Mạch Snubber là gì ? Tính toán mạch Snubber

SiC MOSFET đang trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch nhanh và hiệu quả, chẳng hạn như các ứng dụng cung cấp điện. Mặt khác, khả năng chuyển đổi nhanh gây ra dv/dt và di/dt cao, kết hợp với độ tự cảm của Chính MOSFET và mạch xung quanh, dẫn đến điện áp và dòng điện tăng vọt giữa các cực S và cực D của MOSFET. Điện áp và dòng điện đột biến phải được kiểm soát để không vượt quá điện áp/dòng điện định mức tối đa của thiết bị. Vậy Mạch Snubber là gì ? Tính toán mạch Snubber như thế nào hãy cùng tham khảo bên dưới đây với Bảo Khang Electric nhé !

Mạch Snubber là gì ?

Mạch Snubber sẽ giới hạn hoặc dừng biên độ điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng của nó, do đó làm giảm sự tiêu hao năng lượng. Ở dạng đơn giản nhất, một mạch snubber về cơ bản bao gồm một điện trở và tụ điện được nối qua Công tắc bán dẫn ( MOSFET hoặc thyristor).

Mạch Snubber là gì ?
Mạch Snubber là gì ?

Công dụng của mạch Snubber  :

  • Giảm hoặc loại bỏ xung điện áp và/hoặc dòng điện;
  • Giới hạn dl/dt hoặc dV/dt;
  • Định hình đường tải để giữ nó trong khu vực vận hành an toàn;
  • Giảm tổng tổn thất chuyển mạch;
  • Giảm EMI bằng cách giảm điện áp; và
  • Chuyển công suất tiêu tán từ công tắc sang điện trở (hoặc tải hữu ích).

Mạch snubber trong điện tử công suất

Trong các nguồn chuyển mạch đơn giản có công tắc bán dẫn nguồn (MOSFET hoặc thyristor) và tải điện trở, điện áp và dòng điện của thiết bị lớn khi MOSFET hoặc thyristor chuyển đổi giữa bật hoặc tắt. Về bản chất, điều này dẫn đến sự tiêu hao năng lượng cao trên thiết bị và hậu quả là tổn thất năng lượng cao.

Mạch snubber trong điện tử công suất
Mạch snubber trong điện tử công suất

Khi công tắc mở để ngắt dòng điện trong tải điện trở, sự biến đổi tuyến tính của điện áp và dòng điện của công tắc sẽ hiển thị dưới dạng sóng. Công suất tiêu tán cực đại thu được sẽ bằng một phần tư tích của điện áp và dòng điện cực đại, rất cao trong các mạch chuyển mạch điện áp cao. Ở một tải điện dung, sự tiêu tán còn lớn hơn.

Tuy nhiên, bằng cách sử dụng mạch snubber được kết nối qua MOSFET hoặc thyristor, những tổn thất không mong muốn này có thể được giảm thiểu.

Dòng điện được chuyển hướng vào Mạch snubber – bộ phận này ban đầu không được tích điện – khi công tắc mở. Sự chuyển hướng này làm chậm quá trình tích tụ điện áp công tắc và kết quả là dòng điện giảm xuống giá trị thấp trước khi điện áp của công tắc chuyển mạch có cơ hội tăng lên . Hiệu quả của việc này là điện áp chuyển mạch tăng chậm, giúp giảm tổn thất năng lượng chuyển mạch. Với sự sắp xếp này Mạch snubber trong điện tử công suất có thể đạt được tần số hoạt động cao và tổn thất chuyển mạch thấp.

Tính toán mạch Snubber

Khi bật MOSFET, dòng điện sẽ lưu trữ năng lượng trong điện cảm đi lạc của các đường dây trên bố cục PCB. Năng lượng được lưu trữ cộng hưởng với điện dung ký sinh của MOSFET  và điều đó tạo ra dòng điện tăng đột biến. Hình 1 minh họa đường dẫn của dòng điện ringing (ringing current) trong mạch nửa cầu, có công tắc phía cao (HS) và công tắc phía thấp (LS). Khi LS bật, dòng điện IMAIN chạy từ VSW qua LMAIN điện cảm lạc.

Khi tắt LS, IMAIN chạy qua dạng vòng lặp bằng LMAIN (Điện cảm lạc ), CDCLINK và điện dung ký sinh của HS và LS, như được hiển thị bằng đường chấm chấm. Trong đó CDCLINK là tụ điện Bulk (tụ điện có điện dung lớn) được đặt song song với đầu vào HVdc-PGND. Trong quá trình tắt LS, điện áp tăng đột biến trên D-S của LS do hiện tượng cộng hưởng giữa LMAIN và điện dung ký sinh của MOSFET COSS(CDS+CDG). Điện áp tối đa VDS_SURGE như trong (Công Thức 1). Trong đó VHVDC là điện áp đặt trên đầu cực HVdc và ROFF là điện trở khi tắt MOSFET :

Hình 2 cho thấy dạng sóng đột biến khi MOSFET SiC của ROHM (SCT2080KE) tắt khi áp dụng 800V trên HVdc. Theo dạng sóng ta có thể thấy VDS_SURGE đạt 961V và  Tần số ringing khoảng 33MHz, LMAIN là 110nH.

