, більш високий ККД, простота схеми, її налагодження (менші трудовитрати на складання та налагодження), менша кількість деталей і їх сумарна вартість. Але не все втрачено. Є кілька шляхів для подолання описаних проблем:

Правильне проектування силового трансформатора
Використання демпфуючих ланцюгів, в тому числі з нульовими втратами
Резонансні перетворювачі, включення індуктивності витоку в резонансний контур
Застосування активних схем обмеження напруги на силових ключах.

Мостова і півмостова топології не страждають від паразитних індуктивностей і самоіндукції

Чому бруківка і півмостова топології не схильні до проблеми пробою силових ключів? Відповідь проста. У цих топологиях конструктивно неможливо виникнення напруги вище напруги живлення на силових ключах. Якщо напруга на колекторі (стоці) нижнього транзистора стає вище напруги живлення, то воно тут же відводиться в ланцюзі харчування через шунтирующий діод верхнього транзистора. Якщо напруга на емітер (початку) верхнього транзистора стає менше нуля, то воно тут же відновлюється до нуля з ланцюгів харчування через шунтирующий діод нижнього транзистора. Такий захист не пов'язана з індуктивностями і абсолютно не інертна, працює моментально.