Паразитная индуктивность. Как её определить?

Блог им. webkirov

Большое количество источников питания работают в режиме жесткого переключения. То есть, в некой схеме, некий транзистор открыт, через него в нагрузку спокойно течет некий ток и все очень довольны. Однако внезапно :-) транзистор получает команду немедленно разорвать цепь и очень быстро делает это.

Ток перестает течь, и все бы хорошо, но в цепи, где протекал ток, засела паразитная индуктивность, созданная проводниками. Эта индуктивность крайне возмущается такому быстрому прерыванию тока. За что немедля «мстит» :-) транзистору путем повышения амплитуды напряжения, приложенного к выводам сток-исток — то есть возникает выброс. А выброс сопровождается ещё и колебательным процессом.

Вот эти выбросы на картинке:Выброс

Кто виновать — понятно. Что делать?
Нужно ставить супрессор или рассчитывать схему клампера, то есть нужен ограничитель перенапряжений. А чтобы рассчитать подобную схему, нужно знать значение паразитной индуктивности, которая создает всё это безобразие.

И что, и как её узнать? На проводах не написана их индуктивность в Генри! Значит будем определять опытным путем. Самое главное, что думать уже не надо, ибо вредно, ведь за нас уже всё придумали, и описали способ определения в документе AN11160 Designing RC snubbers.

Идея заключается в том, что зная частоту колебательного процесса (звона), созданного паразитной индуктивностью и емкостью сток-исток, мы можем определить значение паразитной индуктивности.


Node1 — это то место, где мы измеряем выброс.
Формула нам в помощь:
, где
— значение паразитной индуктивности;
— значение паразистной емкости = емкость сток-исток.

Казалось бы просто: посмотри в даташите эту емкость, измерь частоту звона осциллографом и узнаешь искомую индуктивность, однако есть небольшая проблемка: величина емкости сток-исток указана в даташите для определенного напряжения. У нас же напряжение может быть совсем другим, поэтому емкость, взятая из даташита, не будет соответствовать реальному значению.
Осталось одно — прочитать application note AN11160 Designing RC snubbers подключить на выводы сток-исток конденсатор с известной емкостью. Назовем эту емкость Cadd. Однако перед тем как подключать Cadd измерим частоту колебательного процесса без этой емкости, и обозначим эту частоту как Fring0.

Теперь же, если продолжить дальше бухтеть о теории, топик превратится в заумную муть непонятно о чём :-), посему дальше все теоретические измышления будут проверены на практике — на макете простейшей схемы.

Дабы лучше разглядеть эффект от паразитной индуктивность, а главное, знать её точное значение, поставим в цепь питания дроссель 50мкГн. Он и будет являться нашей паразитной индуктивностью, значение которой мы должны вычислить. То есть, если результат расчета будет близок к значению 50мкГн, то методика определения паразитной индуктивности верна.


В упрощенном виде:


В железе:


Тык осциллографом на сток:


Не слАбо! Дабы удостовериться, что весь это ужас от паразитной индуктивности, я замыкаю накоротко искуственно введенный дроссель 50мкГн, и вижу такую милую сердцу картину:


Теперь этот чумовой звон надо разглядеть поближе, и заодно измерить его частоту (Fring0):

Fring0=838kHz

Ребята из NXP (это я про тот самый документ AN11160 Designing RC snubbers) предлагают подключить конденсатор на выводы сток-исток. Делаю. Конденсатор 1nF:


На схеме:


Глядим на осциллограмму:

Звон стал попроще и его частота стала Fring1=554kHz

Теперь, недолго думая, находим отношение Fring0 к Fring1



Далее найдем паразитную емкость сток-исток транзистора:



Cadd — это тот самый подключенный конденсатор на 1nF.

Ну и завершающий аккорд. Искомое значение паразитной индуктивности:


46,2мкГн — весьма близко к искомым 50мкГн. Если измерить частоту звона более точно, то значение будет ещё ближе к номиналу.

Спасибо за внимание!

13 комментариев

avatar
Спасибо, интересная статья :) Прочитал с удовольствием.

p.s. Немного нытья по поводу картинок схем. Лучше сохранять в формате png, он не так «смазывает» линии как jpg.
avatar
Полученная индуктивность, на сколько я понял, используется для расчета снаббера?
avatar
Да. В большинстве расчетов снаббера нужно знать значение паразитной индуктивности. А как её узнать мало кто пишет. Пишут как её расчитать на основе неких габаритных параметров дорожек или трансформатора (если речь идет о паразитной индуктивности рассеяния), но в в таких расчетах тьма-тьмущая всяких геометрических параметров, которые и не так просто определить.
avatar
Вопросы: звенит именно паразитная индуктивность? Или это обычная самоиндукция в индуктивности первички?
И в чём всё-таки преимущество RCD снаббера перед обычным TVS-диодом например?
avatar
Ответы: если речь идет о Flyback-трансформаторе, то звенит именно паразитная индуктивность рассеяния первички.
ЭДС самоиндукции индуктивности первички как бы переходит во вторичку, где прямосмещенный диод (то есть диод открыт) пропускает в нагрузку эту энергию самоиндукции. Точнее сказать часть энергии уходит в нагрузку, а часть в выходной конденсатор.
Вот картинка для пояснения:

Взята она из Design Guide for QR Flyback Converter. там же и пояснение к ней.

