بلاگ

نیمه‌رساناهای قدرت  قلب تجهیزات الکترونیکی صنعتی و مدارهای فرمان در توان‌های الکتریکیِ بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید

.

.

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

.

.

.

نیمه‌رساناهای قدرت  قلب تجهیزات الکترونیکی صنعتی و مدارهای فرمان در توان‌های الکتریکیِ بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید

.

.

طراحی اسنابرهای مقاومت – خازن – دیود

اسنابرهای مقاومت – خازن – دیود، همان طور که در تصویر 8 دیده می‌شود، برتری‌های زیادی نسبت به اسنابرهای مقاومت – خازن دارند. از میان این مزیت‌ها می‌توان موارد زیر را برشمرد:

• افزون بر محدودکردن قله ی ولتاژ، این اسنابرها می توانند مجموع تلفات مدار را کاهش دهند، اعم از تلفات کلیدگری و تلفات خود اسنابر را،
• با آن‌ها می‌توان به «خط بار^[1]»های بسیار بهتری دست یافت که در نتیجه‌ی آن، خط بار به خوبی در محدوده‌ی «منطقه‌ی ایمن کاری^[2]» باقی می‌ماند،
• برای یک C_s با مقدار معیّن، تلفاتِ مجموع کم‌تر خواهد بود،
• خازن شنت بر دو سر کلید (C_p) عضو سودمندی از اسنابر خواهد بود.

.

.

البته یک کاستی نیز وجود دارد: به علت حضور دیود بر دو سر R_s، در طول زمان شارژشدن C_s، مقدار اهمی موثر R_s عملاً صفر می‌شود. با داشتن یک مقدار معین برای C_s این مقدار بهینه نیست و باعث می‌شود که E₁ بزرگ‌تر از مقداری باشد که در صورت استفاده از یک اسنابر بهینه شده‌ی مقاومت – خازن به دست می‌آمد.

شکل موجِ نوعیِ قطع جریان برای این اسنوبر در تصویر 9 داده شده است. این شکل‌موج‌ها با فرض L_p = 0 رسم شده‌اند. اثر L_p بعداً تشریح خواهد شد. ویژگی مهم این شکل‌موج‌ها این است که «ولتاژ کلیدگری»، با پایین‌آمدن جریان کلید، به آهستگی زیاد می‌شود. این بدان معناست که از به وجود آمدن قله‌ی توان بسیار زیادی که ناشی از همزمانی در بیشینه‌ی ولتاژ و جریان است، پیش‌گیری شده است.

.

.

نتیجه آن که، مقدار قله‌ی تنش و نیز تلفات کلیدگری پایین آورده می‌شود. شکل‌موج‌های ولتاژ برای دو مقدار مختلف C_s نشان داده شده‌اند. در این مثال I_o = 10A و E_o = 300V است. با انتخاب C_s بزرگ‌تر، تلفات توان قله‌ای و تلفات کلیدگری کاهش پیدا می‌کنند. البته ظرفیت خازنی بزرگ‌تر به معنای تلفات بیش‌تر در R_s است، زیرا در زمان وصل‌شدن کلید، بار الکتریکی ذخیره شده در C_s توسط R_s و خودِ کلید مصرف می‌شود. ملاحظه می‌شود که ما دوباره با موضوع مصالحه میان تلفات و دقتِ کِیفی اسنابر روبرو هستیم.

بسته به اندازه‌ی C_s ولتاژ کلیدگری ممکن است پیش از، همزمان با، و یا پس از رسیدن جریان کلیدگری به صفر، به مقدار E_o برسد. حالتی که در آن، در لحظه‌ی صفر بودن جریان، E = E_o باشد، به عنوان «اسنابر نرمال» خوانده می‌شود و C_s = C_n است. در این حالت خواهیم داشت:

که در آن t_s «زمان نزول^[3]» جریان کلید است (تصویر 9 را ببینید). به عنوان مثال، در تصویر 9 داریم: C_n = 1/667nF .

رابطه‌ی میان C_n، تلفات کلیدگری، «قله‌ی تنش کلید^[4]»، تلفات اسنابر و تلفات کل در تصویر 10 نمایش داده شده است.

.

.

اندازه‌ی اسنابر نسبت به C_n نشان داده شده است. هنگامی که حتی یک اسنابر کوچک به کار گرفته شود (C_s < C_n)، تلفات کلیدگری به سرعت افت می‌کند. هنگامی که C_s بزرگ‌تر گرفته شود، بهبود در تلفات کلید پایین می‌آید. مثلاً، اگر C_s = C_n باشد، تلفات کلید به 16% تقلیل پیدا می‌کند. با بزرگ‌تر شدن C_s تلفات کلیدگری تنها به میزان اندکی کاهش می‌پذیرد، اما تلفات اسنابر را به شدت افزایش می‌دهد. در واقع، یک کمینه‌ی تلفات در بازه‌ای وسیع در اطراف C_s = 0/45.C_n وجود دارد و این مکانی است که تلفاتِ کل به 53% از مقداری که بدون نصب اسنابر بود، کاهش می‌یابد. لازم به یادآوری است که C_p بخشی از C_s است و این که مقدار واقعی C_s = 0/45.C_n – C_p است. برای C_s/C_n = 2 تلفات کل برابر است با همان مقداری که بدون کاربرد اسنابر ایجاد می‌شد، البته تحت این شرایط، «خط بار کلیدگری^[5]» در تنش بسیار پایینی واقع خواهد شد.

