Индуктивность утечки, рассеивания, рассеяния, связи. Силовой импульсный трансформатор, ключ

Индуктивность рассеивания - причина пробоя силового ключа, транзистора. Учет индуктивности связи при проектировании импульсного источника питания. (10+)

Индуктивность утечки и пробой силового ключа

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Причины пробоя силового ключа

При проектировании импульсных источников питания и преобразователей напряжения большой мощности с гальванической развязкой входа от выхода мы сталкиваемся с таким интересным фактом. Мы выбираем силовые ключи (силовые транзисторы выходного каскада) с двукратным запасом по току, напряжению и мощности, но они все равно горят. Этой проблеме подвержены следующие топологии импульсных преобразователей: обратноходовая, прямоходовая и пушпульная. А полумостовая и мостовая не подвержены. В результате инженеры практически полностью отказались от использования первых трех топологий в преобразователях большой мощности, хотя экономически они более эффективны, чем вторые две.

В специальной литературе мало внимания уделяется физическим причинам описанного эффекта. Просто указывается, что для данной задачи применимы только такие топологии, а также говорится, что не следует использовать силовые ключи, даже если они рассчитаны на ток 100 - 200 А, для коммутации токов более 20 - 30 А, так как при больших токах работа ключей становится неуправляемой.

Я постарался разобраться в причинах выгорания силовых ключей в некоторых видах схем преобразователей напряжения с трансформатором на выходе.

Выходной трансформатор - индуктивности обмоток, связи, рассеивания

Когда мы строим импульсный источник питания, то обычно предполагаем, что выходной трансформатор является идеальным. Что это значит? Это значит, что он преобразует входное напряжение в выходное и не имеет внутренней индуктивности, индуктивности связи, емкости. То есть [Напряжение на вторичной обмотке] = [Коэффициент трансформации] * [Напряжение на первичной обмотке], где коэффициент трансформации является константой, не зависит от частоты, амплитуды и других параметров сигнала.

Однако реальный трансформатор совсем не такой. Смотри схему. N1 - число витков в первичной обмотке, N2 - число витков во вторичной обмотке, L'1 - индуктивность утечки первичной обмотки, L'2 - индуктивность утечки вторичной обмотки, L1 - индуктивность первичной обмотки, L2 - индуктивность вторичной обмотки. Разбиение на L'1 и L'2 условно, так как на самом деле само понятие индуктивности связи имеет смысл в применении к паре обмоток. Так что до конца правильно говорить об индуктивностях связи для каждой пары обмоток. Но расчет этой индуктивности связан с целым рядом допущений, так что можно положить [L'1] = [L'2] * ([N1] / [N2]) ^ 2, не слишком испортив модель.

Работа реального силового импульсного трансформатора при закрытии силового ключа

Рассмотрим для примера прямоходную топологию. В ней используется специальная обмотка для размагничивания магнитопровода трансформатора, то есть для снятия напряжения самоиндукции и отвода накопленной энергии обратно в источник питания. В пушпульной топологии такой размагничивающей обмоткой является обмотка второго плеча. В момент, когда ключ одного плеча закрывается, другое плечо подключено к источнику питания через диод, шунтирующий силовой ключ. Накопленная в магнитном поле энергия будет отведена именно через эту цепь. В обратноходовом преобразователе накопленная энергия отводится в выходную цепь, в которой также фиксированное напряжение. В общем, все наши дальнейшие рассуждения легко переносятся и на эти топологии.

Итак, что происходит при закрытии силового ключа в прямоходной топологии? Мы ожидаем увидеть следующую картину. Напряжение на транзисторе достигнет определенного значения, равного [Напряжение питания] + [Напряжение питания] * [Количество витков в первичной обмотке] / [Количество витков в размагничивающей обмотке]. После этого некоторое время оно держится на этом уровне. Происходит сброс энергии в цепь питания. Далее, по мере исчерпания накопленной энергии, напряжение снижается до напряжения питания.

Но не тут-то было. Реально напряжение на транзисторе при закрытии подскакивает выше расчетного, потом медленно убывает до расчетного. Причина тому - индуктивность связи (утечки, рассеивания) между первичной и размагничивающей обмотками. Так как магнитное поле индуктивности не может измениться моментально, то ток, проходящий через первичную обмотку, должен как бы перебраться в обмотку размагничивания (с учетом соотношения витков), а там уже постепенно затухать. В идеальном трансформаторе это происходит моментально, но в реальном для этого требуется время.

В маломощных схемах этот скачок практически незаметен. Почему? Причины две, и они друг друга дополняют. Первая - величина скачка зависит от силы тока. Чем больше сила тока в нагрузке, тем больше будет скачок. Вторая - индуктивность связи зависит от толщины обмоток и того, насколько плотно они прилегают друг к другу. Чем мощнее трансформатор, больше ток, на который он рассчитан, тем толще провод, тем больше индуктивность связи. Если для маленьких трансформаторов эта индуктивность ничтожно мала, то для силовых изделий может составлять 10% и более индуктивности первичной обмотки.

Вот и причины, по которым прямоходная, обратноходная и пушпульная топологии не применяются для мощных, силовых схем. Управлять большими токами невозможно совсем не потому, что это не позволяют делать сами силовые биполярные или полевые транзисторы, а потому, что этому мешает паразитная индуктивность нагрузки. Защита от перегрузки по току современных источников питания построена по принципу прерывания тока при превышении его силы выше определенных значений. Но взять и прервать слишком большой ток просто невозможно. Всплеск напряжения на силовом ключе выведет его из строя.

Способы борьбы с самоиндукцией, индуктивным скачком напряжения

Очень жаль, ведь названные топологии обладают рядом неоспоримых преимуществ. Прежде всего, это экономические преимущества: меньшие потери, более высокий КПД, простота схемы, ее наладки (меньшие трудозатраты на сборку и наладку), меньшее количество деталей и их суммарная стоимость. Но не все потеряно. Есть несколько путей для преодоления описанных проблем:

• Правильное проектирование силового трансформатора
• Использование демпфирующих цепей, в том числе с нулевыми потерями
• Резонансные преобразователи, включение индуктивности утечки в резонансный контур
• Применение активных схем ограничения напряжения на силовых ключах.

Готовятся к публикации следующие статьи:

• Проектирование и расчет силового импульсного трансформатора с учетом индуктивности утечки
• Проектирование и расчет цепей демпфирования, демпферов
• Демпфер без потерь. Применение, тонкости, расчет

Мостовая и полумостовая топологии не страдают от паразитных индуктивностей и самоиндукции

Почему мостовая и полумостовая топологии не подвержены проблеме пробоя силовых ключей? Ответ прост. В этих топологиях конструктивно невозможно возникновение напряжения выше напряжения питания на силовых ключах. Если напряжение на коллекторе (стоке) нижнего транзистора становится выше напряжения питания, то оно тут же отводится в цепи питания через шунтирующий диод верхнего транзистора. Если напряжение на эмиттере (истоке) верхнего транзистора становится меньше нуля, то оно тут же восстанавливается до нуля из цепей питания через шунтирующий диод нижнего транзистора. Такая защита не связана с индуктивностями и совершенно не инертна, работает моментально.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.