Mạch Snubber là gì ? Tính toán mạch snubber

Snubber là gì?

Snubber là một dạng mạch bảo vệ chống lại các đỉnh điện áp, hiệu ứng ringing và dao động. Snubber hoạt động bằng cách kẹp các đỉnh điện áp nhưng không làm thay đổi tần số ringing hoặc thực hiện cùng chức năng đó. Thiết kế mạch Snubber là một trong những nhiệm vụ phức tạp trong thiết kế mạch. Nó đòi hỏi kiến thức sâu về nền tảng mạch để thiết kế một mạch snubber tốt. Tuy nhiên, sau khi đọc bài này, bạn có thể tự thiết kế mạch snubber của riêng mình.

Phân loại chung về Thiết kế Mạch Snubber

Lossy hay Phân tán

Mạch snubber lossy là mạch tiêu thụ công suất. Về mặt hiệu suất hệ thống, việc sử dụng loại này là bất lợi đặc biệt đối với các nguồn cấp điện nhắm đến yêu cầu hiệu suất rất cao. Tuy nhiên, loại này ít phức tạp hơn và dễ thiết kế hơn. Snubber phân tán sử dụng điện trở và đôi khi là diode làm các phần tử phân tán.

Không tổn hao hay Không phân tán

Mạch snubber không tổn hao là mạch không tiêu thụ công suất. Đây thường là giải pháp phức tạp và đắt tiền. Loại này được ưa chuộng cho các ứng dụng hiệu suất cao. Snubber không phân tán sử dụng cuộn cảm và tụ điện.

So sánh tổn hao công suất của Snubber Lossy và Non-lossy

Tổn hao của Snubber Lossy phụ thuộc vào việc lựa chọn các thiết bị snubber. Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mức độ đỉnh điện áp cần triệt tiêu và tần số ringing. Đối với hầu hết các ứng dụng, tổn hao của snubber phân tán được giảm thiểu và có thể chấp nhận được, do đó các nhà thiết kế luôn sử dụng nó để thiết kế nhanh và dễ dàng.

Snubber không tổn hao lý tưởng là không tổn hao hoặc không tiêu thụ công suất. Tuy nhiên, không có thứ gì là lý tưởng cả nên nó vẫn có tổn hao nhỏ. Trong nhiều thiết kế mạch snubber trước đây mà tôi đã thực hiện (nói về snubber phân tán), tôi đã đặt được công suất tổn hao dưới 1W cho công suất 500W hoặc thậm chí cao hơn. Điều này tương ứng với 0.2% công suất đầu ra, là không đáng kể đối với hiệu suất.

Thiết kế mạch Snubber thường được sử dụng trong các ứng dụng thực tế

Mặc dù có nhiều biến thể snubber, thiết kế mạch snubber thường tập trung vào hai cấu hình thường được sử dụng.

Thiết kế mạch Snubber RC

Từ chính tên gọi, nó sử dụng điện trở và tụ điện để tạo thành một mạch snubber. Đây là các snubber thường được sử dụng cho các MOSFET chuyển mạch.

Một số mạch sử dụng thiết kế mạch Snubber RC

Topology Boost Converter

Buck Converter

Bộ chỉnh lưu đồng bộ DC-DC

Thiết kế mạch Snubber RCD

Đối với một số nhà thiết kế, họ gọi đây là kẹp RCD thường xuyên hơn snubber RCD.

Đó là vì nó sẽ kẹp các đỉnh điện áp mà không làm thay đổi đỉnh hay tần số ringing. Snubber RCD bao gồm điện trở, tụ điện và diode.

Một số mạch sử dụng thiết kế mạch Snubber RCD

Flyback Converter

Forward Converter

Snubber RC hoạt động như thế nào

Snubber RC thường được sử dụng trong các bộ chuyển đổi chuyển mạch để giới hạn đỉnh điện áp trên thiết bị chuyển mạch ở mức an toàn. Không chỉ đơn giản là kẹp đỉnh điện áp, mà còn sửa đổi tần số đỉnh hoặc hành vi ringing để ngăn chặn các vấn đề khác.

