اتصال کوتاه

.

.

اسنابرها برای کاربرد در «وارونگرهای ولتاژ^[1]» دارای IGBT

«آی.جی.بی.تی.»ها به شکل روزافزونی به عنوان «کلید» در دستگاه‌های وارونگر ولتاژی که در الکترونیک قدرت کاربرد دارند، به خدمت گرفته می‌شوند. «آی.جی.بی.تی.»ها در بسیاری از کاربردهای کلیدگریِ سنگین در ولتاژهای زیاد جایگزین «ماسفت^[2]»ها می‌شوند زیرا آن‌ها دارای تلفات حالت هدایت کم‌تر هستند و به سطح کوچک‌تری برای مقدار مساوی توان احتیاج دارند. کم شدن ابعاد به معنای هزینه‌ی پایین‌تر و ظرفیت خازنی کم‌تر است. اغلب مدول‌های «آی.جی.بی.تی.» که در کاربردهای سنگین کلیدگری مورد بهره‌برداری قرار دارند، در فرکانس‌هایی تا 20 کیلوهرتز کار می‌کنند. فراتر از آن تلفات کلیدگری^[3] «آی.جی.بی.تی.»ها بسیار زیاد می‌شود.

کلیدگری جریان‌های خیلی بزرگ در زمان بسیار کوتاه به بروز «ولتاژهای گذرا^[4]»ی بزرگی منتهی می‌شود که دامنه‌ی آن‌ها می‌تواند از بیشینه‌ی مجازِ ولتاژ کار^[5] «آی.جی.بی.تی.»ها تجاوز کند، به ویژه هنگامی که این ولتاژِ «آی.جی.بی.تی.»ها به ولتاژ کار مدار خیلی نزدیک باشد. دامنه‌ی ولتاژ گذرا با رابطه‌ی زیر تعریف می‌شود:

.

.

که در آن داریم:    L_S اندوکسیون «حلقه‌ی جریان مستقیم^[6]»، و

                        d_i/d_t نسبت تغییر جریان به زمان.

مهندسان طراح تلاش دارند تا اندوکسیون حلقه‌ی جریان مستقیم را به کمینه‌ی ممکن پایین بیاورند. لایه‌لایه‌کردن خطوط تغذیه و بهبود دادن به طراحی فیزیکیِ چینش افزاره‌ها^[7] راه‌هایی هستند که اندوکتانس این خطوط را به شکل چشم‌گیری کاهش می‌دهند. اما اندوکتانس‌های پراکنده و پارازیتی هنوز حضور دارند. به علت وجود همین اندوکتانس‌ها است که به اسنابر نیاز پیدا می‌شود تا کلید را از ولتاژهای گذرای ناشی از تغییر جریان در این اندوکتانس‌های پارازیتی حفاظت کند. اسنابرها، افزون بر تامین حفاظت در برابر اضافه ولتاژها، برای مقاصد زیر نیز به خدمت گرفته می‌شوند:

• محدود کردن d_I/d_t یا d_V/d_t ،
• اصلاح خط بار^[8] برای حفظ و ابقای کلید در «حوزه‌ی کارکرد ایمن^[9]»،
• منتقل کردن توان تلفاتی از کلید به یک مقاومت،
• کاستن از مجموع تلفات کلیدگری،
• کاهیدن ولتاژ و جریان نوسانی میرنده (رینگینیگ)^[10].

از لحاظ اصولی، سه نوع اسنابر برای کاربرد در «آی.جی.بی.تی.»ها وجود دارد. انتخاب نوع اسنابر به میزان وسیعی به سطح توان، فرکانس کلیدگری، و طراحی فیزیکی مدار بستگی دارد. در تصویرهای زیر این مدارهای اسنابر و چگونگی کاربست آنها در یک پل دیود یکسوساز نیم‌موج نشان داده شده‌اند.

.

.

«دکوپلاژ» ساده‌ترین آن‌ها است. در واقع، تنها یک خازنِ «کم‌اندوکتانس» با خطوط تغذیه موازی شده، یا به عبارت دیگر میان پایانه‌های C و E در یک مدول «آی.جی.بی.تی. دوقلو»، یا میان پایه‌های N و P در یک مدول شش‌تایی^[11] بسته می‌شود. چون روش دکوپلاژ در زمان عمل کلیدگری یک مسیر کم‌اندوکتانس برای ولتاژهای گذرا به وجود می‌آورد، در کم کردن آن‌ها موثر است. از خازن‌های دکوپلاژ در بیش‌تر اوقات در کاربردهای جریان پایین تا جریان متوسط استفاده می‌شود. نوسانی‌شدن مدار در فاصله‌ی منبع و خازن دکوپلاژ، باعث ایجاد جریان «ریپل» می‌شود که ممکن است به تخریب خازن منجر گردد.

