Tổng quan về mạch Snubber
Giới thiệu:
Mạch Snubber là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị điện tử dành cho các bộ chuyển mạch mục đích bảo vệ các thiết bị bán dẫn bằng cách:
- Giới hạn điên áp thiết bị trong quá trình bật tắt máy
- Giới hạn dòng điện trong quá trình bật tắt
- Hạn chế tốc độ tăng (di/dt) của dòng điện đi qua thiết bị khi bật on
- Hạn chế tốc độ tăng (dv/dt) của điện áp trên thiết bị bán dẫn khi tắt
Tài liệu về mạch snubber có rất nhiều tuy nhiên có vẻ xem như manh mún, chưa hệ thống được tổng quát snubber được ứng dụng cho những tình huống nào. Bài viết này cố gắng tổng hợp ứng dụng snubber cho khối riêng biêt, có phân tích khá kỹ để ngời đọc hiểu rõ hơn về nó.
Phần I – Surger Voltage
Phần này chúng ta tìm hiểu về hiện tượng tăng điện áp đột biến và đổ chuông trong hoạt động của thiết bị đóng cắt điện mà không có mạch snubber can thiệp.
Chúng ta hãy bắt đầu từ Cuộn cảm.
Cuộn cảm ứng có đặc tính là một nguồn điện có sức điện động tỷ lệ thuận với giá trị Henry của nó và tốc độ dòng điện biến thiên tác động lên nó. Để ý rằng tốc độ biến thiên di/dt có mối liên hệ với tần số, nhưng nó còn phụ thuộc vào tốc độ tăng và giảm của biên độ tín hiệu, điều này được minh họa trong hình 3.
Khi cho một dòng điện đi vào cuộn cảm, dòng điện sẽ tăng nhanh theo đồ thị một dốc đứng và tốc độ tăng sẽ giảm dần cho đến khi đạt cường độ dòng điện tối đa mà mạch có khả năng cung cấp thì nó sẽ là một đồ thị bằng phẳng theo phương ngang. Lúc này, cuộn cảm đã tích lũy đủ năng lượng.
Ở một phương diện khác, khi cho dòng điện đi vào cuộn cảm, nó sẽ sinh ra một từ thông chống lại dòng điện qua nó, chiều từ thông được biết đến theo quy tắc bàn tay phải. Khi ngắt dòng điện đi qua nó, cuộn cảm cũng sinh ra ra từ thông ngược hướng với từ trường vào ban đầu, nó cũng tăng với độ dốc gần thẳng trong thời gian đầu và giảm dần, đây chính là nguyên nhân gây ra sự tăng đột biến điện áp trong một khoảng thời gian ngắn.
Lý thuyết lòng vòng đôi khi khó hiểu, tôi sẽ làm các mô hình mô phỏng thông qua phần mềm mô phỏng nổi tiếng có tên NI Multisim để các bạn dễ hình dung.
Về các thiết bị đóng cắt điện:
Chúng sẽ bao gồm các thiết bị cơ khí như CB, Relay cơ khí, Aptomat và các thiết bị đóng cắt điện tử như SCR, Relay điện tử, Mosfet, IGBT.
Điều gì sẽ có thể xảy ra với sự tăng điện áp đột biến (Surge Voltage – điện áp thoáng qua)
Dân điện tử đôi khi sẽ dung oscilloscope để đo ‘’nhịp tim’’ output của mạch inverter, có nghĩa nơi mà khối đóng cắt bán dẫn công suất đang hoạt động, có thể sẽ bắt gặp điện áp thoáng tăng vọt và đổ chuông (hình 1) thì có nghĩa mạch điện đang bị sự cố nghiêm trọng. Tác hại thế nào, có nhiều, và tôi tập trung vào 3 nhóm nguy cơ chính
- Gây nguy hiểm cho thiết bị đóng cắt. Điện áp thoáng tăng vọt có khả năng vượt quá ngưỡng cho phép đối với các linh kiện của khối, đặc biệt với IGBT, mosfet có giá trị cao thì thiệt hại sẽ lớn. Với các SCR, nó có thể được kích dẫn với các điện áp thoáng rất cao này, gây dẫn điện ngoài mong muốn, và cũng có thể phá hỏng nó. Hình 1, một nguồn DC3V sinh ra một điện áp thoáng trên 100V.
- Hiện tượng đổ chuông gây nhiễu bẩn nguồn điện. Trong khi chúng ta được biết thiết bị điện tử cần một nguồn DC thuần khiết cho hoạt động ổn định và an toàn.
- Sinh ra nhiễm điện từ (EMI) ảnh hưởng đến không chỉ bản thân thiết bị mà đến với cả môi trường hệ sinh thái điện xung quanh.
