Sähköstaattinen suojaus kytkentävirtasovittimille

Yksi hakkuritehosovittimien suunnittelun haastavimmista vaatimuksista on yhteismuotoisen johdetun RFI-virran (Radio Frequency Interference) vähentäminen hyväksyttävälle tasolle. Tämä johtunut kohina johtuu pääasiassa loisstaattisesta sähköstä ja sähkömagneettisesta kytkennästä tehonkytkentäkomponenttien ja maatason välillä. Maataso voi koostua rungosta, kaapista tai maadoitusjohdosta riippuen elektroniikkalaitteen tyypistä.

 

Hakkuritehosovittimien suunnittelijoiden tulee tarkistaa koko layout perusteellisesti, tunnistaa tällaisille ongelmille alttiit alueet ja toteuttaa asianmukaiset suojaustoimenpiteet suunnitteluvaiheessa. Virheellisen RFI-suunnittelun korjaaminen myöhemmissä vaiheissa on usein vaikeaa.

 

Useimmissa sovelluksissa sähköstaattinen suojaus on välttämätön aina, kun suurtaajuiset, korkeajännitteiset kytkentäaaltomuodot voivat kytkeytyä kapasitiivisesti maatasoon tai toisiolähtöön. Tämä on erityisen tärkeää silloin, kun kytkentätehotransistorit ja tasasuuntausdiodit on asennettu jäähdytyslevyihin, jotka koskettavat päärunkoa. Lisäksi magneettikentät ja kapasitiivinen kytkentä voivat aiheuttaa kohinaa komponentteihin tai linjoihin, jotka kuljettavat suuria kytkentäpulssivirtoja. Mahdollisia ongelma-alueita ovat lähtötasasuuntaaja, koteloon asennettu lähtökondensaattori ja kapasitiivinen kytkentä pääkytkinmuuntajan ensiö-, toisio- ja sydämen välillä sekä muut käyttö- tai ohjausmuuntajat.

 

Kun komponentit asennetaan jäähdytyselementteihin, jotka on lämpöliitetty runkoon, ei-toivottua kapasitiivista kytkentää voidaan vähentää asettamalla sähköstaattinen suojus häiritsevän komponentin ja jäähdytyslevyn väliin. Tämä tyypillisesti kuparista valmistettu suojus on eristettävä sekä jäähdytyselementistä että komponentista (esim. transistorista tai diodista). Se estää kapasitiivisesti kytketyt vaihtovirtavirrat, jotka sitten ohjataan sopivaan vertailupisteeseen tulopiirissä. Ensisijaisille komponenteille tämä vertailupiste on tyypillisesti tasavirtasyöttölinjan yhteinen negatiivinen napa kytkinlaitteen lähellä. Toisiokomponenttien vertailupisteenä on yleensä yhteinen liitin, jossa virta palaa muuntajan toisiopuolelle.

 

Ensisijainen kytkentätehotransistori tuottaa korkeajännitteisiä, korkeataajuisia kytkentäpulssiaaltomuotoja. Ilman riittävää suojausta transistorin kotelon ja rungon välillä, niiden välisen kapasitanssin kautta voi liittyä merkittäviä kohinavirtoja. Piiriin sijoitettu kuparisuojus ruiskuttaa jäähdytyselementtiin kapasitanssin kautta merkittävän virran. Jäähdytyselementti puolestaan ​​ylläpitää suhteellisen pientä korkeataajuista vaihtovirtajännitettä suhteessa runkoon tai maatasoon. Suunnittelijoiden tulee tunnistaa samanlaiset ongelma-alueet ja suojata tarvittaessa.

 

Jotta estetään RF-virtojen virtaus ensiö- ja toisiokäämien välillä tai ensisijaisen ja maadoitetun suojavaipan välillä, pääkytkinmuuntajat sisältävät tyypillisesti sähköstaattisen RFI-suojan ainakin ensiökäämissä. Joissakin tapauksissa ensi- ja toisiokäämin väliin saatetaan tarvita ylimääräinen turvasuoja. Sähköstaattiset RFI-suojat eroavat turvasuojista rakenteeltaan, sijainniltaan ja liitännöiltään. Turvallisuusstandardit edellyttävät, että turvasuojus kytketään maatasoon tai runkoon, kun taas RFI-suoja on yleensä kytketty tulo- tai lähtöpiiriin. Ohuista kuparilevyistä valmistetut EMI-suojat ja riviliittimet kuljettavat vain pieniä virtoja. Turvallisuussyistä suojavaipan on kuitenkin kestettävä vähintään kolme kertaa tehosulakkeen nimellisvirta.