در حالت‌هایی که دغدغه‌ی اصلی پایین آوردن کل تلفات کلیدگری باشد، مقدار C_s معمولاً برابر  0/5C_n در نظر گرفته می‌شود. در این حالت، R_s طوری انتخاب می‌شود که به ولتاژ روی C_s اجازه دهد، در طول «کمینه‌ی زمان وصل^[6]» (t_on,min)، به سطح بسیار کمی تنزّل پیدا کند. افت ولتاژ این خازن به صورت یک تابع ساده‌ی نماییِ RC در دو چرخه‌ی «ثابت زمانی^[7]» (t = R_s.C_s) به _0/14E_o است. این مقدار افت معمولاً کافی است. پس، مقدار R_s برابر است با:

اگر مقدار L_p قابل توجه باشد، در زمان قطعِ کلید یک جهشِ ولتاژی به وجود خواهد آمد. اگر کنترل E₁ ضروری باشد، ممکن است به مقادیر مختلفی برای C_s نیاز باشد تا ظرفیت مورد نظر به وجود آید.

.

.

تصویر 11 مقایسه‌ای میان اسنابر مقاومت-خازنی که پیش از این محاسبه شده بود، و یک اسنابر مقاومت-خازن-دیود را که در آن از همان مقادیر (R_s = 51R, C_s = 680pF) استفاده شده، نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود که تلفات کم‌تر خواهد شد، اما قله‌ی ولتاژ برای اسنابر مقاومت-خازن-دیود بالاتر خواهد بود. در این اسنابر، برای داشتن تلفاتِ کلِ مشابه، خازن C_s می‌تواند مقداری بزرگ‌تر باشد، امری که باعث پایین آمدن E₁ خواهد شد. افزودن بر ظرفیت C_s به 1/2 نانوفاراد، دامنه‌ی E₁ را به 424 ولت کاهش می‌دهد. برای نیل به تلفات کلِ مشابه، ظرفیت C_s را می‌توان باز هم بالاتر بُرد، اما در اسنابرِ مقاومت-خازن-دیود، E₁ همچنان بالاتر خواهد ماند.

اسنابر ترکیبی: هر گاه به کمینه رساندنِ هم تلفات در کلید و هم E₁ واجد اهمیت باشد، یک «اسنابر ترکیبی^[8]» با استفاده از هر دو اسنابر RC و اسنابر RCD مورد استفاده قرار می‌گیرد که قادر است نتایج بسیار خوبی را ضمن تلفات کم‌تر به دست دهد. یک مثال از چنین ترکیبی در تصویر 13 داده شده است. در همین تصویر، شکل موج حاصل از آن با اسنابر RC قبلی، در حالی که از همان مقادیر مقاومت و خازن استفاده شده است، مقایسه گشته است.

.

.

انتخاب افزاره‌ها و طراحی چینش آن‌ها

افزاره‌های مورد استفاده در اسنابرها ممکن است زیر تنش الکتریکی بسیار شدیدی واقع شوند و بنابراین باید با دقت و وسواس انتخاب گردند.

.

طراحی مدار چاپی، چینش افزاره‌ها و اندوکتانس‌های پارازیتی

یکی از نخستین علت‌های به کارگیری اسنابرها، حضور اندوکسیون‌های پارازیتی (L_p) در مدار است که بر اثر عمل کلیدگری تهییج می‌شوند و پالس‌های سوزنیِ ولتاژی و نوسانات میرنده یا رینگینگ تولید می‌کنند. هر چه این اندوکسیون‌ها بزرگ‌تر باشند، افزاره‌های اسنابر و تلفات آن‌ها هم بزرگ‌تر خواهند بود. پیش از طراحی یک اسنابر واقعی، بسیار مهم است که نخست اندوکتانس‌های پارازیتی مدار را به کمینه‌ی خود برسانند و در این مسیر، طراحی دقیق طرح چینش فیزیکی افزاره‌ها نقش اساسی ایفا می‌کند. اهمیت این موضوع در مدارهایی با قدرت‌های بالاتر به مراتب بیش‌تر است زیرا در آن‌ها نسبت dI/dt بالاتر می‌باشد.

.

.

