Как реализовать беззубные тиристорные схемы для снижения сложности и стоимости

Безрамочные тиристорные схемы представляют собой значительную эволюцию в силовой электронике, позволяя инженерам снизить сложность системы и стоимость счетов за материалы, не жертвуя надежностью. Устраняя традиционные резисторно-конденсаторные (RC) снубберные сети, эти конструкции используют передовые полупроводниковые технологии и оптимизированные топологии схем для управления переходными напряжениями по своей сути. Эта статья предоставляет всестороннее руководство по пониманию, проектированию и реализации безрамочных тиристорных схем для современных приложений управления мощностью.

Понимание схем Snubber и их недостатков

Обычный тиристорный снуббер представляет собой параллельную RC-сеть, размещённую по всему устройству для ограничения скорости подъёма напряжения (dv/dt) и подавления скачков напряжения при переключении. Резистор предотвращает избыточный ток разряда от конденсатора при включении тиристора, в то время как конденсатор поглощает энергию от паразитной индуктивности. В то время как эффективные, снубберные сети вносят несколько недостатков:

• Увеличение количества компонентов и площади ПХД: Каждый тиристор требует по меньшей мере одного резистора и конденсатора, часто высоковольтного и высокоэнергетического типов, добавляя размер и вес.
• Более высокая стоимость: Конденсаторы Snubber, способные обрабатывать повторяющиеся пиковые токи, дороги, особенно для конструкций с высокой мощностью.
• Рассеивание энергии: Резисторы в снубберах потребляют энергию, снижая общую эффективность и генерируя тепло, которым необходимо управлять.
• Потери при переключении: Конденсатор заряжает и разряжает каждый цикл, способствуя дополнительным потерям в цепи.

Для многих приложений, особенно с переходными напряжениями умеренного напряжения и контролируемыми нагрузками, эти недостатки можно избежать с помощью тщательной конструкции, которая делает сети сноббера ненужными.

Ключевые технологии, обеспечивающие работу без снубберов

Переход к схемам без скумбрии тиристора был обусловлен улучшениями в производстве полупроводников и более глубоким пониманием динамики переключения. Три критически важные технологии делают конструкции без скумбрии осуществимыми:

Быстрое восстановление Thyristors

Стандартные тиристоры имеют относительно медленное время обратного восстановления, что приводит к высокому пиковому току обратного восстановления и повышенному напряжению dv/dt. Быстрое восстановление тиристоров (FRT) оптимизировано с более коротким сроком службы несущей, что позволяет им быстрее восстанавливаться. Это уменьшает продолжительность и величину переходных перенапряжений, часто устраняя необходимость внешнего перенапряжения. Ключевые параметры для поиска в FRT включают заряд обратного восстановления (Q_]rr) ниже 10 мкС и характеристики мягкого восстановления, которые избегают осцилляций скачка.

Асимметричные тиристоры (ASCR и RCT)

Асимметричные тиристоры, такие как асимметричные кремниевые выпрямители (ASCR) и обратнопроводящие тиристоры (RCT), интегрируют антипараллельный диод в одну и ту же упаковку. Этот внутренний диод обеспечивает путь с низким сопротивлением обратного тока, значительно снижая скачок напряжения при выключении тиристора. Монолитическая конструкция также минимизирует паразитную индуктивность, облегчая достижение работы без снубберов. Многие современные силовые модули для приводов двигателей и систем ИБП используют RCT специально для устранения внешних снубберов.

Передовые технологии Gate Drive

Схема привода ворот играет ключевую роль в управлении включенным ди / дт тиристора и удерживании тока. Безрамочные конструкции часто используют:

• Импульсы ворот с мягким запуском , которые постепенно увеличивают ток ворот, позволяя тиристору включаться более равномерно по всей его области соединения.
• Высокий пиковый ток затвора (например, 10× необходимый минимум) для обеспечения быстрого и полного включения, снижения падения напряжения в состоянии и результирующего напряжения dv/dt.
• Пульс тренирует для высокочастотных приложений, поддерживая проводимость до тех пор, пока основной ток не возьмет верх.

Точно контролируя форму волны ворот, дизайнер может минимизировать напряжения, которые в противном случае потребовали бы снуббера. Хорошим ориентиром для оптимизации привода ворот является примечание приложения AN2706 на бездумных тиристорах.

Принципы проектирования для безлопастных схем

Успешное внедрение схемы без тиристора требует соблюдения нескольких принципов проектирования, которые отличаются от обычных подходов.Оригинальные три принципа - оптимизированное затворное срабатывание, быстро переключающиеся устройства и правильная схема - составляют основу, но каждый требует более глубокого изучения.

Оптимизированные ворота

Срабатывание ворот должно быть тщательно настроено на конкретный тиристор и нагрузку. Водопривод должен обеспечивать:

• Амплитуда: По крайней мере, в 2–3 раза больше минимального тока запуска затвора (I_GT), чтобы обеспечить быстрое включение даже при низких температурах.
• Время подъема: Быстрое время подъема (< 1 мкс) для минимизации задержки включения и уменьшения времени, которое устройство проводит в линейной области.
• Гейт-резистор: Небольшой рядный резистор (обычно 10-100 Ом) ограничивает пиковый ток затвора и влажность колебаний между затвором и катодом.
• Конденсатор с затвором на катод: Некоторые конструкции помещают конденсатор 10-100 нФ между затвором и катодом для фильтрации шума и предотвращения ложного запуска, но это должно быть сбалансировано с необходимостью быстрого запуска.

Комбинация резистора и конденсатора ворот образует сеть RC, которая формирует импульс ворот, эффективно управляя включенным dv/dt. Во многих схемах без снубберов эта сеть RC ворот является единственным «снуббером» - и она действует на ворота, а не на основные терминалы, тем самым избегая потерь традиционного снуббера мощности.