 

Offline-kytkintehomuuntajissa RFI-suoja on sijoitettu lähelle ensiö- ja toisiokäämiä, kun taas turvasuoja on RFI-suojavaippojen välissä. Jos toissijaista RFI-suojaa ei tarvita, turvasuojus sijoitetaan ensisijaisen RFI-suojan ja mahdollisten lähtökäämien väliin. Oikean eristyksen varmistamiseksi ensisijainen RFI-suoja on usein DC-eristetty tulovirtajohdosta sarjakondensaattorin kautta, jonka tyypillisesti arvo on 0,01 μF.

 

Toissijaista RFI-suojaa käytetään vain, kun vaaditaan maksimaalista kohinanvaimennusta tai kun lähtöjännite on korkea. Tämä suojus liitetään lähtölinjan yhteiseen liittimeen. Muuntajan suojausta tulee käyttää säästeliäästi, koska se lisää komponenttien korkeutta ja käämien mittoja, mikä johtaa korkeampaan vuotoinduktanssiin ja suorituskyvyn heikkenemiseen.

 

 

Suurtaajuiset suojasilmukkavirrat voivat olla merkittäviä kytkentätransienttien aikana. Jotta estetään kytkeminen toisiopuolelle muuntajan normaalikäytössä, suojavaipan liitäntäpisteen tulee olla sen keskellä, ei sen reunoilla. Tämä järjestely varmistaa, että kapasitiivisesti kytketyt suojasilmukkavirrat kulkevat vastakkaisiin suuntiin suojan kummallakin puoliskolla, mikä eliminoi induktiiviset kytkentävaikutukset. Lisäksi suojuksen päät on eristettävä toisistaan, jotta vältetään suljetun silmukan muodostuminen.

 

Suurjännitelähtöjä varten RFI-suoja voidaan asentaa lähtötasasuuntaajadiodien ja niiden jäähdytyselementtien väliin. Alhaisilla toisiojännitteillä, kuten 12 V tai pienempi, toisiomuuntajan RFI-suojat ja tasasuuntaajan suojukset ovat yleensä tarpeettomia. Tällaisissa tapauksissa lähtösuodattimen kuristimen sijoittaminen piiriin voi eristää diodin jäähdytyselementin RF-jännitteestä, jolloin suojausta ei tarvita. Jos diodin ja transistorin jäähdytyselementit on eristetty kokonaan rungosta (esim. kun ne on asennettu piirilevylle), sähköstaattinen suojaus on usein tarpeetonta.

 

Ferriittisissä flyback-muuntajissa ja suurtaajuisissa induktoreissa on usein merkittäviä ilmarakoja magneettisella tiellä induktanssin säätelemiseksi tai kyllästymisen estämiseksi. Nämä ilmaraot voivat varastoida huomattavan määrän energiaa, jotka säteilevät sähkömagneettisia kenttiä (EMI), ellei niitä ole riittävästi suojattu. Tämä säteily voi häiritä kytkentävirtasovitinta tai lähellä olevia laitteita ja ylittää säteilyn EMI-standardit.

 

Ilmarakojen EMI-säteily on suurinta, kun ulompi ydin on rakotettu tai raot jakautuvat tasaisesti napojen välillä. Ilmaraon keskittäminen keskinapaan voi vähentää säteilyä 6 dB tai enemmän. Lisävähennys on mahdollista täysin suljetulla kattilaytimellä, joka keskittää raon keskinapaan, vaikka potin ytimiä käytetään harvoin offline-sovelluksissa korkeampien jännitteiden virumisetäisyysvaatimusten vuoksi.

 

Jos ytimissä on aukkoja kehänapojen ympärillä, muuntajaa ympäröivä kuparisuoja voi merkittävästi vaimentaa säteilyä. Tämän suojuksen tulee muodostaa suljettu silmukka muuntajan ympärille ilmaraon keskellä ja olla noin 30 % käämin leveydestä. Tehokkuuden maksimoimiseksi kuparin paksuuden tulee olla vähintään 0,01 tuumaa.

 

Vaikka suojaus on tehokasta, se aiheuttaa pyörrevirtahäviöitä, mikä vähentää yleistä tehokkuutta. Ohjausilmarakojen osalta suojahäviöt voivat olla 1 % laitteen nimellislähtötehosta. Keskimmäiset napavälit sitä vastoin aiheuttavat minimaaliset suojahäviöt, mutta heikentävät silti tehokkuutta lisääntyneiden käämihäviöiden vuoksi. Suojausta tulee siksi käyttää vain tarvittaessa. Monissa tapauksissa virtalähteen tai laitteen sulkeminen metallikoteloon riittää täyttämään EMI-standardit. Videonäyttöpäätelaitteissa tarvitaan kuitenkin usein muuntajan suojausta, jotta estetään sähkömagneettiset häiriöt CRT-elektronisäteen kanssa.

 

Kuparisuojassa syntyvä lisälämpö voidaan haihduttaa jäähdytyselementin kautta tai ohjata uudelleen runkoon toiminnan vakauden ylläpitämiseksi.