Некоторые способы подавления звона импульсных преобразователей

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются способы подавления переходных колебательных процессов (звона), возникающих при коммутации силовых ключей. Во всех случаях уменьшение звона достигается за счет рассеивания в тепло энергии высокочастотных колебаний.

Введение

Хотя о проблемах электромагнитной совместимости (ЭМС) написано немало, они до сих пор остаются актуальными. Во многих случаях главными источниками помех являются импульсные AC/DC­- и DC/DC­-преобразователи. Основная сложность заключается в том, что компоненты, используемые в преобразователях и сглаживающих фильтрах, обладают паразитными составляющими. Их влияние проявляется тем больше, чем выше плотность мощности преобразователя.

Прежде чем перейти к дальнейшему рассмотрению, очень кратко в первом приближении рассмотрим причину появления пульсаций и помех в выходном напряжении. Известно, что пульсация тока в дросселе выходного сглаживающего LC-­фильтра преобразователя имеет треугольную форму. Причем, практически весть ток пульсации ΔIL поступает в конденсатор сглаживающего фильтра, что вызывает пульсацию напряжения ΔV в конденсаторе. Заряд Q конденсатора при этом изменяется следующим образом:

Q = ΔV × С.     (1)

Чтобы определить, насколько увеличился заряд конденсатора, проинтегрируем (1) во времени. Учитывая, что с хорошей степенью приближения можно считать, что ток нарастает линейно, нам требуется найти площадь прямоугольного треугольника. Получаем:

Добавив в формулу эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR), окончательно получим:

Следует иметь в виду, что мы получили не расчетное соотношение, а формулу, качественно поясняющую причину возникновения пульсаций. Если вы, руководствуясь только этой формулой, захотите снизить величину пульсаций за счет увеличения емкости и подбора конденсатора с малым ESR, скорее всего, вас постигнет неудача, особенно если рабочая частота преобразователя составляет сотни кГц.

Дело в том, что помимо ESR конденсатор характеризуется еще и последовательной эквивалентной индуктивностью ESL. Таким образом, реальный конденсатор представляет собой последовательную RLC-­цепочку, в которой при определенной частоте наблюдается резонанс. Эта частота называется собственной резонансной частотой или в англоязычной аббревиатуре — SFR.

На рис. 1 показана частотная зависимость полного импеданса конденсаторов с разной емкостью (с учетом паразитных ESR и ESL). Как видно из этого рисунка, емкостной характер импеданса конденсатора наблюдается лишь до частоты SFR. Свыше этой частоты преобладает индуктивная составляющая импеданса, и конденсатор теряет свои фильтрующие свойства.

Зависимость полного импеданса конденсатора (с учетом паразитных ESR и ESL) от частоты

Рис. 1. Зависимость полного импеданса конденсатора (с учетом паразитных ESR и ESL) от частоты

Из­-за паразитной емкости обмоток индуктивности частота SFR присуща и дросселям фильтра, но в этом случае при частоте выше SFR наблюдается обратная картина — в импедансе дросселя начинает преобладать емкостная составляющая. Описанные паразитные составляющие сглаживающего LC-­фильтра и являются главными причинами, Из­-за которых не удается подавить пульсации и помехи преобразователя.

Еще одна неприятность заключается в высших гармониках частоты, возникающих при работе преобразователя. Высшие гармоники порождаются, во-первых, Из­-за негармонической формы токов и напряжений преобразователя. Во-вторых, они возникают при коммутации силовых ключей.

Частично уменьшить гармонические составляющие помогают резонансные топологии. В них форма напряжений и токов близка к синусоидальной, а коммутация силовых ключей происходит при токах или напряжениях, близких к нулевым значениям. Однако возможность применения преобразователей с резонансными топологиями имеется далеко не во всех случаях, но даже их использование – не панацея и не решает полностью задачи ЭМС. Источником радиопомех может служить и индуктивность рассеяния дросселя.

Коммутационные помехи, или как их принято называть звон, также во многом определяются паразитными емкостями и индуктивностями проводников силового каскада, обратным восстановлением диода при рассасывании неосновных носителей и процессами заряда/разряда емкостей силовых MOSFET. Для уменьшения этих помех следует минимизировать длину проводников, связывающих выход преобразователя и сглаживающий LC-­фильтр.

