Do quá nhiệt, quá áp, quá dòng hoặc thay đổi quá mức về điện áp hoặc dòng điện, các thiết bị chuyển mạch và các bộ phận mạch có thể bị hỏng. Để bảo vệ khỏi dòng quá tải, người ta có thể đặt cầu chì tại các vị trí thích hợp. Bộ tản nhiệt và quạt có thể được sử dụng để đưa nhiệt dư thừa ra khỏi các thiết bị chuyển mạch và các bộ phận khác. Snubber cần thiết để hạn chế tốc độ thay đổi của điện áp hoặc dòng điện (di/dt hoặc dv/dt) và quá áp trong quá trình bật và tắt. Chúng được đặt trên các thiết bị bán dẫn để bảo vệ cũng như cải thiện hiệu suất. dv/dt tĩnh là một chỉ số về khả năng của thyristor để duy trì trạng thái chặn khi có hiện tượng quá độ điện áp. Chúng cũng được sử dụng trên các rơle và công tắc để ngăn ngừa hồ quang điện.

Sự cần thiết của việc sử dụng Snubber

Chúng được đặt trên các thiết bị chuyển mạch khác nhau như transistor, thyristor, v.v. Khi chuyển từ trạng thái BẬT sang TẮT, trở kháng của thiết bị đột ngột tăng lên giá trị cao. Nhưng điều này cho phép một dòng điện nhỏ chảy qua công tắc. Điều này gây ra một điện áp lớn trên thiết bị. Nếu dòng điện này giảm với tốc độ nhanh hơn, điện áp cảm ứng trên thiết bị càng lớn và nếu công tắc không có khả năng chịu được điện áp này, công tắc sẽ bị cháy. Vì vậy, cần một đường dẫn phụ để ngăn chặn điện áp cảm ứng cao này.

Tương tự, khi quá trình chuyển là từ trạng thái TẮT sang BẬT, do phân bố không đều của dòng điện qua diện tích của công tắc, quá nhiệt sẽ xảy ra và cuối cùng nó sẽ bị cháy. Ở đây cũng cần thiết phải có snubber để giảm dòng điện khi khởi động bằng cách tạo ra một đường dẫn thay thế.

Snubber trong chế độ chuyển mạch cung cấp một hoặc nhiều chức năng sau

• Điều chỉnh đường tải của transistor chuyển mạch lưỡng cực để giữ nó trong vùng hoạt động an toàn.
• Giảm điện áp và dòng điện trong quá trình quá độ khi bật và tắt.
• Loại bỏ năng lượng từ transistor chuyển mạch và tiêu tán năng lượng trong điện trở để giảm nhiệt độ tiếp giáp.
• Giới hạn tốc độ thay đổi của điện áp và dòng điện trong quá trình quá độ.
• Giảm rung động để giới hạn điện áp đỉnh trên transistor chuyển mạch và giảm tần số của chúng.

Mạch snubber RC để bảo vệ SCR khỏi dv/dt:

Loại mạch snubber này bao gồm tổ hợp nối tiếp điện trở R và tụ điện C song song với SCR.

• Khi một điện áp ngược được áp dụng, quá trình chuyển đổi bắt đầu và dòng thuận chảy qua SCR tiến về không.
• Do tính cảm kháng, dòng điện tiếp tục chảy do sự quét của các hạt mang điện tích tại các bề mặt ngoài.
• Khi nó đạt đến giá trị đỉnh, nó không thể được hỗ trợ thêm bởi các hạt tải và giảm rất nhanh về không. Điều này gây ra một đỉnh điện áp có giá trị L(di/dt).
• Ngoài ra, khi nguồn được kết nối với mạch (trong hình trên, giả sử công tắc S được đóng lại), điện áp đột ngột xuất hiện trên SCR.
• Lúc này, vì dòng điện của thyristor bằng không nên nó có thể được coi như một công tắc hở.
• Tại thời điểm này, tụ điện C hoạt động như một mạch ngắn và do đó điện áp trên SCR bằng không.
• Theo thời gian, tụ điện C được sạc ở tốc độ chậm sao cho dv/dt trên tụ điện và do đó trên SCR nhỏ hơn giá trị dv/dt tối đa được chỉ định của thiết bị.
• Như vậy, tụ điện bảo vệ SCR chống lại điện áp cao và dv/dt cao.

Dựa trên phân tích trên, chúng ta có thể nói rằng chỉ cần một tụ điện C là đủ để bảo vệ SCR chống kích hoạt sai do dv/dt.

Vậy mục đích của điện trở R là gì?

• Trong mạch snubber RC, điện trở R giới hạn dòng xả của tụ điện vào thời điểm đánh lửa SCR.
• Trước khi SCR được kích hoạt, tụ điện C được sạc đến điện áp đầy đủ V.
• Nếu SCR được đánh lửa, khi điện áp tụ điện đạt cực đại, nó sẽ xả qua đường dẫn nội bộ được tạo ra bởi tụ điện C, điện trở R và SCR.
• Trong thời gian này, nếu không có điện trở R trong mạch, dòng xả sẽ cao và do đó có thể làm hỏng SCR do di/dt lớn.
• Do đó, điện trở R trong mạch snubber làm giảm dòng xả của tụ điện C và do đó bảo vệ SCR khỏi di/dt lớn.