Snubber RC hoạt động bằng cách sửa đổi tần số ringing cũng như hạ thấp mức đỉnh điện áp. Tụ điện đóng vai trò lưu trữ điện tích và điện trở cung cấp đường phóng điện. Ví dụ trong mạch dưới đây, snubber RC R1 và C1 bảo vệ MOSFET Q1 khỏi đỉnh điện áp trên drain. Khi MOSFET tắt, tụ snubber sẽ sạc qua R1.

Khi MOSFET bật, tụ sẽ phóng điện qua R1 đến MOSFET và xuống đất mạch. Chu kỳ sẽ lặp lại khi tụ rỗng. Điện trở là phần tử phân tán công suất. Trong một chu kỳ chuyển mạch, có hai lần dòng điện chạy qua điện trở. Hình minh họa dưới đây gọi các dòng điện là dòng sạc và dòng phóng.

Thực tế là snubber RC có khả năng sửa đổi tần số ringing, nó đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến EMI. Trước đây, tôi đã giải quyết được nhiều vấn đề EMI bằng cách sử dụng snubber RC trên MOSFET và diode chuyển mạch.

Điều gì tạo ra ringing và đỉnh điện áp trong MOSFET chuyển mạch?

Ringing và đỉnh điện áp được gây ra bởi sự tương tác của độ tự cảm rò và điện dung đầu ra của MOSFET. Chính độ tự cảm rò sẽ gây ra đỉnh điện áp chứ không phải độ tự cảm mong muốn. Độ tự cảm rò sẽ lưu trữ năng lượng nhưng năng lượng này không được truyền đến tải hoặc đến hệ thống mong muốn và do đó không có nơi nào để đi.

Sơ đồ dưới đây là một bộ chỉnh lưu đồng bộ phổ biến trong chỉnh lưu cầu đầy tâm. Cấu trúc mạch này phổ biến trong phần DCDC của SMPS. Năng lượng trong độ tự cảm mong muốn sẽ được truyền đến tải (phía đầu ra) nhưng năng lượng rò không có nơi nào để đi.

Q1 và Q2 trong sơ đồ trên sẽ không hoạt động cùng lúc. Khi Q1 bật, Q2 tắt và ngược lại. Mạch có thể được đơn giản hóa bằng cách chỉ lấy từng MOSFET riêng lẻ như dưới đây.

Mức VDD chỉ lý tưởng gấp đôi mức đầu ra cộng với đỉnh.

Thiết kế và phân tích mạch Snubber RC

Không có phương pháp hoàn hảo nào để sử dụng trong việc chọn các thành phần snubber RC. Tuy nhiên, có những kỹ thuật đã được chứng minh là hoạt động tốt trong thiết kế thực tế. Một trong những tài liệu mà tôi cũng tham khảo là application note của NXP semiconductor, AN11160 có tiêu đề Thiết kế snubber RC. Đây là một cách tiếp cận lý thuyết và thực tế tốt để chọn các giá trị khởi đầu cho snubber RC.

Các thông số quan trọng cần xem xét cho các linh kiện được chọn là điện áp và công suất tiêu tán của điện trở snubber. Điện áp định mức của tụ điện và điện trở phải cao hơn đỉnh điện áp.

Tổn hao công suất trong Snubber RC

Nguyên nhân gây tổn hao công suất trong snubber RC là điện trở. Kích thước điện trở phù hợp phải được chọn về mặt tổn hao công suất và hiệu quả của snubber. Điện trở quá cao có tổn hao công suất thấp hơn nhưng có thể cung cấp snubber không hiệu quả. Mặt khác, điện trở thấp hơn rất có thể có thể cung cấp snubber hiệu quả nhưng hiệu suất của hệ thống sẽ bị ảnh hưởng do tổn hao công suất cao hơn trong snubber RC.

