نوسانات لحظات کلیدزنی که راه حل آن استفاده از مدار اسنابر می‌باشد.

مدار اسنابر چیست و لزوم استفاده از آن چه می‌باشد؟

حسین فروزانی الکترونیک قدرت, مقالات ارسال دیدگاه 7,619 بازدید

در این پست می‌خواهیم به بررسی مدار اسنابر در مدارات الکترونیک قدرت نظیر مبدل های توان باک ، بوست یا هر نوع دیگر بپردازیم. توجه داشته باشید که برای طراحی Snubber تکینیک‌هایی وجود دارد که پس از آشنایی با لزوم استفاده از مدار اسنابر در یک پست جداگانه به آن خواهیم پرداخت.

در این وب‌سایت می‌توانید برای درخواست انواع پروژه های مهندسی و صنعتی به لینک “درخواست انجام پروژه” مراجعه کنید.

نقش مدار اسنابر در سیستم‌های الکترونیک قدرت

مدار اسنابر در تجهیزات الکترونیک خصوصاً الکترونیک قدرت، عبارت است از مدار ساده‌ای که موجب کاهش تنش قرار گرفته روی المان‌های نیمه‌هادی نظیر دیودها، ماسفت‌ها و IGBTها در لحظات سوئیچینگ می‌شود. به بیان ساده‌تر مثلاً زمانی که در لحظات خاموش شدن یک دیود هرزگرد [1] به منظور بهبود سرعت کلیدزنی و کاهش زمان بازیابی معکوس دیود، دچار پدیده‌ی بیش‌ولتاژی [2] می‌شویم، می‌توان با یک مدار ساده‌ متشکل از یک خازن و یک مقاوت که به صورت موازی با این دیود قرار می‌گیرد،

کاری کنیم تا پیک ولتاژ بایاس معکوس کاهش یافته و در محدوده‌ی ایمن برای دیود قرار گیرد.

به این مدار در اصطلاح مدار اسنابر RC گفته می‌شود.

مبدل توان Buck و نیاز آن به طراحی Snubber

برای بیان بهتر منظور خود سراغ یک مدار مبدل کاهنده که در بازار به آن مبدل باک گفته می‌شود، می‌رویم. شکل این مدار به صورت زیر است.

همان‌طور که در شکل فوق مشاهده می‌کنید، مبدل باک از یک سوئیچ اصلی که معمولاً یک MOSFET قدرت می‌باشد به اضافه‌ی یک دیود هرزگرد تشکیل شده است. در خروجی این مبدل یک فیلتر پایین گذر [3] LC وجود دارد تا هارمونیک‌های فرکانس سوئیچینگ را حذف کرده و فقط مقدار DC خالص را از خود عبور دهد. همچنین یک مدار به منظور درایو پایه‌ی گیت ماسفت وجود دارد که شکل موج مخصوص با دوره‌ی کار دلخواه را برای آن به صورت PWM ارسال می‌کند. این مبدل توان باک بدون مدار اسنابر می‌باشد.

اکنون می‌خواهیم مشکلاتی که ممکن است در اثر عدم وجود اسنابر در این مبدل به وجود آید را بررسی کنیم.

در شکل فوق شکل موج ولتاژ و جریان ماسفت (سوئیچ اصلی) و دیود مدار مبدل کاهنده را مشاهده می‌کنید. توجه داشته باشید که در این شکل اثر خازن‌های ماسفت و سایر عوامل ایجاد تلفات در مدار حذف شده‌اند. این مبدل توان باک بدون مدار اسنابر می‌باشد. همان‌طور که در شکل فوق می‌بینید، دربازه‌ی زمانی بازیابی معکوس دیود که آن را با ${{t}_{r}}$ نمایش می‌دهیم، شاهد یک پیک منفی در جریان دیود و به تبع آن یک پیک جریان مثبت در ماسفت هستیم. (در یک پست جداگانه به بررسی دقیق‌تر پدیده‌ی بازیابی معکوس دیودها خواهیم پرداخت.)

هر قدر این این پیک بزرگتر بوده و بازه‌ی زمانی بازیابی معکوس یعنی ${{t}_{r}}$ طولانی‌تر باشد،‌ تلفات سوئیچینگ ماسفت (در زمان خاموش شدن دیود) بیشتر خواهد شد.