Trong thực tế, R, C và các thông số dòng tải phải sao cho

1. dv/dt trên C trong quá trình sạc nhỏ hơn giá trị dv/dt được chỉ định của SCR
2. Dòng xả tại thời điểm bật SCR nằm trong giới hạn hợp lý.

Thông thường, các thông số R, C và mạch tải tạo thành một mạch phi cản để giới hạn dv/dt ở các giá trị chấp nhận được.

Trong một số mạch snubber RC, một diode D được dùng để kết nối song song với điện trở R. Nó được sử dụng với mục đích bypass và do đó cung cấp khả năng bảo vệ dv/dt tốt hơn.

Các công cụ tính toán thiết kế mạch snubber

Điều khiển các tải cảm kháng bằng các công tắc transistor, cho dù chúng là biến áp flyback, rơ-le hay động cơ thường dẫn đến các đỉnh cộng hưởng điện áp cao khi các cuộn dây bị ngắt khỏi nguồn dòng điện của chúng bởi transistor. Có nhiều cách để giảm thiểu các đỉnh điện áp không mong muốn này gây ra hỏng hóc linh kiện và các vấn đề EMI. Cách tiếp cận phổ biến nhất là sử dụng các mạch snubber. Bài viết hướng dẫn kỹ thuật này không chỉ giải thích các mạch snubber phổ biến mà còn cung cấp một số công cụ tính toán thiết kế, giúp việc thiết kế snubber trở nên dễ dàng.

Phương pháp 1 – Mạch snubber RCD giới hạn tốc độ tăng điện áp

Với phương pháp này, chúng ta muốn giới hạn sự tăng của điện áp khi công tắc transistor được tắt.

Một cách khác để nói vấn đề là chúng ta muốn đầu drain hoặc collector của transistor chuyển nhanh về điện áp rail trong dt giây.

Khi transistor tắt, dòng điện đạt giá trị đỉnh. Chúng ta có thể sử dụng phương trình sau để tìm điện dung cần thiết để giới hạn thời gian tăng ở một giá trị cho trước.

• Ipk= C*dV/dt
• C= Ipk*dt/Vrail

Chúng ta chỉ muốn ảnh hưởng đến cạnh dẫn đứng lên của điện áp tăng và vì vậy hằng số thời gian (TC) của phần tử RC phải là một phần nhỏ của chu kỳ. Chúng tôi sử dụng công thức hằng số thời gian để chọn R.

• RC= TC

Quy tắc thông thường là chọn Tc bằng 1/10 thời gian bật công tắc.

• R= TC/(C10)= 1/(fC210)= 1/(fC20)

Năng lượng được lưu trữ trong tụ điện được tiêu tán hoàn toàn trên mỗi chu kỳ qua điện trở, vì vậy công suất mà điện trở phải tiêu tán là:

• P= Ecf= (1/2C*V^2)*f

Khi xác định thực nghiệm các giá trị của các thành phần mạch snubber thời gian tăng, có một số mối quan hệ có thể được khai thác.

• Với tất cả các thành phần cố định và giảm giá trị điện trở, thời gian tăng sẽ giảm và điện trở sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn.
• Với tất cả các thành phần cố định và tăng điện dung, thời gian tăng sẽ tăng và điện trở sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn.
• Thay đổi thời gian tăng sẽ ảnh hưởng đến mạch snubber kẹp liền kề. Nếu thời gian tăng tăng lên, nó sẽ lấy năng lượng từ mạch snubber kẹp và tương tự nếu thời gian tăng giảm, nó sẽ cộng thêm năng lượng mà mạch snubber kẹp phải loại bỏ khỏi mạch.

Đây là một số lời khuyên khác:

• Đảm bảo rằng diode có thể xử lý dòng đỉnh.
• Giảm tụ điện nếu điện trở quá nóng.
• Đảm bảo tất cả các thành phần có thể chịu được điện áp đỉnh.

Phương pháp 2 – Mạch snubber kẹp RCD

Mạch snubber kẹp về cơ bản là một mạch phát hiện đỉnh được sử dụng để giải điều chế AM bao gồm tụ điện và điện trở song song được cung cấp bởi một bộ chỉnh lưu. Bộ lọc RC được thiết kế để theo dõi biên độ của sóng AM. Trong trường hợp này, khi tần số chuyển mạch thường là hằng số, mạch RC sẽ có gợn sóng do dòng điện cảm ứng đỉnh gây ra. Điện áp có thể được kẹp ở giá trị dV tối đa mong muốn bằng cách chọn một tụ điện có giá trị phù hợp. Mục đích của điện trở là để tiêu tán hoàn toàn điện tích trên tụ điện mỗi chu kỳ.

Mạch này thường được tìm thấy trong các mạch nguồn điện và chúng được sử dụng để kẹp dao động xảy ra do cộng hưởng của tính cảm kháng rò với điện dung đầu ra của transistor. MOSFET thường có điện áp drain-source tối đa mà không nên vượt quá. Mạch giảm chấn có thể được thiết kế sao cho điện áp tối đa này không bao giờ bị vượt quá. Giá trị của tụ điện có thể được xác định bằng cách chọn sự thay đổi điện áp mong muốn. Sự thay đổi giá trị của tụ điện có thể được xác định bằng cách chọn mức thay đổi điện áp có thể xảy ra. Sự thay đổi điện áp này được ký hiệu là dV và có thể được coi là một điện áp gợn sóng. Chúng ta xem xét năng lượng chảy ra từ cuộn cảm vào tụ điện và thấy rằng năng lượng ban đầu của tụ điện cộng với năng lượng cuộn cảm bằng với tụ điện được sạc đầy:

• EC0 + EL = ECT
• 1/2 * C * V^2 + 1/2 * L * I^2 = 1/2 * C * (V + dV)^2

Trong trường hợp này, I là dòng điện đỉnh của cuộn cảm và V là điện áp thấp nhất được nhìn thấy trên mạch RC. Giải phương trình để tìm C:

• C = L * I^2 / (dv(dv + 2V))

R được chọn sao cho hằng số thời gian dài so với chu kỳ; hằng số thời gian bằng 10 lần chu kỳ của tần số chuyển mạch sẽ là một lựa chọn tốt.

• R = 10/(f * C)

Công suất bằng với năng lượng từ cuộn cảm tiêu tán vào điện trở mỗi giây.

• P = F/2 * L * I^2

Hãy làm theo các lời khuyên này khi tinh chỉnh mạch snubber kẹp:

• Việc chọn diode rất quan trọng, đảm bảo rằng diode có thể chịu được điện áp lớn hơn bất kỳ đỉnh nào trong mạch và nó có thể chịu được dòng điện đỉnh. Tốt hơn là nên chọn thông số cao hơn cho linh kiện này ngay từ đầu.
• Theo dõi điện áp giữa diode và điện trở và tụ điện. Đây nên là một giá trị gần như không đổi. Nếu nó gồ ghề thì hoặc là tụ điện quá nhỏ hoặc diode có điện áp định mức quá thấp.
• Có một sự đánh đổi giữa điện áp kẹp và công suất mà mạch tiêu tán. Điện áp snubber càng thấp thì tất cả các linh kiện sẽ càng nóng.
• Đảm bảo tụ điện có điện áp định mức cao. Định mức phải lớn hơn điện áp kẹp dự kiến.
• Điều chỉnh điện áp kẹp bằng cách tăng hoặc giảm điện trở, với tất cả các thành phần khác cố định.

Phương pháp 3 – Mạch snubber không tiêu tán

Cả hai mạch snubber trước đó đều có thể tiêu tán một lượng lớn công suất qua các điện trở tương ứng. Điều này không chỉ gây ra sự không hiệu quả mà còn tạo ra các vấn đề truyền nhiệt và làm tăng kích thước linh kiện.

Mạch snubber không tiêu tán trong Hình 2 dưới đây khắc phục những vấn đề này bằng cách lưu trữ năng lượng đỉnh điện áp rò rỉ vào tụ điện khi transistor tắt. Khi transistor bật trở lại, năng lượng được đổ vào một cuộn cảm song song, nó cộng hưởng với tụ điện lưu trữ.

Hình 2 – Mạch snubber không tiêu tán. Năng lượng được lưu trữ vào C1 khi transistor tắt. Khi Q1 bật, L2 và C1 tạo thành một mạch cộng hưởng và năng lượng vượt quá VP + VD1 được truyền trở lại tải L1.

Mạch cộng hưởng được tạo bởi L2 và C1 khi Q1 được bật dao động ở tần số:

• F = 1/(2 * PI * sqrt(L2 * C1))

Điện áp trên L2 sẽ dao động âm trong chu kỳ dao động đầu tiên và sau đó dao động dương trong chu kỳ thứ hai. Khi điện áp trên L2 dương và vượt quá VP + 2*VD, tất cả năng lượng rò rỉ được truyền trở lại nguồn cấp.

Các bước thiết kế để chọn giá trị linh kiện rất đơn giản. Đầu tiên, chọn một tụ điện làm chậm tốc độ tăng đủ để giảm vọt lố. Việc lựa chọn tụ điện là bằng phương pháp thử và sai, vì độ lớn của tính cảm kháng rò thường không được biết trước. Sau khi chọn C1, chọn một cuộn cảm sao cho chu kỳ dao động hai chu kỳ ngắn hơn thời gian bật tối thiểu của transistor – Ton.

• L1 = Ton(min)^2 / (4 * PI^2 * C1)