Преимущество RCD в том, что конденсатор в цепочке RCD пожирает выброс непеша, то есть напряжение на конденсаторе изменяется медленно-неспешно(относительно). А вот TVS-диод пожирает выброс очень быстро, то есть открывается мгновенно, напряжение на нем падает тоже быстро. От такой быстроты могут возникнуть электромагнитные помехи, а это не гуд.

Некоторые ссылки по теме:
Перевод статьи из журнала Power Systems Design Europe (September 2010), стр 37
А также расчёт снаббера от PowerIntegrations
avatar
Спасибо. А можете привести определение индуктивности рассеяния? У меня нагуглить не получается. А по поводу флайбека — обратный ход трансформатора выдаёт энергию не только во вторички. Первичка — тоже обмотка, на ней возникает эдс, пусть и другой полярности. В прямоходе так вообще — всё, что не ушло в нагрузку, вернётся самоиндукцией.
avatar
паразитна индуктивность рассеяния — это индуктивность, магнитный поток которой замыкается не через сердечник, а через воздух, по кратчайшему пути. Магнитный поток рассеивается в воздух, вместо того, чтобы пойти в сердечник. Если это трансформатор (не флайбек), то поток от этой индуктивности не идет на полезное дело — на создание ЭДС во вторичке, а идет на создание своей собвственной паразитной ЭДС. Её можно представить как дроссель, подключенный последовательно с индуктивностью намагничивания трансформатора.
А по поводу флайбека — обратный ход вызывает ЭДС не только на вторичке, но и на первичке, НО вторичка то замкнута на нагрузку. Во вторичке начинает течь ток, который создает магнитный поток в седечнике, а этот поток создает вторую ЭДС, которая направлена противоположно ЭДС-самоиндукции. И эта вторая ЭДС задавливает нашу ЭДС-самоиндукции. Если бы вторичка была разомкнута, тогда да, и на вторичке и на превичке возникла бы высокая ЭДС-самоиндукции, плюс еще паразитная ЭДС рассеяния и был бы очень большой выброс. А так как вторичка замкнута, то на первичке возникает только отраженное напряжение, которое равно U1=U2*n (напряжение вторички умножить на коэф. трансформации).

В прямоходе, на первом такте вторичка замкнута на нагрузку, а на втором такте вторичка разомкнута, и первичка разомкнута, обе обмотки повисают в воздухе и возникаеть большая ЭДС-самоиндукции.
avatar
good job.
поправь первый тег :)
avatar
С некоторыми допущениями можно использовать данный метод и для измерения паразитной индуктивности проводников в цифровых схемах. Только вот ёмкость придётся выбирать существенно меньше и осцил более чувствительный.
avatar
Насколько я понял, есть две методики расчёта снабера:

1) уменьшение колебаний путём уменьшения скорости изменения тока. Расчёт такого снабера приведён здесь:
www.daycounter.com/Calculators/Snubbers/Snubber-Design-Calculator.phtml
RC цепочка при этом просто уменьшает скорость нарастания напряжения на Drain при выключении транзистора.

2) уменьшение колебаний путём превращения LC контура, образованного паразитными ёмкостью и индуктивностью, в RLC контур, параметр R которого подбирается так, чтобы получить контур с быстро затухающими колебаниями. Снабер при этом выступает в роли элемента R. Но просто резистор поставить нельзя, поэтому включают последовательно конденсатор, чтобы R подключался только в момент гашения выбросов.
Эта методика описана вами.

Преимущество 2) состоит в том, что такой вариант позволяет высчитать номиналы с минимальными потерями мощности на резисторе снабера.

Правильно?
avatar
Правильно. R уменьшает добротность контура. Делает паразитный конденсатор как бы хуже — увеличивает утечку. Это создает дополнительные потери в контуре и колебания быстрей затухают. Но просто резистор поставить нельзя, поэтому ставят последовательно с резистором конденсатор, значение которого выбирают так, чтобы закоротить звон.
avatar
Хм, напряжение на стоке- выпрямленные 110В.
Автор, признавайся, из какой страны.
: )
avatar
Блин, извиняюсь.
Посмотрел внимательней- там 10 В/дел, а не 100.
Стыдно.
:D
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.