Magnetic flux cancellation: theory and power electronics practice

Многие наверняка думают, что весь секрет успеха в силовой электронике — это хорошо обставленая лаборатория и доступность комплектующих. Ну там блок питания помощнее с защитой получше, адекватный эквивалент нагрузки, быстрые и мощные драйверы, ну и конечно ведро полевых или IGBT транзисторов (чтобы нажечь их вдоволь во время наладки и тестирования, лол)))

В целом это наверное так, но есть множество нюансов.
Один из самых известных — паразитные индуктивности. Это сильно напрягает, потому что в результате на разных концах проводников возникают выбросы напряжения, вызванные быстрым изменением тока через сам проводник (который магическим образом превратился в паразитную индуктивность :). Более того, в ряде случаев безобидная цепь через которую вообще не должен течь ток — превращается в колебательный контур с затухающими колебаниями начальной амплитудой под сотню вольт.

Ликбез

Про паразитные индуктивности пишут во всех книжках и говорят во всех лекциях [например, eng].

Возьмем очень часто встрачающуюся схему в электронике — понижащий (buck) преобразователь на полумосте из двух транзисторов.

synchronous-buck-converter

На что стоит реально обращать внимание:

1. Во-первых, с точки зрения паразитных индуктивностей выходная часть схемы не представляет собой проблемы, потому что скорость измения тока ограничивается реальной индуктивностью на выходе.

2. Потом, если в полумосте один транзистор закрыт, а второй транзистор открывается, то очень быстрый импльсный ток течет через оба транзистора! И с этим ничего не поделать. Это не вполне очевидно, но все встает на своим места если рассмотреть паразитные емкости в транзисторах.
Транзистор который был до этого закрыт как-бы представляет собой емкость. Т.е. в сущности происходит подсоединенение конденсатора к шине постоянного тока — можно представить как там колбасит ток.

Вот хорошая картинка из application note от ST:

Opening

Нижний транзистор Q2 открывается, но верхний Q1 при этом работает как емкость (образованная Cgd и Cgs). В результате очень быстрый короткий импульс тока течет через закрытый Q1 ! И что инетересно — через драйвер тоже. Это можно видеть даже на осциллографе и в моделировании, когда напряжение на затворе Q1 подпрыгивает. (При удержании драйвером затвора). Это все действие паразитных емкостей и в особенности Cgs…

Теперь становится очевидно почему ток растет так быстро и зачем нужен снаберный конденсатор в непосредственной близости от трназисторов: при переключении первое откуда извлекается ток — это из снаберного конденсатора.
Фактически, в самые первые мнгновенья переключения ток циркулирует только через транзисторы и через снаберный конденсатор:

Buck__

И схема выше — превращается в колебательный контур, из-за наличия в ней не только конденсатора, но и паразитных индуктивностей. Поэтому в моменты переключения мы имеем затухающие колебания в звене постоянного тока.

Только потом когда все утихнет, транзистор T1 откроется, а емкость T2 разрядется — тогда уже ток потечет в нагрузку и будет циркулировать через открытый транзистор и настоящий источник питания на шине постоянного тока.

3. В отличие от сопротивления, индуктивность не является простым компонентом. Она всегда образуется замкнутой петлей в схеме с круговым движением тока.

С одной стороны, когда ток течет по кругу — всегда возникает индуктивность. И с другой стороны, меняя конфигурацию протекатния тока в замкнутой цепи, можно изменить ее собственную индуктивность. Это очень важный дуализм индуктивности цепи как явления.

Во всех руководствах и учебниках говорится о том, что нужно минимизировать индуктивность цепи (loop inductance) делая площадь сечения контура как можно меньше (ну и провода толще). Т.е. минимизируя длину проводов и прокладывая их близко друг к другу. Как витая пара проводов.

Т.е. вместо такой схемы

Buck

гораздо лучше такая

Buck_

Потому что сечение контура с током и, следовательно, его собственная индуктивность уменьшилась.

4. Когда провода проложены рядом (как на картинке выше) индуктивность уменьшается за счет явления, которое называется взаимная компенсация магнитных полей (магнитного потока) — magnetic flux cancellation.