تصویر (14-الف) یک مدار اصولیِ «وارونگر قطب^[9]» یا «مبدّل نیم‌پُل^[10]» را نشان می‌دهد. آن مسیر رسانایی که چشمه‌ی ولتاژ (V_dc) را به نقاط پایانیِ مثبت و منفی وصل می‌کند (کابل یا نوار مسی روی فیبر مدار چاپی)، دارای مقداری «اندوکتانس ذاتی» خواهد بود که سرچشمه‌ی آن در ساختار مسیرِ رسانا و خازن‌های ذخیره‌کننده‌ی انرژی قرار دارد (در تصویر C₁, ESL). اثر L_p را می‌توان با به‌کارگیری خازن‌های کوچک‌تر و خازن‌هایی که «معادل مقاومت داخلی سری» یا ESR کمی داشته باشند، و نصب آن‌ها مستقیم و با کم‌ترین فاصله از کلید، آن طور که در مورد C₂ نشان داده شده است، به مقدار بسیار زیادی کاهش داد. یک امکان، استفاده از مدول‌های خازنیِ اسنابر است که بجای پایه، اتصال‌های ورقه‌ایِ تخت دارند و مستقیم روی مدول‌های آی.جی.بی.تی.، همان طور که در تصویر 15 آمده است، نصب می‌شوند. در بازار این مدول‌ها یا به صورت یک خازن ساده یا افزاره‌هایی مرکّب از خازن و دیود عرضه می‌شوند.

.

.

در برخی حالات افزودن C₂ خود به تنهایی نمی‌تواند پاسخ کاملی باشد، زیرا امکان نوسانی‌شدنِ ولتاژ مسیر رسانا به خاطر بروز پدیده‌ی تشدید در L_p، C₁ و C₂ وجود دارد. یک راه حل جایگزین، استفاده از اسنابرِ مقاومت-خازن-دیود به عنوان «کلمپ^[11]» مطابق تصویر (14-ب) است. میانگین ولتاژ در دو سر C₂ معادل ولتاژ مسیر رسانا خواهد شد. در زمان قطع، ولتاژ دو سر C₂ بالا می‌رود و قله‌ی آن توسط این خازن محدود می‌گردد، اما دیرتر، در چرخه‌ی سیگنال، ولتاژ در حد ولتاژ مسیر رسانا از طریق R_s بازنشانی می‌شود. این R_s همچنین ولتاژ رینگینگ روی مسیر رسانا را نیز محدود می‌کند. برتری اضافی این راه حل این است که چون L_p مانند یک «اسنابر زمان وصل^[12]» عمل می‌کند، تلفاتِ وصلِ کلید را نیز کاهش می‌دهد.

به علت وجود dl/dt های خیلی بزرگ، که در اسنابرها معمول است، مقادیر کوچک اندوکتانس پارازیتی در درون اسنابر می‌تواند با عملکرد اسنابر تداخل کرده و به پیدا شدن قله‌های ولتاژی بلندتری از آن چه  انتظار می‌رود، منجر شود. اندوکتانس پارازیتی از دو منبع سرچشمه می گیرد: اندوکتانس ذاتی افزاره‌ها به خاطر اندازه‌های فیزیکی و پایه‌های آن‌ها و کیفیت طراحی چینش آن‌ها. اندوکتانس افزاره را می توان با انتخاب نوع بدنه‌ی آن به کم‌ترین مقدار رساند (مانند استفاده از افزاره‌های ایستاده^[13] به جای خوابیده^[14]) و با استفاده از افزاره‌های کوچک‌تر به موازات هم، آن را باز هم پایین‌تر آورد. به ویژه، موازی‌کردن در اسنابرهای قدرت بالا سودمند است، زیرا این کار علاوه بر این که آرایشی با اندوکتانس کم تر است، نسبت مساحت به حجم را بهبود می‌دهد که این امر امکان خنک‌سازیِ بهتر و رسیدن به جریان‌های موثر بالاتر کمک می‌کند.

منشاء اولیه‌ی اندوکتانس ناشی از چینش افزاره‌ها، اتصال اجزای اسنابر به کلید است. اجزای اسنابر باید تا حد ممکن در نزدیک‌ترین نقطه به پایه‌های کلید مستقر شوند. این افزاره‌ها باید طوری مرتب شوند که « حلقه‌ی جریانی» که توسط اسنابر شکل می‌گیرد، تا جایی که ممکن است، مساحت کوچک‌تری را در بر بگیرد. مدول‌های اسنابر با پایه‌های مسطح و تخت به طور مستقیم و با نوارهای مسی کوتاه و کم‌اندوکتانس به پایه‌های کلید وصل می‌شوند.

.

انتخاب خازن: خازن‌های اسنابر دایماً باید زیر جریان‌هایی با مقدار موثر خیلی زیاد و قله‌های جریانی خیلی بزرگ و dV/dt‌ی بالا خدمت کنند. در تصویر 16 نمونه‌ای از پالس‌های جریانیِ سوزنی^[15] ناشی از عمل قطع و وصل در یک اسنابر رایج از نوع مقاومت-خازن-دیود داده شده است.

.

.

این ضربه‌ها (پالس‌ها) دارای دامنه‌ی موثر بزرگ و قله‌های بلند هستند. به این دلیل، باید در انتخاب خازن‌های اسنابر دقت کرد و خازن های بسیار مرغوب از سازندگان شناخته شده را به کار گرفت. یکی از این تولیدکنندگان «کُرنل دابیلی‌یر^[16]» است. این شرکت انواع زیادی از خازن‌ها را که به صورت ویژه برای کاربرد در اسنابرها مناسب هستند، روانه‌ی بازار کرده است. جدول زیر انواع این خازن‌ها و مشخصات فنی آن‌ها داده شده است.