Sẽ là tốt nhất nếu độ tự cảm lạc được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên không phải lúc nào điều đó cũng thực tế vì nó có thể khiến tình trạng tản nhiệt trở nên tồi tệ hơn. Thay vào đó, đặt tụ điện snubber càng gần MOSFET càng tốt để giảm thiểu độ tự cảm đi lạc của mạch. Tụ điện snubber cũng hấp thụ năng lượng được lưu trữ trong điện cảm kết nối được giảm thiểu và kẹp điện áp đột biến trong khi MOSFET tắt.

Bước tiếp theo, CSNB tụ điện snubber được lắp vào mạch, như thể hiện trong Hình 3. Tụ điện này làm cho LMAIN không còn ảnh hưởng đến mạch như giải thích ở trên. Dạng sóng của điện áp tăng vọt khi tắt LS được thể hiện trong Hình 4.

Điện áp xung giảm hơn 50V (đạt 901V) và tần số ringing tăng lên 44,6MHz. Đó là do CSNB được đặt gần các công tắc và kết quả là điện cảm lạc (LSNB) liên quan đến đường dẫn chuyển mạch bị giảm. Trong trường hợp này, LSNB là khoảng 71nH theo phương trình (1).

Lựa chọn mạch snubber

Có hai phương pháp để xây dựng mạch snubber :

  • Sử dụng các thành phần thụ động như điện trở, cuộn cảm, tụ điện và điốt
  • Sử dụng thành phần tích cực công tắc bán dẫn.

Trong hướng dẫn này sẽ Sử dụng các thành phần thụ động như điện trở, cuộn cảm, tụ điện và điốt để đơn giản hóa tính toán cũng như chi phí.

Hình 5 cho thấy các ví dụ khác nhau về snubber :

  • (a) C snubber, trong đó tụ điện CSNB được kết nối song song với cầu MOSFET.
  • (b) RC snubber trong đó điện trở RSNB và tụ điện CSNB được kết nối song song với mỗi MOSFET.
  • (c) Snubber phóng điện RCD, trong đó một đi-ốt được thêm vào snubber RC.
  • (d) Snubber RCD không phóng điện, trong đó đường phóng điện được thay đổi từ Snubber RCD phóng điện được trình bày trong (c).

Về nguyên tắc, snubber phải được đặt càng gần MOSFET càng tốt để tối đa hóa hiệu quả của nó.

  • (a) C snubber : nó có ít thành phần hơn nhưng có đường dẫn tương đối dài hơn. Nó phù hợp hơn cho mô-đun 2in1 hơn là mạch với các thành phần rời rạc.
  • (b) RC snubber: nó có thể được đặt gần MOSFET, tuy nhiên, năng lượng được lưu trữ trong CSNB phải bị tiêu hao bởi RSNB trong mỗi lần chuyển mạch của MOSFET. Nếu tần số chuyển đổi đủ cao, RSNB sẽ tiêu hao một lượng lớn năng lượng (vài watt), điều này làm hạn chế kích thước của CSNB. Và, kết quả là, khả năng triệt tiêu đột biến của snubber bị giảm đi.
  • (c)  RCD snubber Phóng điện : RSNB tiêu hao năng lượng nhiều như ở (b) trong khi BẬT, nhưng khả năng hấp thụ đột biến của CSNB hiệu quả hơn (b) vì dòng điện đột biến chạy qua đi-ốt. Đặc tính phục hồi của diode phải được xem xét, di/dt cao trong mạch snubber có thể xảy ra trong quá trình chuyển mạch. Do đó, nên giảm thiểu điện cảm lạc càng nhiều càng tốt để hạn chế quá điện áp. Nó cũng có tác dụng tương tự nếu RSNB được kết nối song song với CSNB.
  • (d) Snubber RC không phóng điện: RSNB chỉ tiêu tán năng lượng do CSNB tạo ra trong quá điện áp, điều đó có nghĩa là snubber không xả tất cả năng lượng được lưu trữ trong CSNB ở mỗi lần chuyển mạch. Do đó, mức tiêu thụ năng lượng tại RSNB không tăng nhiều ở tần số chuyển mạch cao. Do đó, một CSNB giá trị lớn có thể được áp dụng, giúp thực hiện một mạch snubber hiệu quả cao. Nhưng cũng cần lưu ý rằng phương pháp này yêu cầu bố trí dây rất phức tạp có thể được thực hiện bằng hơn 4 lớp PCB.

Mỗi mạch snubber đều có cả ưu điểm và nhược điểm, và nên được chọn theo cấu trúc liên kết mạch và công suất.