Cách tính tổn hao công suất trong điện trở Snubber RC

Trong mạch dưới đây, Rsn và Csn tạo thành mạng snubber RC. Khi Q1 bật, điện tích trên tụ snubber sẽ đi qua Rsn để phóng. Ngay khi Q1 tắt, tụ Csn sẽ sạc qua Rsn. Do đó, trong một chu kỳ chuyển mạch, dòng điện sẽ đi qua điện trở hai lần.

Dưới đây là các dạng sóng quan trọng để phân tích. Tổng công suất tiêu tán RMS trên điện trở phụ thuộc vào VRMS1 và VRMS2. Thực tế, dạng sóng RMS1 nằm trên trục y âm vì nó xảy ra khi tụ phóng. Tuy nhiên, vì chúng ta sẽ lấy giá trị RMS nên chúng ta vẽ dạng sóng trên trục y dương. Để tính RMS, điều này không quan trọng.

Định nghĩa:

VRMS1 – Giá trị RMS của dạng sóng điện áp điện trở khi tụ đang phóng

VRMS2 – Giá trị RMS của dạng sóng điện áp điện trở khi tụ đang sạc

VDRAIN – Điện áp drain của Q1

VCSN – Điện áp tụ snubber

VRSN – Điện áp điện trở snubber

PWM – tín hiệu điều chế độ rộng xung trên cổng của Q1 để bật và tắt nó

T – Một chu kỳ chuyển mạch

Ton – thời gian Q1 bật hoặc PWM ở mức cao

5RC – đơn giản là 5 tau hoặc 5 hằng số thời gian

t1 – thời điểm điện áp trên điện trở trở thành 0 sau khi Q1 tắt

Lưu ý: trong các dẫn xuất dưới đây, diện tích dưới đường cong được coi là hình tam giác để tích phân dễ dàng hơn. Do đó, kết quả tính toán có thể hơi cao hơn kết quả thực nghiệm.

Dẫn xuất:

t1

Khi Q1 tắt, tụ snubber sẽ sạc và điện áp của nó sẽ tăng theo hàm mũ trong khi điện trở snubber sẽ thấy điện áp rất cao ban đầu nhưng giảm theo hàm mũ, Do đó

Trong đó;

VDS – trạng thái ổn định của điện áp drain của Q1 (không có đỉnh)

VDSMAX – là điện áp drain đỉnh (có đỉnh)

VRMS1

VRMS1 xuất hiện từ thời điểm 0 đến trạng thái phóng hoàn toàn của tụ xảy ra tại 5 hằng số thời gian.

Trong đó;

VRSN_DIS – mức đỉnh của điện áp điện trở trong quá trình phóng. Giá trị này bằng với mức điện áp drain không có đỉnh.

VRMS2

VRMS2 xuất hiện từ thời điểm Q1 tắt cho đến t1. Vì vậy,

Trong đó;

VRSN_CHA – mức đỉnh của điện áp điện trở trong quá trình sạc (có đỉnh điện áp)

Tổng điện áp RMS của điện trở Snubber

Công suất tiêu tán trên điện trở Snubber

Ví dụ tính tổn hao công suất trong thiết kế mạch Snubber RC

Ví dụ thiết kế này có một biến áp tâm với một bộ chỉnh lưu đồng bộ trên mỗi nhánh biến áp. Q1 và Q2 có hoạt động bổ sung (lý tưởng là 50% duty không tính thời gian chết).

Khi Q1 tắt, điện áp drain của nó sẽ thấy ban đầu một đỉnh điện áp cao sau đó ổn định ở mức gấp đôi Vout vì L1 và L2 có cùng số vòng. Trong thời gian này C1 sẽ sạc.

Khi Q1 bật, nó sẽ cung cấp đường nối đất để điện tích trong C1 phóng qua R1. Lúc này, mức đỉnh của điện áp trên R1 chỉ gấp đôi Vout cộng với độ sụt trên Q2.