شرکت «کرنل دابیلیر» خازن‌های تیپ 940، 941 و SCD (نصب مستقیم) را برای کاربردهای دکوپلاژ تولید کرده است. خازن‌های سری 940 دارای اتصالات محوری^[12] هستند و می‌توان آن‌ها را روی فیبر مدار چاپی نصب کرد، در حالی که خازن‌های نوع SCD مسقیم روی پایانه‌های مدول «آی.جی.بی.تی.» نصب می‌شوند. خازن‌های نصبِ مستقیم به خاطر تخت بودن و شعاعی بودن پایانه‌های اتصال‌شان خودالقایی (اندوکتانس) کمتری دارند. چون از پیچ‌های خود «آی.جی.بی.تی.» در نصب آن‌ها استفاده می‌شود، مونتاژ آن‌ها آسان و سریع است. خازن‌های نصبِ مستقیم برای کاربرد در جریان‌های بالاتر مجاز هستند، زیرا پایانه‌های بزرگ مسین آن‌ها با کم‌ترین فاصله مستقیم به اجزای داخلی خازن مرتبط شده‌اند.

مقدار ظرفیت خازنی مورد نیاز در کاربرد دکوپلاژ به مقدار اندوکسیون‌های پارازیتی و پراکنده، بیشینه‌ی جریان کلیدگری، مقدار مجاز قله‌ایِ ولتاژ، و ولتاژ DC ی تغذیه بستگی دارد. خازن اسنابر لازم را می‌توان به طور تقریبی از رابطه‌ی زیر به دست آورد:

.

.

چالشی که در استفاده از این فرمول وجود دارد این واقعیت است که اندازه‌گیری اندوکتانس خط تغذیه در بیش‌تر موارد بسیار دشوار است. البته در بخش دوم این مجموعه در این‌جا و در این‌جا روش‌هایی برای تعیین خودالقایی ارایه شده است. در کنار آن‌ها، یک قانون تجربیِ خوب می گوید: اگر خودالقایی مدار مستقیم قابل اندازه‌گیری نیست، به ازای هر یکصد آمپر در «آی.جی.بی.تی.» یک میکروفاراد ظرفیت خازنی به کار برده شود.

از اسنابرهای مقاومت-خازن-دیود در کاربردهای جریان متوسط و جریان بالا استفاده به عمل می‌آید. در این جریان‌ها اسنابرهای مونتاژ مستقیم که دربردارنده‌ی «دیودهای فوق‌سریع با بازیابی نَرم^[13]» باشند، توصیه می‌گردد. اسنابرهای سری SCM ساخت «کرنل دابیلیر» را می‌توان برای حفاظت از مدول‌های «آی.جی.بی.تی. دوقلو»، با نصب آن‌ها در میان پایانه‌های C و E ی این «آی.جی.بی.تی.»ها، مورد استفاده قرار داد.

.

.

با توجه به تصویر بالا ملاحظه می‌شود که این اسنابر بنا بر همان فلسفه‌ی کاری دکوپلاژ کار می‌کند، اما کارکرد آن فقط به «کلیدگریِ زمان قطع^[14]» محدود شده است. هنگامی که «آی.جی.بی.تی.» قطع می‌کند، انرژی در دام افتاده در اندوکتانسِ حلقه به خازن در این اسنابر منتقل می‌شود. دیود، با نوسانی شدن مدار مقابله می‌کند، و بارهای اضافی بر روی خازن در مقاومت بیرونی اتلاف می‌گردد.

در کاربردهایی که جریان خیلی بالا باشد، یعنی در جاهایی که وارونگر ولتاژ با دو مدول تکیِ «آی.جی.بی.تی.» ساخته شده باشد، برای سرکوب ولتاژهای گذرا می‌توان اسنابرهای SCM از انواع P و N را به کار گرفت. این کاربرد در تصویر زیر ملاحظه می‌شود.

.

.

برای حفاظت از مدول‌های دوبل «آی.جی.بی.تی.» می‌توان از مدول‌های نوع SCC ساخت همین تولیدکننده، آن طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، بهره‌گیری نمود.

.

.

در زمان قطع، دیودِ اسنابر درست مانند تصویر پیشین (پ)، بایاس پیشرو^[15] دریافت می‌کند و اسنابر فعال می‌شود. انرژی باقی‌مانده در اندوکسیون‌های پراکنده‌ی مدار توسط خازنِ اسنابر جذب می‌شود. هنگام وصل شدن «آی.جی.بی.تی.» خازن اسنابر، که حالا کامل و تا حد ولتاژ تغذیه شارژ شده است، مسیری برای تخلیه از طریق بایاسِ دیودِ درونیِ «آی.جی.بی.تی.» و مقاومتِ اسنابر می‌یابد. این امر سبب کاهش ولتاژ گذرا در حالت بازیابی معکوس^[16] می‌شود.