Hình 1. Mạch điện không chứa snubber
Hình ảnh dạng sóng cho chúng ta thấy điện áp thoáng qua tăng đột biến rất cao, sau đó là hiện tượng đổ chuông. Màu đỏ là tín hiệu in, màu xanh là tín hiệu out
Nguyên nhân gây ra hiện tượng này, là do mạch LC bên trong linh kiện bán dẫn scr, mosfet, igbt khi turn-off xảy ra quá trình cộng hưởng điện, sự phóng nạp tụ, cuộn cảm (cuộn cảm khi tích điện áp, nó tạo thành một nguồn điện có sức điện động tỉ lệ thuận cảm kháng và tốc độ biến thiên dòng điện) đến cực cổng gây ra hiện tượng tự kích.
Để khắc phục, các mạch snubber được áp dụng để giảm quá áp, giảm dv/dt. Một Snubber tốt giúp loại bỏ hoàn toàn sự đổ chuông và EMI.
Mạch thường gặp sẽ là RC (hình 2) và bằng cách chèn thêm một diode sẽ cải thiện thêm loại bỏ EMI tại cạnh resin (hình 3-RCD snubber).
Hình 2. Mạch RC snubber
Hình 3. Mạch RCD snubber
Giải thích cơ chế tăng điện áp thoáng qua Colector-Emiter và đổ chuông xảy ra trong mạch nửa cầu tải thuần
Hình 4. Dạng sóng ngõ ra cấu trúc liên kết nửa cầu, không có mạch giảm sốc
Với một đồng hồ chuyên dụng đo RLC, chúng ta có thể biết được giá trị các thành phần R, L, C trong bản thân linh kiện bán dẫn Mosfet, IGBT ...v.v.
Vì sao lại có điều này, câu trả lời là điện trở, dĩ nhiên là thuộc tính của vật dẫn, còn C, L
C- Capacitor: bất cứ các vật dẫn điện nào đặt gần nhau cũng có hiệu ứng Faraday, hiển nhiên
L- Inductor: bất cứ vật dẫn nào cũng có điện cảm, dĩ nhiên
Và trong chất bán dẫn, nội tại các tiếp giáp bán dẫn N-P cũng có C, L, và các mối nối ra chân cũng có C, L. Chúng có thuật ngữ là điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh.
Và tính chất của mạch RLC là mạch cộng hưởng tại một tần số riêng. Và hãy đừng nghĩ rằng, với một tần số điều khiển thiết kế sẵn, chắc gì bán dẫn chuyển mạch sẽ bị cộng hưởng. Trong lý thuyết snubber, các soạn giả thường nhắc đến hiện tượng Resonal trong thiết bị đóng cắt điện tử. Hình 5 tôi làm mô hình đề cập đến mạch cộng hưởng.
Hình 4 cho thấy hiện tượng đổ chuông trong cấu trúc không có mạch Snubbe trên từng khóa kênh cao và kênh thấp, vai trò của tụ CDC link ít có đóng góp vào snubber. Cuối mỗi chu kỳ dao động, chúng ta thấy một điện áp âm tăng vọt trong thời gian vài nano giây. Để minh họa hiện tượng đổ chuông và tăng điện áp đột biến trên các chu kỳ quá độ dòng điện, chúng ta khảo sát mô hình di chuyển của các electron trong mô hình mạch resonal trong hình 5
Hình 5. Mô hình mạch cộng hưởng LC
Khi bật IGBT, dòng điện sẽ lưu trữ năng lượng trong điện cảm đi lạc của dây trên bố cục PCB. Năng lượng được lưu trữ cộng hưởng với điện dung và điện cảm ký sinh của IGBT và điều đó tạo ra dòng điện tăng đột biến.
Khi tắt CH-L, IMAIN chạy qua vòng lặp bằng LMAIN , Cdc_link và điện dung ký sinh của CH-H và CH-L, như được hiển thị bằng đường chấm chấm. Trong đó Cdc_link là tụ điện số lượng lớn được đặt song song với đầu vào DC Buss-PGND. Trong quá trình tắt CH-L, điện áp tăng đột biến xảy ra trong Emiter của CH-L do hiện tượng cộng hưởng giữa LMAIN và điện dung ký sinh của IGBT .
Trên đây chỉ là một ứng dụng nhỏ của Snubber, một mạch vô cùng quan trọng có mặt dày đặc trong thiết bị điện, điện tử, nó được ứng dụng trong rất nhiều lãnh vực truyền tải, biến đổi điện năng như trạm điện lưới, thiết bị điện tử đến các thành phần rời rạc như Relay, Thyristor, Mosfet, IGBT, Transfomer ...v.v. Tôi dành cả 2 tiết học để giảng cho học viên về snubber mà không hết các vấn đề.
Giả sử bạn gỡ mạch snubber của Thyristor, nó sẽ tự kích dẫn không mong muốn ngay cả khi không có tín hiệu điều khiển vào gate bởi Thyristor có thể được kích dẫn bằng tốc độ biến thiên điện áp ở mức cao.
Nguyen Dinh Son - CEO Sao Nam Tronics