توجه داشته باشید هنوز مدار اسنابر به این مبدل توان کاهنده اضافه نشده است. در پست بعدی روش های طراحی Snubber خازن-مقاومتی توضیح داده می‌شود

اگر فرض کنیم ولتاژ ماسفت در بازه‌ی زمانی ${{t}_{r}}$ تقریباً با ولتاژ ورودی برابر است، یعنی ${{v}_{A}}(t)={{V}_{g}}$ است؛ آن‌گاه می‌توان توان تلف شده در ماسفت در این بازه‌ی زمانی را محاسبه نمود. این فرض در صورت استفاده از یک دیود با فاکتور S کوچکتر از ۱ صحیح می‌باشد. در این باره بعداً در یک پست دیگر توضیحات بیشتری داده خواهد شد.

\[{W_D} = \int\limits_{{t_r}} {{v_A}} (t) \underbrace {{i_A}(t)}_{{i_L} – {i_B}(t)} dt \]

\[ \Rightarrow {W_D} = \int\limits_{{t_r}} {{V_g}} ({i_L} – {i_B}(t)) dt ; {v_A}(t) \approx {V_g}\]

بنابراین انرژی تلف شده در ماسفت در بازه‌ی زمانی ${{t}_{r}}$ را می‌توان از به صورت جمع دو انتگرال زیر در نظر گرفت:

\[{W_D} = \int\limits_{{t_r}} {{V_g}} {i_L}dt + \int\limits_{{t_r}} {{V_g}} ( – {i_B}(t)) dt\]

\[ \Rightarrow {W_D} = {V_g} {i_L} {t_r} + {V_g} {Q_r}\]

در این رابطه ${{Q}_{r}}$ کل بار الکتریکی بازیابی شده در بازه‌ی زمانی ${{t}_{r}}$ می‌باشد که از انتگرال زیر به دست می‌آید.

\[\int\limits_{{{t}_{r}}}{-{{i}_{B}}(t)dt}\]

توجه داشته باشید که در این انتگرال، از آن جا که جریان عبوری از دیود در بازه‌ی زمانی ${{t}_{r}}$ منفی است، یعنی ${{i}_{B}}(t)<0$ بنابراین منفی آن مثبت می‌باشد یعنی $-{{i}_{B}}(t)>0$ است.

توجه داشته باشید هنوز مدار اسنابر به این مبدل توان کاهنده اضافه نشده است. در پست بعدی روش های طراحی Snubber خازن-مقاومتی توضیح داده می‌شود.

توان تلف شده در مسافت که در این بخش به بررسی و محاسبه‌ي آن پراختیم، مربوط به زمان خاموش شدن دیود و روشن شدن ماسفت می‌باشد؛ لیکن ${{W}_{D}}$ توانی است که ناشی از فرایند بازیابی معکوس در ماسفت تلف می‌شود.

در فرایند روشن شدن ماسفت، دو توان در این سوئیچ تلف می‌شود، اول توانی که به دلیل وجود خازن‌های داخلی این قطعه می‌باشد و آن را با نماد ${{W}_{on}}$ نمایش می‌دهیم و دوم توانی است که در اثر فرایند بازیابی معکوس دیود، در ماسفت تلف می‌شود و به همین دلیل آن را با نماد ${{W}_{D}}$ نشان می‌دهیم. توجه داشته باشید که این توان تلفی، خود از دو بخش تشکیل شده است. بخش ِ${{V}_{g}} {{Q}_{r}}$ توانی است که ماسفت برای تأمین جریان منفی به منظور تخلیه‌ی حامل‌های بار اقلیت در دیود تأمین می‌کند و بخش ِ${{V}_{g}} {{i}_{L}} {{t}_{r}}$ توانی است که به دلیل طولانی شدن فرایند روشن شدن ماسفت به میزان ${{t}_{r}}$ در ماسفت تلف می‌شود.

بدیهی است اگر دیود ایده‌آل بود، بدین معنا که ${{t}_{r}}=0$ آن‌گاه این جمله مربوط به ${{W}_{D}}$ وجود نمی‌داشت.

تذکر: در این روابط منظور از ِ${{i}_{L}} $ جریانی است که از سلف فیلتر LC در بازه‌ی زمانی کلیدزنی می‌گذرد. توجه داشته باشید که این این بازه‌ این قدر کوتاه است که می‌توان از تغییرات جریان سلف فیلتر LC چشم‌پوشی نمود و آن را تقریباً ثابت در نظر گرفت.

همین‌طور منظورمان از نماد ${{V}_{g}} $ ولتاژ ورودی است که در این مثال ساده آن را نیز ثابت فرض کرده‌ایم. زیرا در عموم مبدل‌های توان ولتاژ ورودی ثابت می‌باشد.