.

.

در پایین این نوشتار نشانی‌هایی از دیگر تولیدکنندگان معتبر خازن‌های اسنابر در اینترنت داده شده تا خواننده‌ی علاقه‌مند بتواند از ریزِ داده‌های محصولات آن‌ها نیز آگاهی به دست بیاورد.

.

انتخاب مقاومت: همان گونه که پیش از این نیز گفته شد، در اسنابرهای مقاومت-خازن ضرورت دارد که مقاومت اسنابر (R_s) «اندوکتانس ذاتی^[17]» کمی داشته باشد. وجود خودالقایی در این مقاومت سبب بالا رفتن قله‌ی ولتاژ (E₁) و تمایل به کم‌اثر ساختن اسنابر می‌شود. در اسنابرهای مقاومت-خازن-دیود هم کم‌اندوکتانس بودنِ مقاومت مطلوب هست، اما اهمیت فوق‌العاده ندارد، زیرا اثرِ مقدار کمی خودالقایی، زمان بازنشانی C_s را اندکی افزایش می‌دهد و در نتیجه‌ی آن، قله‌ی جریانی  را که در هنگام وصل کلید ایجاد می‌گردد، کاهش می‌دهد. انتخاب عادی و معمول برای R_s در اغلب موارد «مقاومت ترکیبیِ کربنی^[18]» و یا «مقاومت فیلم فلزی^[19]» است. در سطوح بالاتر قدرت می‌توان حتی از «مقاومت‌های سیم‌پیچیِ کم‌اندوکتانس» هم استفاده نمود. البته باید در هنگام طراحی به این اندوکتانس اضافی و تاثیر آن بر عملکرد اسنابر دقت داشت. بار دیگر یادآوری می‌گردد که وجود اندوکسیون‌های پارازیتی در اسنابرهای مقاومت-خازن بسیار دغدغه‌برانگیز است.

.

انتخاب دیود:  ولتاژ مجاز دیودی که در اسنابر مقاومت-خازن-دیود به کار گرفته می‌شود، باید در حدود قله‌ی ولتاژی باشد که بر دو سر C_s پدیدار می‌شود. در کل، میانگین جریان در این دیود به نسبت کوچک است، اما جریان‌های قله‌ای شدید می‌باشند. مقدار قله‌ی جریان باید پایه‌ی انتخاب دیود قرار داده شود. عملکرد اسنابر می‌تواند تحت تاثیر «زمان احیای معکوس دیود^[20]» (t_rr) قرار گیرد و به این دلیل معولاً دیودهای سریع و مافوق سریع با t_rr زیر 100 نانوثانیه به کار گرفته می‌شوند. پاسخگوییِ مطلوبِ عملکردیِ دیودِ انتخاب شده باید در مدار و در عمل اثبات شود تا اطمینان حاصل گردد که اسنابر همان گونه که انتظار می‌رفته عمل می‌کند.

در انتخاب دیود، هر چه ولتاژ مجاز بالاتر رود و سرعت احیای معکوس آن بیش‌تر شود، ممکن است «سرعت احیای پیشرو^[21]»ی آن بحرانی و مساله‌برانگیز گردد. این امر بدین خاطر است که افت ولتاژ درونی دیود در سویِ پیشرو ممکن است به مدت چند صد نانوثانیه بالاتر از «مقدارِ دایمیِ هدایت^[22]» بشود. این مشکل بر اثر dI/dtهای خیلی بزرگ در شکل‌موج‌های نوعیِ جریانِ اسنابر تشدید می‌شود. در زمانی که دیود انتخاب شده به طور کامل به حالت هدایت رفته باشد، پایان‌گرفتنِ پالس جریان اسنابر ممکن است طولانی شود. ممکن است لازم شود چندین افزاره‌ی مختلف در مدار واقعی مورد امتحان قرار گیرد تا نتیجه‌ی رضایت‌بخش به دست بیاید.

.

(بخش پسین)

(بخش پیشین)

.

.

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 4 _بخش آخر)

.

مشخصات فنی خازن‌های ویژه‌ی اسنابرها:

خازن برای اسنابرهای IGBT

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت WIMA

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت Vishay

خازن های ویژه‌ی اسنابر ساخت  ALCON

.

.

پانویس‌ها:

.

.

.

نیمه‌رساناهای قدرت  قلب تجهیزات الکترونیکی صنعتی و مدارهای فرمان در توان‌های الکتریکیِ بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید

.

.

طراحی اسنابر مقاومت – خازن

اسنابر مقاومت – خازن‌ یا «اسنابر RC»، که مانند شکل 4 بر دو سر کلید قرار داده می‌شود، می‌تواند برای پایین آوردن قله‌ی ولتاژ در زمان قطع، و برای خفه‌کردن حالت نوسانی آن مورد استفاده قرار گیرد.

.

.