Быстрое переключение устройств

Важно выбрать тиристоры с быстро меняющимися характеристиками. Помимо обратного восстановления инженеры должны учитывать:

• Время выключения (t_q): Быстрое время выключения (≤ 50 мкс для среднечастотных приложений) позволяет устройству восстанавливаться до того, как повторное напряжение поднимается слишком быстро.
• dv/dt возможности: Указывается в V/μs; значение ≥ 500 V/μs желательно для работы без снубберов. Многие современные быстрые тиристоры предлагают 1000 V/μs или более.
• Критическая скорость повышения тока в состоянии (di/dt): Высокая способность к ди/дт (≥ 200 А/мкс) гарантирует, что устройство может обрабатывать ток ввода без локальных горячих точек.

Например, серия Thyristor Infineon Phase Control включает в себя устройства, явно рассчитанные на работу без снубберов. Их материалы для применения обеспечивают подробное руководство по максимальной температуре dv/dt по сравнению с температурой перехода.

Подробные руководящие принципы компоновки ПХД для мощных тиристорных схем доступны из примечания SLUA535, в котором рассматриваются топологии без скул для коррекции коэффициента мощности.

Стратегии осуществления

Для перевода вышеупомянутых принципов в рабочую схему требуются систематические стратегии. Ниже приведены три проверенных подхода, каждый из которых имеет практические критерии выбора компонентов и этапы проектирования.

Стратегия 1: RC-Limited Gate Trigger

Этот метод использует небольшую RC-сеть в приводе ворот для формирования запускающего импульса, тем самым контролируя включаемый dv/dt главного тиристора. Цель состоит в том, чтобы замедлить включение как раз настолько, чтобы предотвратить чрезмерное напряжение напряжения без ущерба для скорости.

Шаги проектирования:

1. Выберите резистор R_G между 10 Ω и 47 Ω. Более высокие значения уменьшают ток затвора, но также и слишком медленный включение. Начните с 22 Ω в качестве типичного значения.
2. Выберите конденсатор затвора C_G от 10 нФ до 100 нФ. Постоянная времени RC (τ = R × C) должна быть примерно 0,1-1 мкс. Например, 22 Ω × 47 нФ = 1,034 мкс.
3. Моделировать или тестировать форму волны напряжения затвора Конденсатор должен заряжаться до порога запуска затвора (обычно 0,7-1,5 В) в пределах 1-2 мкс.
4. Убедитесь, что рейтинг тиристора dv/dt не превышен при наихудших условиях нагрузки. Настройте R_G и C_G итеративно.

Эта стратегия хорошо работает для резистивных и индуктивных нагрузок с умеренными требованиями к ди/дт. Она добавляет только два недорогих компонента к схеме затвора и без дополнительного рассеивания мощности.

Стратегия 2: использование тиристоров быстрого восстановления

Когда переходные нагрузки являются серьезными, например, при запуске двигателя или переключении конденсатора, выбор тиристора с временем обратного восстановления (t _]rr ) 2-5 мкс и коэффициентом мягкого восстановления (s-фактором), близким к 1, имеет важное значение. Мягкое восстановление предотвращает резкий ток, который генерирует высокочастотный звон.

Рекомендуемые семейства устройств:

• STMicroelectronics SCR series: Устройства, подобные TN1610H-6T, предлагают t_rr ≤ 2,5 мкс и dv/dt > 1000 В/мкс при 125°С.
• Littelfuse Kxxx0G серии: Быстрые триаки и тиристоры с низким зарядом восстановления, подходящие для управления переменным током без скул.
• IXYS Fast Thyristors: Серия CS1600 обеспечивает t_q всего 15 мкс с мягким восстановлением.

При использовании FRT всегда проверяйте примечания к применению производителя на максимальную ди/дт и dv/дт при предполагаемой рабочей температуре.Некоторые устройства требуют минимального ди/дт для обеспечения равномерного включения; рекомендуется привод для ворот, который обеспечивает не менее 10 А/мкс.

Стратегия 3: Оптимизация схемы для минимального паразитирования

Даже лучшее устройство не может работать без шума, если макет вводит чрезмерную индуктивность. Эта стратегия фокусируется на физическом дизайне:

• Для сквозных отверстий держите отводы как можно короче (≤ 5 мм от ПХД до устройства). Для поверхностного крепления используйте пакеты D2PAK или TO-263 с большими медными прокладками.
• Поместите тиристор как можно ближе к конденсаторам шины постоянного тока.Кольцо, образованное конденсатором, тиристором и нагрузкой, должно иметь площадь менее 100 мм2.
• Используйте соединение Кельвина для ворот: проведите отдельный след от водителя ворот до ворот тиристора, с обратным путем непосредственно под ним. Не разделяйте ток-чувство или мощность земли.
• Если требуется небольшой шунтирующий конденсатор, используйте пленку с низкой индуктивностью (например, серии MKP), припаянную непосредственно через анод и катод тиристора. Держите ее в пределах 10 мм от устройства.
• Рассмотрите возможность использования витой пары или параллельной пластины для шины постоянного тока, чтобы отменить магнитные поля и уменьшить индуктивность петли.

Прекрасное тематическое исследование оптимизации макета представлено в руководстве по дизайну Мусера по безлопастным тиристорным макетам .

Многие современные SSR используют беззубчатые оптопары тиристора, которые интегрируют схему обнаружения с нулевым пересечением и быстрый выход тиристора. Внутренний привод тиристора обеспечивает включение главного тиристора только вблизи нулевого пересечения формы волны переменного тока, сводя к минимуму dv/dt. Примеры включают серию VOT Vishay, которая определяет работу без снуббера для резистивных и индуктивных нагрузок до 600 В.