در این‌جا نیز می‌توان میانگین توان تلف شده در ماسفت در اثر فرایند بازیابی معکوس دیود را از ضرب فرکانس سوئیچینگ ${{f}_{s}}$ در انرژی تلف شده در ماسفت ${{W}_{D}}$ به دست آوریم.

\[{{W}_{D}} {{f}_{s}}={{W}_{D}}= ( {{V}_{g}} {{i}_{L}} {{t}_{r}} ) {{f}_{s}}+( {{V}_{g}} {{Q}_{r}} ) {{f}_{s}}\]

ذکر یک نکته:

در بین تمام مقادیر مربوط به تلفات توان سوئیچینگ،${{W}_{D}} {{f}_{s}}$

بیشترین مقدار را به خود اختصاص می‌دهد.

از این رو می‌توان اهمیت استفاده از دیودهای سریع را دریافت.

این روش به عنوان یک راهکار عملی در کاهش بازه‌ی زمانی بازیابی معکوس دیود

وبه تبع آن کاهش تلفات کلیدزنی در خاموش شدن دیود، مؤثر می‌باشد.

البته یکی دیگر از راه‌هایی که می‌توان بازه‌ی زمانی بازیابی معکوس دیود را کاهش داد،

کاهش مشتق جریان عبوری از دیود در زمان خاموش کردن آن است.

اما توجه داشته باشید که این کار بدون تبعات نیست

و یکی از تأثیرات مستقیم آن مقدار ماکزیمم جریان بازیابی معکوس که آن را با نماد ${{I}_{rrm}}$ نمایش می‌دهمیم، می‌باشد.

در پست بعد روشی گام به گام در طراحی Snubber شرح داده شده است. خواندن آن به علاقه‌مندان توصیه می‌شود.

در این باره توضیحات مفصلی در جلد اول از کتاب ”روش‌های کنترلی در سیستم‌های الکترونیک قدرت“ به همراه روابط ریاضی و جزئیات دقیق ارائه شده است. در صورت تمایل این کتاب را می‌توانید از همین سایت تهیه کنید.

نکته‌ی بسیار مهم: پدیده‌ی فیزیکی نامطلوب دیگری که به طور همزمان با افزایش ${{I}_{rrm}}$ رخ می‌دهد،

افزایش پیک ولتاژ بایاس معکوس است که منجر به افزایش چشمگیر تلفات سوئیچینگ می‌شود.
منشأ فیزیکی این موضوع، وجود خاصیت اندوکتانسی موجود در بسته‌بندی‌های ادوات نیمه‌هادی [4] و اتصالات [5] موجود در برد الکترونیکی می‌باشد. البته در مبدل‌های توان ایزوله که در آن‌ها از ترانسفورماتور استفاده می‌شود، باید به دو مورد قبل، اندوکتانس نشتی [6] ترانسفورماتور را نیز افزود. در این باره در کتاب ”روش‌های کنترلی در سیستم‌های الکترونیک قدرت“ به طور کامل صحبت شده است.
یکی دیگر از تبعات نامطلوب افزایش پیک ولتاژ بایاس معکوس، افزایش احتمال آسیب به ماسفت به دلیل خارج شدن بیشینه‌ی ولتاژ اعمال شده به آن در فرایند خاموش شدن دیود، از محدوده‌ی ایمن ذکر شده در برگه‌ی اطلاعات آن می‌باشد. این مورد در مقایسه با مورد اول،‌ خطرات بیشتری داشته و برای آن باید حتماً به فکر استفاده از مدار اسنابر افتاد.

اگر بخواهیم اجمالاً به تأثیر اندوکتانس پارازیتی در افزایش پیک ولتاژ بایاس معکوس صحبت کنیم کافی است شکل زیر را در نظر داشته باشیم.

در این شکل نمودار جریان و ولتاژ دیود قدرت در لحظات پیش و پس از خاموش شدن دیود

با تمرکز بر روی بازه‌ی زمانی مهم ِبازیابی معکوس، رسم شده است.

برای سادگی در تحلیل، مدار متصل به دیود را با یک منبع جریان به اندازه‌ی ${{I}_{F}}$،

یک منبع ولتاژ به اندازه‌ی ${{V}_{R}}$ ،

یک مقاومت به اندازه‌ی $R$

و یک سلف به اندازه‌ی ${{L}_{R}}$ که دربردارنده‌ی مجموع اندوکتانس‌های پارازیتی متصل به این دیود می‌باشد، مدل می‌کنیم.

توجه داشته باشید هنوز مدار اسنابر به این مبدل توان کاهنده اضافه نشده است. در پست بعدی روش های طراحی Snubber خازن-مقاومتی توضیح داده می‌شود

در این مدل مداری،‌ جریان عبوری از دیود در بایاس مستقیم با یک منبع جریان مدل شده است

که پس از کلیدزنی (خاموش شدن دیود) این منبع جریان اتصال کوتاه می‌گردد

و در نتیجه از مدار اصلی خارج می‌شود.

ولتاژ بایاس معکوس که از سمت سایر بخش‌های مدار به این دیود اعمال می‌شود

نیز با یک منبع ولتاژ سری با دیود و مقاومت و سلف، مدل شده است.

پس از آن‌که ولتاژ‌ دو سر دیود رو به کاهش گذاشت و منفی شد،

این ولتاژ به یک مازکیمم مقدار با علامت منفی خواهد رسید. از روی شکل فوق کاملاً مشخص است

که ولتاژ پیک از جمع ولتاژ بایاس معکوس ${{V}_{R}}$ با یک مقدار دیگر حاصل می‌گردد.

با توجه به شکل، اگر شیب نمودار جریان دیود پس از آن‌که به طور کامل بایاس معکوس شد،

دارای یک ماکزیمم به اندازه‌ی ${{(d{{I}_{R}}/dt)}_{\max }}$ باشد، می‌توان رابطه‌ی زیر را بازنویسی کرد:

${{V}_{Peak}}={{V}_{R}}+{{L}_{R}} {{(\frac{d{{I}_{R}}}{dt})}_{\max }}$

در تکمیل این موارد به یک نکته‌ی دیگر نیز اشاره‌ خواهیم داشت.

ذکر یک نکته:هر قدر رفتار دیود در بازیابی معکوس ناگهانی‌تر باشد (فاکتور S آن کوچکتر باشد)

احتمال ایجاد حالت نوسانی در ولتاژ و جریان دیود در بازه‌ی زمانی بازیابی معکوس آن بیشتر می‌شود.

هر دوی این عوامل از دید یک طراح با تجربه‌ی سیستم‌های سوئیچینگ، عوامل نامطلوبی محسوب می‌شوند.

راه حل این رفع این نقیصه‌های مداری همان‌طور که به آن اشاره شد مدار اسنابر است.

حمع‌بندی: راه حل رفع این مشکلات استفاده از یک مدار ساده متشکل از یک خازن و یک مقاوت به نام مدار اسنابر می‌باشد. اسنابر دو کار بسیار مهم زیر را انجام می‌دهد:

۱- باعث کاهش پیک ولتاژ بایاس معکوس و در نتیجه ایجاد محافظت از دیود در برابر سوختن می‌شود.

۲- نوسانات را میرا می‌کند.

در آخر نمایی از یک مدار مبدل کاهنده به انضمام مدار اسنابر RC به منظور محافظت از دیود D مشاهده می‌کنید.

مقاومت و خازن مدار اسنابر RC به صورت موازی با دیود هرزگرد موجب کاهش نوسانات ولتاژ در لحظات کوتاه پس از کلیدزنی می‌شود.

توجه داشته باشید که در این شکل سوئیچ اصلی که عموماً یک ماسفت قدرت می‌باشد

به صورت یک کلید ساده با نماد T مدل شده است.

یک نکته‌ی مهم دیگر که در آخر بد نیست به آن اشاره داشته باشیم این است که سوئیچ اصلی و دیود هرزگرد

که در برخی از منابع از آن با نام سوئیچ فرعی نیز نام برده می‌شود و در زمان‌های خاموشی دیود اصلی جریان بار را هدایت کرده

و مسیری برای برقراری مدار ایجاد می‌کند، هر دو در یک گره مداری به نام نقطه‌ی سوئیچنگ به یکدیگر متصل هستند،‌ از این رو است که هر گونه نوسان یا افت و خیز ولتاژ و جریان در دیود هرزگرد به طور مستقیم بر روی سوئیچ اصلی یا همان ماسفت تأثیر گذار است.

نظرات و سؤالات خود را در بخش نظرات مطرح کنید.

[1] Freewheeling

[2] Overvoltage

[3] Low pass filter

[4] Semiconductor device package

[5] Interconnections

[6] Transformer leakage inductance

برای مطالعه‌ی مطالب بیشتر در باره‌ی مدار اسنابر RC جلد اول از کتاب ”روش‌های کنترلی در سیستم‌های الکترونیک قدرت“ را از همین سایت تهیه کنید. در فصل ۴-ام این کتاب مفصلاً درباره‌ی مدار اسنابر RC و روش‌های طراحی Snubber خازن-مقاومتی به صورت گام به گام توضیح داده شده است. همچنین فصل ۵-ام این کتاب به مدار اسنابر RCD و روش‌های طراحی Snubber خازن-مقاومت-دیودی اختصاص دارد. نقش اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور فلایبک Flyback و روش طراحی مدار اسنابر RCD نوع کلمپ نیز در فصل ۵-ام به طور دقیق و اصولی مطرح شده است.