Снабберная цепь, подключаемая параллельно эмиттер-коллектор, предназначены прежде всего для соблюдения области безопасной работы (ОБР, SOA ) – не допустить превышения максимально разрешенных значений тока, напряжения, мощности, не допустить режимы, где возможен вторичный пробой. Вторая задача снабберных цепей – снижение потерь на переключение, повышение энергетической эффективности устройства. Третья задача – уменьшение электромагнитных помех, наводимых в силовых цепях, подключаемых к преобразователю.
Теперь, руководствуясь рекомендациями производителя, подберем снабберные элементы для модуля CM600DY-24F.
В зависимости от величины коммутируемых токов применяются разные схемотехнические решения. Их можно разделить на два основных – индивидуальные и общие.
b) Зарядно-разрядный RCD-снаббер
c) Разрядно-гасительный RCD-снаббер
Для инверторов, по рекомендациям Mitsubishi подходят схемы c,d,e. Для маломощных, до 100А, подходит схема D. Например, такие применяются в Новополоцких ПЧТТ мощностью 22-30кВт. Там стоят по одному 100-амперному модулю в каждой фазе. DC-шина там простая – две алюминиевые шинки объединяют коллекторы и эмиттеры. Демпферный конденсатор стоит примерно по середине. В остальном, силовой монтаж выполнен гибким проводом, толщиной квадратов где-то в 6. Для более мощных приводов от 200 А применяется схема С. Например, такая схема применяется в инверторе OMRON 3G3HV мощностью 185кВт. Там на каждую фазу включено в параллель по 4 модуля. В фазе модули идут один над другим (в каждой фазе).
Процесс выключения с демпферной цепью:
здесь: Ioff – ток выключения, Vcc- напряжение на DC-шине, di/dt – скорость отключения. Vсе – напряжение эмиттер-коллектор
здесь – L1-паразитная индуктивность DC-шины, L2 – паразитная собственная индуктивность проводников снабберной цепи.
Рассчитаем элементы для разрядно-гасящей RCD снабберной цепи (схема С).
Схема ставится под напряжение, когда напряжение эмиттер-коллектор начинает превышать напряжение DC-шины. Штриховая линия на рисунке 5.8 показывает идеальное запирание транзистора. Но в действительности, из-за паразитной индуктивности монтажа, проводников, и прямого падения напряжения на снабберном диоде вызывает выброс напряжения Vcesp на стадии запирания (рисунок 5.9).
Для расчетов необходимо сделать некоторые допущения – это паразитная индуктивность DC-шины и монтажных проводников снабберных цепей. Такие вещи (возможно) проще измерить на стадии разработки – т.е. измерить индуктивность DC-шины и монтажных проводников (как получилось сконструировать монтаж) при реальном макетном моделировании. По таблице (что сверху) индуктивность DC-шины для токов от 600А не должна превышать 50 нГн, а индуктивность проводников снабберов – 7нГн.
Паразитная индуктивность DС-шины
проводник инвертор демпфирующий снаббер
Паразитная индуктивность проводников снабберов
Коммутационный ток Io примем в 510А, а не 600, т.к. уменьшили на 15% ввиду параллельного соединения:
Напряжение на DC-шине примем для колебаний входного напряжения до 440 В переменного тока, и при перенапряжениях на торможении ЭД, то
Вычислим выброс напряжения во время отключении IGBT по формуле:
Ed -напряжение на DC-шине
VFM – падение напряжения на снабберном диоде (40-60 В)
LS – паразитная индуктивность снаббеорных цепей ( 6,5 нГн)
dIc/dt – скорость снижения коллекторного тока (3 А/нс)
Вычислим емкость демпферного конденсатора:
L – индуктивность DC-шины
I0 – ток отключения (при аварийном отключении тока не менее 2Iном), пердположим, 1500 А на модуль
VCEP – пиковое напряжение на конденсаторе (не более, чем VCE)
Ed – напряжение на DC-шине
Вычислим резистор в демпферной цепи:
f – частота коммутации (примем 5кГц)
CS – Есмкость снабберного конденсатора
Выберем снабберный диод Ds. Выбирают исходя из того, что он должен обладать малым прямим падением напряжения, которое является одним из основных факторов, влияющих на выброс напряжения во время выключения IGBT. Если время обратного восстановления будет слишком большим, в нём будут расти потери с ростом частоты коммутации. Если обратное восстановление диода будет происходить слишком жестко, это приведет к генерации напряжения VCE. Поэтому снабберный диод должен иметь малое падение напряжения, малое время обратного восстановления и мягкое переключение.
Производитель рекомендует применять диод для RCD – цепей RM50HG-12S.
Причина, по которой прибегают к использованию снабберов
В ходе разработки силового импульсного преобразователя (особенно это касается мощных устройств топологий push-pull и forward, где переключение происходит в жестких режимах), необходимо как следует позаботиться о защите силовых ключей от пробоя по напряжению.
Несмотря на то, что в документации на полевик указано предельное напряжение между стоком и истоком в 450, 600 или даже в 1200 вольт, одного случайного высоковольтного импульса на стоке может оказаться достаточно для выхода дорогостоящего (даже и высоковольтного) ключа из строя. Да еще и соседние элементы схемы, включая дефицитный драйвер, могут попасть под удар.
Такое событие сразу приведет к куче проблем: где достать аналогичный транзистор? Есть ли он сейчас в продаже? Если нет, то когда появится? Насколько качественным окажется новый полевик? Кто, когда и за какие деньги возьмется все это перепаивать? Как долго продержится новый ключ и не повторит ли он судьбу своего предшественника? и т. д. и т. п.
В любом случае лучше сразу перестраховаться, и еще на этапе проектирования устройства принять меры для предотвращения подобных неприятностей на корню. Благо, известно надежное, недорогое и простое в своей реализации решение на пассивных компонентах, давно ставшее популярным как у любителей высоковольтной силовой техники, так и у профессионалов. Речь о простейшем RCD-снаббере.
Традиционно для импульсных преобразователей, в цепь стока транзистора включена индуктивность первичной обмотки трансформатора или дросселя. И при резком запирании транзистора в условиях, когда коммутируемый ток еще не понизился до безопасной величины, согласно закону электромагнитной индукции на обмотке возникнет высокое напряжение, пропорциональное индуктивности обмотки и скорости перехода транзистора из проводящего состояния в запертое.
Если фронт при этом достаточно крут, а общая индуктивность обмотки в цепи стока транзистора существенна, то высокая скорость нарастания напряжения между стоком и истоком мгновенно приведет к катастрофе. Чтобы эту скорость роста напряжения понизить и облегчить тепловой режим запирания транзистора — между стоком и истоком защищаемого ключа ставят RCD-снаббер.
Как работает RCD-снаббер
RCD-cнаббер работает следующим образом. В момент запирания транзистора ток первичной обмотки, в силу наличия у нее индуктивности, не может мгновенно снизиться до нуля. И вместо того чтобы жечь транзистор, заряд, под действием высокой ЭДС, устремляется через диод D в конденсатор C снабберной цепи, заряжая его, а транзистор при этом закрывается в мягком режиме незначительного тока через его переход.
Когда транзистор вновь начнет открываться (резко переходя в проводящее состояние для отработки очередного периода коммутации), конденсатор снаббера станет разряжаться, но уже не через голый транзистор, а через снабберный резистор R. А так как сопротивление снабберного резистора в несколько раз больше сопротивления перехода сток-исток, то основная часть запасенной в конденсаторе энергии выделится именно на резисторе, а не на транзисторе. Таким образом RCD-снаббер поглощает и рассеивает энергию паразитного высоковольтного выброса c индуктивности.
Расчет снабберной цепи
P – мощность, рассеиваемая на резисторе снаббера C – емкость конденсатора снаббера t – время запирания транзистора, за которое конденсатор снаббера заряжается U – максимальное напряжение, до которого зарядится конденсатор снаббера I – ток через транзистор до его закрытия f- сколько раз в секунду будет срабатывать снаббер (частота переключения транзистора)
Чтобы рассчитать номиналы элементов защитного снаббера, для начала задаются временем, за которое транзистор в данной схеме переходит из проводящего состояния в запертое. За это время конденсатор снаббера должен успеть зарядиться через диод. Здесь в расчет принимается средний ток силовой обмотки, от которого предстоит защищаться. А напряжение питания обмотки преобразователя позволит выбрать конденсатор с подходящим максимальным напряжением.
Далее необходимо вычислить мощность, которая должна будет рассеиваться на резисторе снаббера, и уже после этого подобрать конкретный номинал резистора, исходя из временных параметров полученной RC-цепи. При том сопротивление резистора не должно быть слишком малым, чтобы когда при запирании ключа конденсатор начнет разряжаться через него, импульс максимального разрядного тока вместе с рабочим током не превысили бы критическую для транзистора величину. Не должно это сопротивление быть и слишком большим, чтобы конденсатор все же успел разрядиться, пока транзистор отрабатывает положительную часть рабочего периода.
Рассмотрим пример
Сетевой двухтактный инвертор (амплитуда напряжения питания 310 вольт) потребляющий мощность 2 кВт работает на частоте 40 кГц, причем максимальное напряжение между стоком и истоком для его ключей составляет 600 вольт. Необходимо рассчитать RCD-снаббер для этих транзисторов. Пусть время запирания транзистора в схеме составляет 120 нс.
Средний ток обмотки 2000/310 = 6,45 А. Пусть напряжение на ключе не превысит 400 вольт. Тогда C = 6,45*0,000000120/400 = 1,935 нФ. Выберем пленочный конденсатор емкостью 2,2 нФ на 630 вольт. Мощность, поглощаемая и рассеиваемая каждым снаббером за 40000 периодов составит P = 40000*0.0000000022*400*400/2 = 7,04 W.
Допустим, минимальная скважность импульса на каждом из двух транзисторов составляет 30%. Значит минимальное время открытого состояния каждого транзистора будет равно 0,3/80000 = 3,75 мкс, с учетом фронта примем 3,65 мкс. Примем 5% этого времени за 3*RC, и пусть за это время конденсатор успеет почти полностью разрядиться. Тогда 3*RC = 0,05*0,00000365. Отсюда (подставим C = 2.2 нФ) получим R = 27,65 Ом.
Установим по два пятиваттных резистора по 56 Ом параллельно в каждый снаббер нашего двухтактника, и получится 28 Ом для каждого снаббера. Импульсный ток от срабатывания снаббера при разряде конденсатора через сопротивление составит 400/28 = 14,28 А — это ток в импульсе, который пройдет через транзистор в начале каждого периода. Согласно документации на большинство популярных силовых транзисторов, максимально допустимый импульсный ток для них превосходит максимальный средний ток минимум в 4 раза.
Что касается диода, то в схему RCD-снаббера ставиться импульсный диод на такое же максимальное напряжение как у транзистора, и способный в импульсе выдерживать максимальный ток, протекающий через первичную цепь данного преобразователя.
Перенесу-ка я сюда схему устройства мягкого пуска и защиты импульсника с предыдущей страницы. 
Рис.1
Фактически, основной фрагмент импульсного блока питания (Рис.2), состоящий из самотактируемого полумостового драйвера, управляющего мощными полевыми транзисторами, самих транзисторов и импульсного трансформатора – издавна уже обрёл привычные очертания, отработан до мелочей и радует счастливые взоры радиолюбителей предсказуемым поведением и весьма приличными характеристиками. 
Рис.2
Приведённая схема импульсного источника питания позволяет снимать с блока максимальную мощность до 300Вт.
Частота преобразования драйвера IR2153 – 50кГц. При желании изменить тактовую частоту следует изменить значения номиналов элементов R1 и С1 в соответствии с формулой F = 1 / [1,4×C×(R+75)].
Большинство схемотехнических решений ИПБ на IR2153, представленных в сети, не учитывают простой рекомендации производителя микросхемы по выбору номиналов данных элементов, а именно:
Timing resistor value (Min) – 10 kΩ, CT pin capacitor value (Min) – 330 pF.
Для удобства приведу простой калькулятор по расчёту частотозадающих элементов IR2153.
И с другими вводными – частота IR2153 с учётом имеющихся у Вас деталей.
На страшилки по поводу опасности несущественного отклонения рабочей частоты от расчётной, как то: насыщение феррита, снижение КПД и т.д. и т.п. – не следует обращать никакого внимания. Прекрасно Ваш феррит переживёт подобные отклонения, вплоть до 10-15% изменения частоты преобразователя, без всяких последствий для собственного здоровья.
Теперь о намотке трансформатора Tr1.
Парой слов здесь ограничиться не удастся, потому как именно импульсный трансформатор назначен главным ответственным за показатели ИБП.
Собственно, исходя из этих соображений, мы и посвятили целую статью расчётам и намотке трансформатора на тороидальном ферритовом сердечнике для данного блока с возможностью выбора желаемого диапазона мощностей – Ссылка на страницу.
Плавно переходим к снабберной цепочке R8, С9. Снаббер – это демпфирующее устройство, которое выполняет действие по замыканию на себе токов переходных процессов. Устройство предназначено для подавления индуктивных выбросов, которые появляются при переключении коммутационных полупроводников и способствует снижению величины нагрева обмоток трансформатора и силовых транзисторов.
В теории, существуют методики расчёта снабберных цепей. На практике – а не пошли бы они лесом, уж очень много различных параметров необходимо учитывать для получения корректного результата. К тому же достаточно велика вероятность того, что данная цепочка вообще не понадобится в транзисторно-трансформаторном хозяйстве.
Для проверки этого предчувствия следует к выходу ИПБ подключить нагрузку, обеспечивающую его работу при 10% мощности от максимальной, и поочерёдно ткнувшись пальцем в импульсный трансформатор и радиатор выходных транзисторов, убедиться, что температура данных элементов не превышает 30-40 градусов.
Если это так, то про снабберную цепочку забываем, если не повезло – начинаем юзать снаббер, начиная со значения ёмкости конденсатора С9 200пФ и постепенно повышая её до тех пор, пока не будет получен устойчивый положительный результат. Естественным делом данный конденсатор обязан быть высоковольтным.
Выходной выпрямитель особенностей не имеет, П-образные фильтры C5,L1,C9 и C6,L2,C11 необходимы для предотвращения попадания высокочастотных помех в нагрузку, электролиты С10 и С12 борются с сетевыми 50-ти герцовыми пульсациями. Дроссели L1 и L2 номиналом 10-20 мкГн, должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки, и могут быть как покупными, так и самостоятельно намотанными на силовых ферритах.
Радиатор для ключевых транзисторов Т1, Т2 для схемы, приведённой на Рис.2, должен рассчитываться исходя мощности рассеивания 3-5Вт и в простейшем случае может представлять из себя алюминиевую или медную пластину площадью 40-50 см 2 .
При необходимости радикально увеличить мощность блока питания вплоть до 1000 Вт имеет смысл воспользоваться ещё одной расхожей схемой ИБП с использованием более мощных полевых транзисторов (Рис.3). 
Рис.3
Поскольку выходным драйверам IR2153 сложновато прокачать значительные ёмкости Сзи могучих полевиков, в схему добавлены двухтактные эмиттерные повторители на транзисторах Т1-Т4, во всём остальном схема повторяет свой менее мощный аналог, приведённый на Рис.2.
Значения ёмкостей конденсаторов С3, С4 приведены для мощности ИБП 500Вт, для 1000Вт их номиналы следует увеличить в 2 раза.
Пропорционально росту мощности ИПБ в соответствующее количество раз нужно увеличивать и размер радиатора полевых транзисторов.
Расчёт трансформатора произведём всё на той же странице – Ссылка на страницу.
Ну а на следующей странице с головой окунёмся в культработу над мощным лабораторным блоком питания с регулируемым выходным напряжением.