در اغلب حالت‌ها، فوت و فن‌های طراحی بسیار ساده‌ای به کار برده می‌شوند تا مقدارهای مناسب برای اجزای اسنابر (R_s و C_s) تعیین شوند. در حالاتی که طراحی بهینه‌تری مورد نظر باشد، روند طراحیِ پیچیده‌تری به کار برده می‌شود.

.

طراحی سریع اسنابر: برای دست‌یافتن به تضعیف شدید دامنه، باید شرط C_s > C_p برقرار باشد.‌ یکی از اولین انتخاب‌های خوب، در نظر گرفتن دو برابر مجموع ظرفیت خازنی خروجیِ کلید و مقدار تخمینیِ ظرفیت‌های خازنی ناشی از مونتاژ مدار است. R_s طوری انتخاب می‌شود که رابطه‌ی R_s = E_o / I_o برقرار باشد. این رابطه به معنی آن است که سهم ولتاژ داخلی ناشی از جریانی که از R_s عبور می‌کند، بزرگ‌تر از ولتاژ محدود شده‌ی خروجی باشد. توان تلفاتی در R_s را می‌توان از روی مقدار قله‌ایِ انرژیِ ذخیره‌شده در خازن C_s به دست آورد:

مقدار بالا انرژی تلفاتی در R_s است، هنگامی که خازن C_s شارژ و دشارژ شده باشد، طوری که میانگین توان تلفاتی در فرکانس کلیدگری (f_s) برابر باشد با:

بسته به مقدار نوسان‌های میرنده (رینگینگ^[1])، توان تلفاتی واقعی ممکن است کمی بیش‌تر از مقدار بالا باشد.

مثال‌های زیر چگونگی استفاده از این روش را نشان می‌دهند.

فرض کنیم که کلید ما ‌یک ترانزیستور ماسفت از نوع IRF740 باشد که در آن I_o = 5A و E_o = 160V است. در این افزاره ظرفیت خازنی خروجی C_oss = 170pF است و ظرفیت مونتاژ در حدود 40 پیکوفاراد خواهد بود.

با دو برابر کردن جمع این دو ظرفیت، به مقدار 420 پیکوفاراد می رسیم. هر اسنابر 500 ولتی با ظرفیتی میان 390 تا 470 پیکوفاراد برای حفاظت از این ماسفت مناسب خواهد بود. ما مقدار نزدیک‌تر به مقدار محاسبه را انتخاب می‌کنیم. بنابراین داریم C_o = 390pF . بیشینه‌ی توان تلف شونده در مقاومت اسنابر برابر است با:

 برای فرکانس کار 100 کیلوهرتزی، توان تلفاتی برابر است با P_diss = 1W زیرا:

با در نظر گرفتن ضریب اطمینان، برای این جا از ‌یک مقاومت 2 واتی استفاده خواهد شد. بهترین مقاومت‌ها در این کاربرد، «مقاومت‌های ‌ترکیبی کربنی^[2]» هستند چون این مقاومت‌ها در مقایسه با «مقاومت‌های لایه‌ی نازک^[3]» و ‌یا «مقاومت‌های سیمی^[4]» دارای «اندوکتانس داخلی^[5]» بسیار ناچیزی هستند.   به کار بردن «مقاومت‌های لایه‌ی کربن^[6]» هم تا جایی که برای تصحیح مقدار اهمی‌ برش‌های مارپیچی روی آن‌ها انجام نشده باشد، در اسنابرها مجاز است.

در صورتی که این روش آسان و عملی نتواند قله‌های ولتاژی را به شکل رضایت‌بخش محدود کند،‌ یا باید ظرفیت خازن اسنابر را بالاتر برد و‌ یا از روش بهینه‌سازی استفاده نمود.

.

اسنابر مقاومت –  خازن بهینه شده: در حالاتی که باید قله‌های ولتاژی به کمینه‌ی مقدار رسانده شده و همزمان در مورد توان تلفاتی نگرانی وجود داشته باشد، بایستی از روند طراحی بهتری استفاده گردد. در‌ یک مقاله‌ی علمی معتبر از «دکتر دبلیو. مک مورای^[7]»  روشی برای بهینه‌سازی اسنابرهای مقاومتی – خازنی شرح داده است. نکات برجسته‌ی این روش در زیر آمده است.

تعاریف زیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند:

.

.

در فرآیند طراحی I_o, E_o و L_p فرض‌های معلوم هستند و بایستی مقادیر R_s و C_s تعیین شوند، طوری که‌یک قله‌ی ولتاژ قابل قبول (E₁) به دست دهند. تصویر 5 رابطه میان E₁/E_o و ضریب میرندگی را در مقادیر مختلف ضریب جریان داخلی در اختیار می‌گذارد. نکته‌ی کلیدی که این گراف به دست می‌دهد این است که برای ‌یک ضریب جریان داخلی معین، همیشه ‌یک مقدار بهینه‌ی ضریب میرندگی وجود دارد که پایین‌ترین قله‌ی ولتاژ را تامین می‌کند. نکته‌ی مهم دوم این است که کم‌ترین مقدار قله‌ی ولتاژ قابل دستیابی  توسط اندازه‌ی C_s تعیین می‌شود. در صورتی که به قله‌ی ولتاژ کمتری نیاز باشد، بایستی برای این خازن ظرفیت بزرگ‌تری در نظر گرفت. این امر به این معناست که در حالی که قله‌ی ولتاژ کاهش پیدا می‌کند، توان تلفاتی بالا می‌رود.

.

.

طراحی یک اسنابر مقاومتی – خازنیِ بهینه‌شده در صورت بهره‌گیری از گراف داده‌شده در تصویر 6، بسیار آسان است. فرآیند طراحی به صورت گام به گام به شرح زیر است:

1-     مقدارهای I_o, E_o و L_p تعیین شوند،

2-     بیشینه‌ی قله‌ی ولتاژ انتخاب گردد،

3-     نسبت E₁/E_o محاسبه شود،

4-     از روی گراف تعیین شوند،

5-     مقدارهای داده شده برای «ضریب جریان داخلی» و «ضریب میرندگی» برای مقدارهای R_s و C_s محاسبه شوند.

.

.

یک مثال واقعی را در این‌جا می‌آوریم: اگر I_o = 5A و Eo = 300V و L_p = 1µH و E₁ = 400V باشد، پس خواهیم داشت: E₁/E_o = 1/33 . با دنبال‌کردن خط چین و پیکان‌ها روی تصویر بالا مقدار «ضریب جریان داخلی» معادل 0/65 و مقدار «ضریب میرندگی» برابر 0/8 به دست می‌آید. با داشتن این اطلاعات، مقدارهای R_s و C_s را می توان تعیین کرد:

که برای خازن از یک 680 پیکوفاراد و برای مقاومت از یک 62 اهم استفاده خواهد شد.

در دو گراف بالا ظرفیت خازنی موازی در کلید و زمان انتقال در نظر گرفته نشده است. به طور کلی، مقدار بهینه برای R_s اندکی کمتر از مقدار محاسبه شده خواهد بود. البته، بهینه‌سازیِ دقیق‌تر با شبیه‌سازی عملِ کلیدگری با استفاده از «اسپایس» به دست می‌آید. این کار با مقادیر محاسبه شده برای R_s آغاز می‌شود. سپس به سادگی مقدارِ آن به قدری تغییر داده می‌شود تا مقدار بهینه پیدا شود. در کل، بازه‌ای که این مقدار بهینه در محدوده‌ی آن قرار دارد، آن قدر وسیع هست که بتوان برای R_s با خیال راحت از مقاومت‌هایی با تولرانس 5% استفاده نمود.

مثالی از بهینه‌سازی کردن R_s در تصویر زیر نشان داده شده است که در آن یک ماسفت از نوع IRF840 به عنوان کلید به کار رفته است. مقدار بهینه‌ برای مقاومت 51 اهم، و برای E₁ ولتاژ 363 ولت است. اگر R_s برابر 39 و یا 62 اهم باشد، ولتاژ E₁ بالاتر خواهد بود. به دلیل حضور ظرفیت خازنی موازیِ کلید، قله‌ی ولتاژ نهایی زیر 400 ولت است. اگر E₁ مجاز باشد که به 400 ولت افزایش پیدا کند، ظرفیت خازنی کوچک‌تری می‌تواند برای C_s به کار گرفته شود و در نتیجه، مقداری در توان تلفاتی صرفه‌جویی شود.

.

.

این مثال نشان‌دهنده‌ی اهمیت شبیه‌سازی و بهینه‌سازی در مدارهای اسنابری است که با استفاده از افزاره‌های مجزا ساخته می‌شوند. گراف‌ها طراح را وارد میدان بازی می‌کنند و شبیه‌سازی به او اجازه‌ی یک بازی خوب را می‌دهد.

.

تعیین مقدار L_p

مقدارهای E_o و I_o مستقیم از مدار می‌آیند. برای یافتن مقدار E₁ باید به «ندای وجدان^[8]» رجوع کرد! این مقدار به ولتاژ نامی^[9] کلید و «ضریب تقلیل ولتاژ^[10]» آن بستگی دارد. طراح باید «قله‌ی ولتاژ قابل قبول» را انتخاب کند. همه‌ی این سه کمیت بسیار واضح هستند. البته L_p مشخصه‌ای است که به طراحی چینش افزاره‌ها و فیبر مدار چاپی وابستگی دارد و در واقع به آسانی محاسبه‌پذیر نمی‌باشد. مقدار L_p در یک مدار را می‌توان با اندازه‌گیری چرخه‌ی یک دوره‌ی رینگینگ (T₁)، و سپس موازی‌بستن یک خازن با ظرفیت معلوم (C_test) به کلید، و در پایان با اندازه‌گیری دوباره‌ی دوره (T₂) تعیین کرد.  مقدار L_p از رابطه‌ی زیر پیدا می‌شود:

به طور معمول ظرفیت خازن تست را در حدود دو برابر ظرفیت کلید در نظر می‌گیرند.

روش دیگر برای تعیین مقدار L_p در مدارهای با توان‌های بالاتر، استفاده از «پله‌ی ولتاژی^[11]» (V_step) است که به خاطر dI/dt‌ی جریانِ عبوری در L_p در زمان وصل بر روی V_ce یا V_ds پدیدار می‌شود:

با بسته شدن کلید C_s شارژ می‌شود. این بدین معناست که به خاطر تخلیه‌ی C_s از طریق R_s، یک «پالس سوزنی جریان^[12]» علاوه بر جریان نرمال عبوری، از کلید خواهد گذشت. این یک پالس کوتاه انتقالی است که به سرعت نزول می‌کند، اما عملاً به جریان وصل افزوده می‌شود و باید در کار طراحی به حساب آورده شود. یادآور می‌شود که «اسنابرهای مقاومت – خازن – دیود» نیز، که در بخش بعدی این نوشتار به آن‌ها پرداخته خواهد شد، پالس‌های سوزنی جریانِ وصل را دارند، اما این پالس‌ها را می‌توان ساده‌تر کنترل کرد زیرا در آن مدارها لازم نیست که مقدار R_s برای به دست آوردن بیشینه‌ی تضعیفِ دامنه، بهینه سازی شود.

اسنابرهای مقاومت – خازنی برای به‌کارگیری در کاربردهای قدرت پایین و قدرت متوسط بسیار سودمند هستند، اما هنگامی‌که سطح توان بیش از چند صد وات بشود، تلفات درون اسنابر بسیار زیاد خواهد شد و در چنین مواردی باید به استفاده از انواع دیگرِ اسنابر فکر کرد. البته، اسنابرهای مقاومت – خازنی جایگاه خود را در تجهیزات قدرت بالا به عنوان شبکه‌ی تضعیف‌کننده‌ی ثانوی،  و مانعی در برابر رینگینگ‌های فرکانس بالا دارند. در این مصارف، اسنابرهای گفته‌شده تلفات انرژی بالایی ایجاد نمی‌کنند.

.

(بخش بعدی)

(بخش پیشین)

.

.

مطالب مرتبط:

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

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

طراحی «اسنابر» برای حفاظت مدارهای الکترونیک قدرت – بخش 4 (بخش پایانی)

.

.

.

نیمه‌رساناهای قدرت  قلب تجهیزات الکترونیکی صنعتی و مدارهای فرمان در توان‌های الکتریکیِ بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید

.

.

اسنابر^[1] چیست؟

نیمه‌رساناهای قدرت قلب تجهیزات الکترونیک صنعتی و قدرت‌های بالا هستند. اسنابرها مدارهایی هستند که به موازات افزاره‌های نیمه‌رسانا مانند تریستورها، آی.جی.بی.تی.ها، ماسفت‌ها و مانند آن‌ها قرار داده می‌شوند تا از آن‌ها حفاظت کنند و کارآیی آن‌ها را بهبود دهند. کارهای زیادی از عهده‌ی اسنابرها برمی‌آید:

• کاهش‌یا حذف پالس‌های سوزنی^[2] ولتاژی‌یا جریانی،
• محدود کردن dI/dt‌ یا dV/dt،
• شکل دادن به «خط بار^[3]» برای ابقای آن در محدوده‌ی ایمنِ کاری،
• انتقال توان تلفاتی از کلید به‌یک مقاومت‌یا به‌یک بار مفید،
• کاستن از مجموع تلفات ناشی از عمل کلیدگری^[4]،
• کاستن از تداخل الکترومغناتیسی حاصل از ولتاژهای میرنده^[5] و نوسان‌های میرنده‌ی جریان^[6].

انواع گوناگونی از اسنابرها وجود دارد، اما متداول‌ترین آن‌ها «اسنابرهای قطع کن^[7]» از نوع «مقاومت – خازن^[8]» و «مقاومت- خازن – دیود^[9]»‌ هستند. این نوشتار به خواننده نشان می‌دهد که این دو نوع اسنابر چگونه طراحی می‌شوند.

.

شکل موج‌های کلیدگری^[10]

پیش از وارد شدن به عرصه‌ی طراحی اسنابرها، ضروری است با شکل موج‌هایی که به طور طبیعی در مدارهای قدرت پدیدار می‌شوند، آشنا شویم. همین شکل موج‌ها علت و انگیزه‌ی کاربرد اسنابرها هستند و آگاهی در مورد چند و چون آنها برای طراحی اسنابر مناسب ضروری است. انواع بسیار گوناگونی از مدارها در تجهیزانی مانند مبدّل‌های توان^[11]، راه انداز الکتروموتورها^[12]، بالاست لامپ‌ها^[13] و تجهیزات دیگر مورد استفاده قرار دارند. خوشبختانه، همه‌ی این مدارهای متفاوت، در ارتباط با عمل کلیدگری،‌یک شبکه‌ی مداری و شکل موج‌های‌یکسان دارند. تصویر 1 چهار مدار پرمصرف را نشان می‌دهد.

.

.