Tính toán mạch C snubber

Mạch snubber C (Hình 6) hấp thụ năng lượng được lưu trữ tại LMAIN. Độ tự cảm đi lạc của đường dẫn snubber LSNB phải nhỏ hơn LMAIN. CSNB có giá trị lớn hơn làm cho snubber hiệu quả hơn vì năng lượng được lưu trữ tại CSNB không bị thải ra ngoài. Độ tự cảm nối tiếp của tụ điện (ESL), thêm vào LSNB phải được lưu ý vì ESL thường tăng theo kích thước tụ điện.

Tính toán mạch C snubber
Tính toán mạch C snubber

Tụ điện nên được chọn dựa trên công suất tĩnh điện được tính bằng công thức trê VDC_SURGE được định nghĩa là mức tăng cực đại của HVdc. Với giả định rằng tất cả năng lượng được lưu trữ tại LMAIN được chuyển đến CSNB.

Tính toán mạch RC snubber

Hình 7 cho thấy các vòng lặp dòng điện khi Snubber RC hoạt động. CSNB được xác định theo phương trình (2) và RSNB nhận được từ phương trình (3).

Tính toán mạch RC snubber
Tính toán mạch RC snubber
  • fSW: Tần số chuyển mạch
  • VSNB: Điện áp xả của snubber (0.9x VDS_SURGE)

Sau khi xác định giá trị của RSNB, Công suất điện trở phải được chọn dựa trên công suất tiêu thụ được tính theo phương trình (4).

Phương trình này nói rằng, fSW hoặc VHVDC càng cao thì công suất tiêu tán của RSNB càng cao. Trong trường hợp PSNB quá cao so với điện trở, cần giảm CSNB.

Ngoài ra, tần số cộng hưởng ωSNB của RSNB và CSNB phải đủ thấp hơn tần số cộng hưởng của đột biến ωSURGE, như đã trình bày ở (5). Do đó, Snubber  RC có thể hấp thụ điện áp đột biến.

Tính toán RCD snubber phóng điện

Quy trình thiết kế của bộ phận ngắt RCD phóng điện về cơ bản giống như snubber RC. Bên cạnh đó, tần số cộng hưởng không cần phải quan tâm vì sự đột biến được hấp thụ bởi Diode. Đối với diode, loại diode phục hồi nhanh là phù hợp nhất.

Tính toán RCD snubber Không phóng điện

Snubber RCD không phóng điện chỉ tiêu thụ năng lượng từ điện áp đột biến, do đó mức tiêu hao năng lượng của RSNB giảm và các tùy chọn lựa chọn cho RSNB rộng hơn. Do đó, CSNB có thể được tăng lên, và do đó, hiệu quả kẹp.

CSNB và RSNB lần lượt được xác định theo phương trình (2) và (3). Công suất tiêu thụ của RSNB được xác định theo phương trình (6) sau đây không có số hạng thứ hai của phương trình (4) bao gồm CSNB và fsw. Điều này dẫn đến khả năng hiệu quả và làm cho tần số fsw cao hơn có thể.

Hình 8 cho thấy lộ trình phóng điện ngay sau tác động cắt của loại RCD không phóng điện. Dòng phóng điện chạy ở nhánh trên tới PGND và ở nhánh dưới tới HVdc thông qua RSNB, dòng điện này không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ tự cảm của dây. Mặt khác, LSNB điện cảm dây phải càng nhỏ càng tốt để tránh quá điện áp do di/dt cao.

Hình 9 so sánh đột biến khi tắt cả VDS và ID. (a) là một mạch thử nghiệm và (b) là VDS và ID trong quá trình tắt tạm thời của MOFE.T. Các kết quả thử nghiệm đã thu được bằng cách sử dụng bảng đánh giá của ROHM (P02SCT3040KR-EVK-001) với SiC MOSFET (SCT3080KR) để xác minh tính hiệu quả của Snubber RCD không phóng điện. Thử nghiệm đã được thực hiện với RG_EXT =3,3Ω, E =800V và ID = 70A.

Điện áp cực đại khi sử dụng bộ tách âm đạt 1069V, thấp hơn 12% khi không sử dụng bộ tách âm. Không có snubber, điện áp cực đại đạt 1210V.

Hình 10 cho thấy ảnh hưởng của snubber đến hiệu suất khi sử dụng bộ chuyển đổi buck với điều kiện điện áp đầu vào 400V, điện áp đầu ra 200V, RG_EXT 6,8Ω và tần số 100 kHz.

Công suất tải được thay đổi từ 1kW đến 4,8kW. Mặc dù snubber làm cho hiệu suất kém hơn một chút 0,4% dưới phạm vi 4kW, nhưng nó đã cải thiện hiệu suất thêm 0,15% trên phạm vi 4kW. Điều này là do tổn thất điện năng do tăng điện áp tăng khi công suất tải tăng. Với snubber, điện áp đột biến bị triệt tiêu và do đó giảm tổn thất chuyển mạch.

Tổng kết về Mạch snubber

Thức chất hãy nghĩ đơn giản rằng Mạch snubber  giống như giảm sóc của xe máy giúp chúng ta đi êm ái hơn trên các con đường gồ ghề.

Trả lời

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

Back to top button