 

Измерение электромагнитных помех

В измерении электромагнитных помех (ЭМП) также есть некоторые хитрости, очевидные для искушенных разработчиков, но, возможно, неизвестные тем, у кого невелик опыт работы с импульсными преобразователями. На рис. 2 показано подключение щупа осциллографа к выходному конденсатора сглаживающего фильтра. Учитывая сказанное выше, такое подключение недопустимо. Контур, образованный сигнальным и земляным концами осциллографа, представляет собой антенну, которая собирает все высокочастотные помехи, создаваемые преобразователем, и результаты измерения заметно искажаются. Для корректного измерения необходимо использовать специальный щуп, показанный на рис. 3. В этом случае сигнальный и земляной конец осциллографа подключены непосредственно к выводам выходного конденсатора фильтра.

Некорректное подключение щупа осциллографа с зажимом «крокодил» к выходному конденсатора сглаживающего фильтра

Рис. 2. Некорректное подключение щупа осциллографа с зажимом «крокодил» к выходному конденсатора сглаживающего фильтра

Корректное подключение пробника осциллографа к выходному конденсатора сглаживающего фильтра

Рис. 3. Корректное подключение пробника осциллографа к выходному конденсатора сглаживающего фильтра

Еще более точное измерение можно получить с помощью коаксиального кабеля, два провода которого припаиваются к конденсатору; с другой стороны кабель подключается к осциллографу через байонетный разъем. К сожалению, использовать этот способ на практике далеко не всегда представляется возможным. На рис. 4 показаны осциллограммы напряжения на силовом ключе преобразователя, полученные с помощью коаксиального кабеля (верхняя кривая) и посредством щупа осциллографа, показанного на рис. 3. На фронтах импульсов виден тот самый упомянутый выше звон.

Осциллограммы напряжения на силовом ключе преобразователя, полученные с помощью коаксиального кабеля и посредством щупа осциллографа

Рис. 4. Осциллограммы напряжения на силовом ключе преобразователя, полученные с помощью коаксиального кабеля и посредством щупа осциллографа

 

Методы уменьшения ЭМП

Существует несколько способов уменьшения ЭМП, но все они используют конденсаторы или дроссели с конечным значением частоты SFR. В то же время частота звона (рис. 4), возникающего на фронтах переключения, достигает нескольких десятков и даже сотен МГц, и потому величина SFR должна превышать частоту звона.

Подобное требование выполнимо для конденсаторов, если используются керамические конденсаторы емкостью не более нескольких нФ, — их SFR достигает сотен МГц. Эти конденсаторы следует подключить параллельно конденсатору выходного фильтра, причем расположить их на плате следует как можно ближе к источнику помех. Сложнее найти дроссели со столь высокой частотой SFR. В отсутствие подходящего выбора следует подобрать дроссель заданного номинала, в котором высокочастотные пульсации ослабляются потерями в сердечнике [1].

Звон на фронтах при коммутации силового ключа возникает Из­-за колебательного контура, составленного паразитными емкостями и индуктивностями. В этот контур входят и индуктивности выводов корпуса силовых ключей. Известно, что чем круче фронт импульса, возбуждающего колебательный контур, тем больше амплитуда колебаний переходного процесса. Заметим, что частота и амплитуда звона не зависят от рабочей частоты преобразователя, а зависят только от крутизны фронта импульса. Следовательно, чтобы уменьшить звон, следует увеличить время коммутации силового ключа, т. е. сделать более пологим фронт импульса.

Это самый простой способ уменьшить амплитуду колебаний переходного процесса. Реализовать данный способ достаточно просто – следует установить резисторы номиналом несколько Ом в цепь затвора силового ключа. При этом увеличится время заряда и разряда емкости затвора, и, следовательно, возрастет время открытия и запирания ключа.

Однако реализовать этот способ можно лишь в том случае, когда силовые ключи не интегрированы в корпус преобразователя, а установлены на плате. Заметим также, что более пологие фронты коммутации приведут к увеличению коммутационных потерь, т. е. к снижению КПД и нагреву ключа. На рис. 5 показана растянутая осциллограмма (10 нс/дел.) момента переключения ключа с дополнительным резистором в затворе. Как видно из рисунка, звон при переключении снизился до вполне приемлемой величины.