Т.е. когда через провод течет ток, то возникает магнитное поле вокруг него. Оно сталкивается с точно таким же магнитным полем, но направленным в другую сторону — от провода рядом, через который течет ток в обратную сторону. Если геометрия двух проводников одинакова, то оба поля компенсируют друг друга и получается очень слабое магнитное поле в сумме.

Нетривиально то, что собственная (=паразитная) индуктивность контура при этом уменьшается, потому что индуктивность как свойство цепи обусловлена взаимодействием магнитных полей.

На практике

Как достичь на печатной плате с полумостовым преобразователем условия компенсации магнитных полей.

Еще раз рассмотрим схему полумостового преобразователя. Цветом отмечено три участка протекания тока:

Buck__

Очень удобно использовать внутренние слои печатной платы для силовых цепей. Ниже показано два смежных внутренних слоя. На плате установлено два транзистора T1, T2 и керамический конденсатор между ними С. (Белым цветом подписаны имена дорожек в соответствии со схемой, стрелками в тех же цветах как и на схеме — движение тока).

Flux cancelling

Видно, что есть два участка на плате где ток идет в разном направлении друг над другом (выеделены серыми овалами). Здесь возникают условия компенсации магнитного потока, что значительно уменьшает паразитную индуктивность в цепи.

Это просто пример, возможно есть другие более лучше топологии, но тут явным образом учтена возможность компенсации полей для минимизации паразитной индуктивности.

Т.е. с практической точки зрения:

  • блокирующий конденсатор снаббера должен располагаться как можно ближе к транзисторам — между ними;
  • в многослойной печатной плате необходимо максимизировать площадь соприкосновения магнитных потоков от токов, идущих в разные стороны — для достижения условия flux cancellation.

Возможно кому-то это покажется слишком сложным и не заслуживающим пристального внимания при проектировании платы. Но вот результаты, полученные в двух разных вариантах топологии платы для силовых GaN транзисторов.

Это выходное напряжение (желтым цветом) и напряжение затвора верхнего транзистора T1 (голубым) для варианта печатной платы, в котором не было придано внимания размещению снаберных конденсаторов — они размещены в пределах 10 мм рядом от транзисторов по шине постоянного тока.

NewFile13

Как мы видим не только имеются затухающие колебания, но и также напряжение затвора верхнего транзистора (фиолетовым цветом) имеет просадку почти до нуля после короткого начального импульса. Что сильно увеличивает динамические потери.

На следующей скриншоте те же сигналы, но при топологии платы близкой показанной сверху для демонстрации концепта flux cancellation

NewFile70

Это выходное напряжение (желтым) и сигнал с затвора нижнего транзистора (голубым) — мы видим совершенно чистые переключения. Разница поразительна! Кстати видна иголка на сигнале затвора нижнего транзистора в момент открывания верхнего — это как раз действие паразитных емкостей транзистора, о которых я писал в п.2

Надеюсь такая небольшая заметка хорошо показывает, что в силовой электроникой как и вообще в электронике бывет нужно немного думать и не все получается с первого раза. =)

Advertisements

2 thoughts on “Magnetic flux cancellation: theory and power electronics practice

  1. Статья интересная, полезная! Года 2-3 назад я очень искал статьи на тему снаберов для IGBT. Кое что нашел у Колпакова, который продвигает в России немецкую продукцию IGBT компании semikron. Но у Колпакова обнаружились ошибки, в результате я был несколько разочарован. (Кстати, потом я обнаружил, что во всех статьях Колпакова есть ошибки. Странно! Сам он не разработчик, только рекламщик, поэтому ошибок не видит.) Сейчас у меня уже есть некоторый свой опыт по IGBT, снаберам и шинам. Правда, опыт не такой уж и большой, но вопросы вроде уже не возникают.

  2. Присоединяюсь к мнению Александра. Статья интересная, полезная! Мне сейчас приходится навёрстывать всё упущенное в силовой электронике и, хотя вещи о которых пишет akpc806a почти очевидны, при мощностях десятки кВт топология силовых шин даже в резонансных преобразователях даёт о себе знать, проверено опытом.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s