Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 16) – Determinazione dello snubber per un convertitore forward

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

La figura 1 mostra lo stadio di alimentazione di un convertitore forward, che funziona impiegando un trasformatore per accoppiare la tensione di ingresso al circuito secondario, dove viene raddrizzata e filtrata. Spesso è necessario uno snubber quando D2 deve commutare allo stato di interdizione attraverso un circuito a bassa impedenza formato dalla tensione del primario accoppiata e dall’induttanza di dispersione del trasformatore.

Fig. 1 – L’induttanza di dispersione rallenta la commutazione di D2 allo stato di polarizzazione inversa

D2 potrebbe essere un diodo al silicio p-n con una reverse recovery charge che deve essere eliminata affinché l’interruttore possa aprirsi e che quindi causa una corrente in eccesso nell’induttanza di dispersione. Ne conseguono oscillazioni ad alta frequenza e una tensione in eccesso sul diodo. Una situazione analoga esiste per i diodi Schottky a causa della loro elevata capacità di giunzione, e anche per raddrizzatori sincroni a causa del loro ritardo nel passaggio allo stato di interdizione.

La figura 2 mostra alcune delle forme d’onda del circuito: quella superiore corrisponde alla tensione di drain di Q1, quella centrale alla tensione alla giunzione di D1 e D2 e quella inferiore alla corrente in D1. Nella traccia superiore si può osservare che quando Q1 si chiude, la tensione di drain diventa minore della tensione d’ingresso e questo fa sì che la corrente nel diodo D1 aumenti.

Fig. 2 – D2 causa oscillazioni eccessive quando si apre

Fig. 2 – D2 causa oscillazioni eccessive quando si apre

Queste forme d’onda oscillanti possono essere considerate inaccettabili dato che possono causare problemi di interferenza elettromagnetica o stress di tensione eccessivi sul diodo. Uno snubber RC ai capi di D2 può ridurre in modo sostanziale le oscillazioni, con un impatto minimo sull’efficienza. La frequenza delle oscillazioni è determinabile con la seguente espressione (Equazione 1):

Equazione 1

Ma come determinare i valori di L e C nel circuito? Basta ridurre la frequenza delle oscillazioni aggiungendo una capacità nota ai capi di D2, in modo da ottenere un sistema di due equazioni in due incognite. Il calcolo risulta ancora più semplice se si aggiunge una capacità sufficiente a dimezzare la frequenza delle oscillazioni; a tal fine occorre una capacità totale quadrupla della capacità parassita iniziale. Poi è sufficiente dividere per tre la capacità aggiunta per ottenere la capacità parassita.

Fig. 3 – Raddoppiando la frequenza delle oscillazioni si può calcolare la capacità parassita

La figura 3 mostra di nuovo la forma d’onda con 470 pF ai capi di D2 e frequenza delle oscillazioni pari alla metà di quella originaria; quindi, il circuito ha una capacità parassita di circa 150 pF. Si noti che la semplice aggiunta della capacità non è sufficiente per smorzare l’ampiezza delle oscillazioni; il circuito richiede una certa resistenza. Questo è un altro motivo per cui il fattore 3 per il condensatore è un buon punto di partenza. Scegliendo la resistenza appropriata si ottiene un buon smorzamento con un impatto minimo sull’efficienza. Il valore ottimale della resistenza di smorzamento è quasi uguale all’impedenza caratteristica degli elementi parassiti (Equazione 2):

Equazione 2

Usando l’Equazione 1 con una frequenza delle oscillazioni di 35 MHz e una capacità parassita di 150 pF, l’induttanza di dispersione risulta uguale a 150 nH. Sostituendo questo valore nell’Equazione 2 si calcola un valore di circa 30 ohm per il resistore snubber. La figura 4 mostra l’effetto dell’aggiunta di tale resistore: le oscillazioni sono pressoché eliminate e lo stress di tensione è ridotto da 60 a 40 volt. Ciò consentirebbe di selezionare un diodo con tensione nominale inferiore, con conseguente aumento dell’efficienza. L’ultimo passo di questo procedimento consiste nel calcolare le perdite nel resistore snubber. A tal scopo si usa l’Equazione 3, dove f è la frequenza di funzionamento:

Equazione 3

Una volta calcolata la frequenza, è necessario decidere se le perdite nello snubber sono accettabili per il circuito. Se la risposta è negativa, occorre raggiungere un compromesso tra le queste perdite e le oscillazioni. Per informazioni su come scegliere il resistore di smorzamento ottimale, vedere “Alimentazione: alcuni suggerimenti utili (parte 4)” http://www.ilb2b.it/node/25258, figura 3.

Fig. 4 – La scelta di un resistore snubber appropriato consente di eliminare le oscillazioni

Nel prossimo numero della rubrica continueremo a occuparci degli snubber degli alimentatori.

Bibliografia

Middlebrook, R. D., and Slobodan Cuk, “Advances in Switched-Mode Power Conversion,” Volumes I and II, 2nd Edition, TESLAco, 1983. 533 p. Disponibile da TESLAco, #10 Mauchly, Irvine, CA 92718, telefono (714) 727-1960. (First edition c 1981.)

Per leggere numeri precedenti della rubrica “Suggerimenti sull’alimentazione” di Robert Kollman: www.eo-web.it/webexclusive
Per ulteriori informazioni su questa e altre soluzioni per gli alimentatori, visitare: www.ti.com/power-ca
Per contattare Robert Kollman: [email protected]

Robert Kollman, Texas Instruments

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