Cho:

Vout = 24V

CSN = 1nF

RSN = 51Ω

Fsw = 110kHz (tần số chuyển mạch)

VDSMAX = 80V (đỉnh điện áp đo được)

VSR_DROP = 0.2V (ước tính độ sụt điện áp của Q1 hoặc Q2 khi bật)

Giải:

Phương pháp nhanh để tính tổn hao công suất trong thiết kế mạch Snubber RC

Giải pháp trên khá phức tạp và cần kiến thức kỹ thuật rất cao. Có một giải pháp trực tiếp hơn có thể được sử dụng. Điều này là đủ tốt nếu bạn có biên độ lớn trong thiết kế vì nó sẽ cho ra công suất tiêu tán cao hơn. Tuy nhiên, nếu bạn muốn kết quả thực tế hơn, bạn phải sử dụng phân tích trước đó.

Vì năng lượng trong quá trình sạc và phóng có cùng độ lớn, nên chúng ta chỉ cần xét một trong hai để tính năng lượng. Hãy xem xét trạng thái phóng trong phân tích này.

Vì vậy,

Với tần số chuyển mạch 110 kHz và điện áp drain tối đa 80V, tụ snubber 1nF, công suất tiêu tán trên điện trở là

Kết quả theo cách tiếp cận này cao hơn phương pháp trước và kết quả đo thực tế. Phương pháp trước (phương pháp dài) cho kết quả 0.545 watt; trong khi phương pháp rút gọn này cho kết quả 0.704 watt.

Thiết kế và phân tích mạch Snubber RCD

Snubber RCD đôi khi được gọi là kẹp RCD vì nó thực sự kẹp các đỉnh điện áp. Kẹp RCD đóng vai trò như một nguồn điện áp trở kháng thấp. Nó có ba thành phần chính như tên gọi; điện trở cho R, tụ điện cho C, D cho diode. Điện trở sẽ tiêu tán công suất từ năng lượng rò lưu trữ trong khi tụ đảm bảo một nguồn DC gợn sóng thấp. Diode đóng vai trò như một công tắc một chiều. Mạch dưới đây được khoanh tròn bằng hình chữ nhật xanh là snubber RCD.

Kẹp hoặc snubber RCD thường được sử dụng trong bộ chuyển đổi flyback, vì vậy chúng ta sẽ thiết kế các giá trị RCD dựa trên flyback.

Để suy ra các phương trình, điều rất quan trọng là phải biết dạng sóng và cách phân tích nó. Tôi đang chỉ ra ở đây các dẫn xuất nhưng không cần phải ghi nhớ nó, chỉ cần sử dụng công thức mà tôi đã suy ra.

Dẫn xuất Rsn

Biểu thị theo Vclamp và biểu thị điện áp drain;

Trong phương trình trên, “OF” là viết tắt của “other factor” (hệ số khác). Trong các dẫn xuất trước, giả sử rằng dòng điện sẽ chỉ chạy đến kẹp RCD và diode Dsn lý tưởng có thời gian phục hồi thuận bằng 0. Trong thiết kế thực tế, một phần dòng điện có thể chạy đến tụ drain và thời gian phục hồi thuận của diode không phải bằng 0. Những điều này sẽ làm cho điện áp kẹp tính toán nhỏ hơn thực tế. Để bù lại điều này, phải thêm biên độ bổ sung. Một ước tính tốt là đặt OF từ 20-30%.

Dẫn xuất Csn

  • Một số tác giả cho rằng tụ điện phải đủ lớn để điện áp kẹp không thay đổi nhiều trong một chu kỳ chuyển mạch.
  • Một điểm khởi đầu tốt khi chọn tụ là đặt tỷ lệ Vremained trên Vclamp bằng 50%. Điều này có nghĩa là điện áp gợn sóng của mạng kẹp bằng một nửa điện áp kẹp.

Công suất tiêu tán trên điện trở có thể được tính như sau:

PRsn = Vclamp/ Rsn

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Press ESC to close