همه‌ی این مدارها، و در واقع اغلب مدارهای الکترونیک قدرت، همین شبکه‌ی کلید-دیود-اندوکتوری را که درون منطقه‌های زرد رنگ تصویر بالا رسم شده، در درون خودشان دارند. رفتار این شبکه در همه‌ی این مدارها ‌یکسان است. به عبارت دیگر، ما باید چالش طراحی اسنابر را تنها برای ‌یک مدار حل کنیم و همان راه حل را برای مدارهای دیگر نیز به کار ببندیم. این امر چالش طراحی را به شدت ساده می‌کند و اجازه‌ی اجرای طراحی‌های عمومی و کلّی برای اسنابرها را به دست می‌دهد.

.

.

یک مدار منبع تغذیه‌ی کلیدگریِ معمولی از نوع «مبدّل افزاینده^[14]» در تصویر (2-الف) داده شده است. برای طراحی اسنابر نگرانی ما از بابت رفتار مدار در طول «زمان گذار کلیدگری^[15]» است که بسیار کوتاه‌تر از زمان «چرخه‌ی کلیدگری^[16]» می‌باشد. این موضوع به ما اجازه می‌دهد تا تجزیه و تحلیل مدار را ساده کنیم. در کارکرد عادی، ولتاژ خروجی‌یک ولتاژ مستقیم با مقدار بسیار اندکی تَمَوُّج‌ یا «ریپل^[17]» است. به عبارت دیگر، می‌توانیم مصرف‌کننده (بار) و خازن صافی را با ‌یک باتری جایگزین سازیم، زیرا تغییرات ولتاژ خروجی در طول زمان‌های گذارِ کلیدگری بسیار کوچک هستند. در نتیجه، مقدار جریان در اندوکتور هم در طول زمانِ گذار خیلی کم تغییر می‌کند  و ما می‌توانیم اندوکتور را با ‌یک «منبع جریان» جایگزین نماییم.

.

.

مدار ساده شده در تصویر (2-ب) داده شده است. شکل موج‌های ولتاژ (E) و جریان (I) در تصویر (2-پ) دیده می‌شوند.

در آغاز چرخه‌ی کلیدگری، کلید در حالت باز قرار دارد و جریان (I_o) از طریق دیود به باتری می‌رود. هنگامی که کلید بسته می‌شود، جریان فوری از مسیر دیود به مسیر کم‌اهم‌ترِ کلید متمایل می‌شود. البته، تا موقعی که در دیود جریان برقرار است، ولتاژ دو سر کلید روی مقدار E_o باقی می‌ماند. وقتی که تمام جریان به کلید منتقل شده باشد، ولتاژ کلید می‌تواند شروع به کاهش بکند. این وضعیت در زمان قطع وارونه می‌شود. به محض باز شدن کلید، ولتاژ دو سر آن افزایش می‌یابد. اما جریانی که در کلید جاری بود، تا موقعی که ولتاژ کلید به مقدار E_o برسد، شروع به کم‌شدن نمی‌کند، زیرا دیود تا این نقطه در بایاس معکوس قرار خواهد داشت. تازه، پس از رفتن دیود به حالت هدایت است که جریان در کلید می‌تواند افت کند.

این روش کلیدگری، که به طور معمول بر آن «کلیدگری سخت^[18]» نام نهاده‌اند، کلید را زیر تنش الکتریکیِ سنگینی قرار می‌دهد زیرا بیشینه‌ی ولتاژ و بیشینه‌ی جریان باید به صورت همزمان در کلید پشتیبانی شوند. علاوه بر این، چنین وضعیتی به بروز تلفات بالای کلیدگری منجر خواهد شد.

.

.

در مدارهای عملی، همان طور که در تصویر (3-الف) نشان داده شده، تنشِ کلید به دلیل حضور غیر قابل اجتناب اندوکسیون‌های پارازیتی (L_p) و ظرفیت‌های خازنیِ پراکنده و پارازیتی (C_s) ، حتی بالاتر هم خواهد بود. ظرفیت‌های خازنی پراکنده و پارازیتی شامل «ظرفیت پیوند^[19]» در محل پیوند P-N بلور نیمه‌رسانای کلید و «ظرفیت‌های پراکنده^[20]» ناشی از طراحی فیزیکی مدار است. اندوکسیون‌های پارازیتی نیز ناشی از طراحی فیزیکی مدار (طرح فیبر مدار چاپی، ابعاد نوارهای مسی و طول پایه‌های افزاره‌ها) هستند. اندوکسیون‌های پارازیتی را می‌توان با طراحی خوبِ مدار چاپی و چینش افزاره‌ها به کمینه‌ی ممکن تقلیل داد، اما ممکن است همچنان مقدار کمی اندوکتانس باقی بماند که می‌تواند، مطابق تصویر (3-ب)، سبب پیدایش پالس‌های ولتاژیِ نوسانی در زمان قطع کلید بشود.

فراوان‌ترین علت استفاده از‌ یک اسنابر، محدود‌کردن قله‌های ولتاژی بر دو سر کلیدها و کاستن از تلفات کلیدگری در طول زمانِ قطع کلید می‌باشد.

در بخش بعدی روش طراحی اسنابر تشریح خواهد شد.

.

(بخش بعدی)

.

.

مطالب مرتبط:

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

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

.

.

.

.

.