نظر به این که تقاضای اسنابرهای پرقدرت روز به روز افزایش می‌یابد، نیاز به اطلاعات مرتبط با انتخاب افزاره‌ی مناسب نیز بیش‌تر می‌شود. در نوشتاری که از نظر خوانندگان گذشت، تنها انواع اصلی و پرمصرف اسنابر و راه و روش به کارگیری و محاسبه‌ی اجزای آن‌ها مورد بحث قرار گرفت. برای به دست آوردن نتیجه‌ی خوب، این متدها و روش‌ها باید با انتخاب افزاره‌های با کیفیت بالا و طراحی صحیح تکمیل شود.

(پایان)

.

.

در نگارش این مقاله منابع زیر مورد استفاده قرار گرفتند:

:References

[1]

William McMurray, OPTIMUM SNUBBERS FOR POWER SEMICONDUCTORS, IEEE IA Stransactions, Vol. IA-8, No. 5, Sept/Oct 1972, pp. 593-600,

[2]

William McMurray, SELECTION OF SNUBBERS AND CLAMPS TO OPTIMIZE THE DESIGNOF TRANSISTOR SWITCHING CONVERTERS, IEEE IAS transactions, Vol. IA-16, No. 4, July/August 1980, pp. 513-523,

[3]

Motto, E., EVALUATING THE DYNAMIC PERFORMANCE OF HIGH CURRENT IGBT MOD-ULES

[4]

Kurnia, Stielau, Venkataramanan and Divan, LOSS MECHANISMS IN IGBT’S UNDER ZEROVOLTAGE SWITCHING, IEEE APEC 92 proceedings, pp. 1011-1017,

[5]

Wang, Lee, Hua and Borojevic, A COMPARATIVE STUDY OF SWITCHING LOSSES OF IGBT’SUNDER HARD-SWITCHING, ZERO-VOLTAGE-SWITCHING AND ZERO-CURRENT-SWITCH-ING, IEEE PESC 94 proceedings, pp. 1196-1204,

[6]

Johansen, Jenset and Rogne, CHARACTERIZATION OF HIGH POWER IGBT’S WITHSINEWAVE CURRENT, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 30, No.5, September/October 1994, pp. 1142-1147,

[7]

Udeland, T., SWITCHING STRESS REDUCTION IN POWER TRNSISTOR CONVERTERS,IEEE IAS annual meeting proceedings, 1976, pp. 383-392,

[8]

Domb, M., NONDISSIPATIVE TURN-OFF SNUBBER ALLEVIATES SWITCHING POWERDISSIPATION, SECOND-BREAKDOWN STRESS AND VCE OVERSHOOT, IEEE PESC proceed-ings, 1982, pp. 445-454,

[9]

Zach, Kaiser, Kolar and Haselsteiner, NEW LOSSLES TURN-ON AND TURN-OFF (SNUBBER) NETWORKS FOR INVERTERS, INCLUDING CIRCUITS FOR BLOCKING VOLTAGE LIMITA-TION, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. PE-1, NO. 2, April 1986, pp.65-75,

[10]

Bendien, Van Der Broeck and Fregien, RECOVERY CIRCUIT FOR SNUBBER ENERGY INPOWER ELECTRONIC APPLICATIONS WITH HIGH SWITCHING FREQUENCIES, IEEETRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 3, NO. 1, January 1988, pp. 26-30,

[11]

Simonelli, and Torrey, AN ALTERNATIVE BUS CLAMP FOR RESONANT DC-LINK CON-VERTERS, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 9, NO. 1, January 1994, pp. 56-63,

[12]

Finney, Williams and Green, RCD SNUBBER REVISITED, IEEE TRANSACTIONS ON IN-DUSTRY APPLICATIONS, VOL. 32, NO. 1, January 1996, pp. 155-160,

[13]

McMurray, W., EFFICIENT SNUBBERS FOR VOLTAGE-SOURCE INVERTERS, IEEE PESC85 proceedings, 1985, pp. 20-27,

[14]

Swanepoel and van Wyk, ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF REGENERATIVE LINEARSNUBBERS APPLIED TO SWITCHES WITH VOLTAGE AND CURRENT TAILS, IEEE TRANS-ACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 9, N0. 4, July 1994, pp. 433-441,

[15]

Pearson and Sen, DESIGNING OPTIMUM SNUBBER CIRCUITS FOR THE TRANSISTORBRIDGE CONFIGURATION, POWERCON 9 proceedings, 1982, pp. D-2-1 through D-2-11,

[16]

Zhang, Sobhani and Chokhawala, SNUBBER CONSIDERATIONS FOR IGBT APPLICA-TIONS, INTERNATIONAL RECTIFIER DESIGNER’S MANUAL, IGBT-3, TPAP-5, 1995, pp.E135-E144.

.

.

مطالب مرتبط:

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 1

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 2

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت  - بخش 3

.

.

پانویس‌ها:

 [1] Inverter

.

.

.