Растянутая осциллограмма (10 нс/дел.) момента переключения ключа с дополнительным резистором в затворе

Рис. 5. Растянутая осциллограмма (10 нс/дел.) момента переключения ключа с дополнительным резистором в затворе

На рис. 6 показана та же осциллограмма, но с масштабом по оси времени 400 нс/дел. На ней звон виден в виде узких иголок, зато хорошо видны колебания, частота которых равна рабочей частоте преобразователя.

Осциллограмма момента переключения ключа с дополнительным резистором в затворе при развертке 400 нс/дел.

Рис. 6. Осциллограмма момента переключения ключа с дополнительным резистором в затворе при развертке 400 нс/дел.

Помимо описанного выше способа, уменьшить звон можно с помощью снабберных цепочек, цель которых состоит в рассеивании энергии, накапливаемой в паразитных индуктивностях и емкостях проводников и силовых ключей. В качестве снабберных цепочек используются RC-­цепочки. В некоторых случаях в эти цепочки вводится диод, чтобы создать RCD-цепочки. Резистор, входящий в снабберную цепочку, рассеивает энергию, накопленную в паразитном колебательном контуре. Осциллограммы, полученные в схемах со снабберными цепочками, имеют примерно тот же вид, что и осциллограммы на рис. 5–6.

Еще одним средством борьбы со звоном являются ферритовые бусины. Они рассеивают энергию высокочастотных колебаний. Их сопротивление на высокой частоте возрастает до сотен Ом или нескольких кОм; при этом сопротивление бусин на постоянном токе не превышает нескольких десятков мОм. Как правило, производитель указывает величину сопротивления при частоте 100 МГц. Примерная зависимость импеданса бусины от частоты показана на рис. 7.

Зависимость импеданса ферритовой бусины от частоты

Рис. 7. Зависимость импеданса ферритовой бусины от частоты

Импеданс бусины разделяется на три зоны: индуктивную, резистивную и емкостную. Рабочий диапазон частот должен находиться в резистивной зоне. При выборе бусины желательно, чтобы ее рабочий ток не превышал 40–50% от максимально допустимого тока, нормируемого производителем. При выборе следует иметь в виду, что на рис. 7 показана характеристика при полном перемагничивании феррита.

Если же феррит установлен на шине постоянного тока, то бусина подмагничивается и максимум ее сопротивления сдвигается в зону более высоких частот. Это обстоятельство необходимо учитывать, если нагрузка изменяется в широких пределах. В то же время звон практически не зависит от величины нагрузки. На рис. 8 показано, как изменяется зависимость импеданса бусины от частоты при разных токах подмагничивания. Выбор бусины – не такая тривиальная задача, как может показаться на первый взгляд. Некоторые производители предлагают онлайн-симуляторы, облегчающие выбор этого компонента. Рекомендуем воспользоваться ими.

Зависимость импеданса ферритовой бусины от частоты при разных токах подмагничивания

Рис. 8. Зависимость импеданса ферритовой бусины от частоты при разных токах подмагничивания

И, наконец, проходной конденсатор. Его структурная схема показана на рис. 9. Дополнительные выводы конденсатора уменьшают индуктивность ESL по сравнению с обычным керамическим конденсатором. Следовательно, резонансный пик импеданса сдвигается в зону более высоких частот, что позволяет хорошо работать проходному конденсатору в широком диапазоне частот. В отличие от описанных выше способов, проходной конденсатор уменьшает не только звон, но и пульсации напряжения рабочей частоты.

Проходной конденсатор

Рис. 9. Проходной конденсатор

Заметим, что все описанные выше способы уменьшения переходных колебательных процессов (звона), возникающих при коммутации силовых ключей, рассеивают энергию высокочастотных колебаний, а не отражают ее в источник. Учитывая, что энергия звона невелика, с этим недостатком можно смириться.

Литература
  1. Евгений Крошин. ЭМП-фильтры и сглаживающие фильтры для импульсных преобразователей//Электронные компоненты. № 1. 2018.
  2. Игорь Александров. Особенности применения ферритовых бусин//Электронные компоненты. 2016. № 5.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *