Защита по току на полевом транзисторе

Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора

Защита по току на полевом транзисторе

Заказать этот номер

2008№8

В этой статье мы возвращаемся к основам разработки преобразователя напряжения — как включить и как выключить мощный полевой транзистор (ПТ) в современном источнике питания с DC/DC преобразователем напряжения.

Непосредственное управление от контроллера ШИМ

В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ

Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.

Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость.

Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, — плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех из–за быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ.

В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.

Лучшее решение — ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой — для управления временем выключения.

(Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.

) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.

Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ

В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм.

Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое.

Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.

Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами.

При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены.

Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений.

Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности).

Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов.

На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Однако недостаток отрицательного смещения — это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера.

Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих.

Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б.

Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ.

Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи — это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами.

Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста.

Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора.

Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности.

Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

Схема управления затвором — критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений.

Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Литература

Скачать статью в формате PDF  

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Защита от переполюсовки и КЗ зарядного устройства, блока питания своими руками

Защита по току на полевом транзисторе

  • 1 Вариант 1
  • 2 Вариант 2
  • 3 Вариант 3
  • 4 Итог

Многие самодельные блоки имеют такой недостаток, как отсутствие защиты от переполюсовки питания. Даже опытный человек может по невнимательности перепутать полярность питания. И есть большая вероятность что после этого зарядное устройство придет в негодность.

В этой статье будет рассмотрено 3 варианта защит от переполюсовки, которые работают безотказно и не требуют никакой наладки.

Вариант 1

Это защита наиболее простая и отличается от аналогичных тем, что в ней не используются никакие транзисторы или микросхемы. Реле, диодная развязка – вот и все ее компоненты.

Работает схема следующим образом. Минус в схеме общий, поэтому будет рассмотрена плюсовая цепь.

Если на вход не подключен аккумулятор, то реле находится в разомкнутом состоянии. При подключении аккумулятора плюс поступает через диод VD2 на обмотку реле, вследствие чего контакт реле замыкается, и основной ток заряда протекает на аккумулятор.

Одновременно загорается зеленый светодиодный индикатор, свидетельствуя о том, что подключение правильное.

И если теперь убрать аккумулятор, то на выходе схемы будет напряжение, поскольку ток от зарядного устройства будет продолжать поступать через диод VD2 на обмотку реле.

Если перепутать полярность подключения, то диод VD2 окажется заперт и на обмотку реле не поступит питание. Реле не сработает.

В этом случае загорится красный светодиод, который нарочно подключен неправильным образом. Он будет свидетельствовать о том, что нарушена полярность подключения аккумулятора.

Диод VD1 защищает цепь от самоиндукции, которая возникает при отключении реле.

В случае внедрения такой защиты в зарядное устройство автомобильного аккумулятора, стоит взять реле на 12 В. Допустимый ток реле зависит только от мощности зарядника. В среднем стоит использовать реле на 15-20 А.

Вариант 2

Эта схема до сих пор не имеет аналогов по многим параметрам. Она одновременно защищает и от переполюсовки питания, и от короткого замыкания.

Принцип работы этой схемы следующий. При нормальном режиме работы плюс от источника питания через светодиод и резистор R9 открывает полевой транзистор, и минус через открытый переход «полевика» поступает на выход схемы к аккумулятору.

При переполюсовке или коротком замыкании ток в цепи резко возрастает, вследствие чего образуется падение напряжения на «полевике» и на шунте.

Такое падение напряжение достаточно для срабатывания маломощного транзистора VT2. Открываясь, последний запирает полевой транзистор, замыкая затвор с массой.

Одновременно загорается светодиод, поскольку питание для него обеспечивается открытым переходом транзистора VT2.

Из-за высокой скорости реагирования эта схема гарантированно защитит зарядное устройство при любой проблеме на выходе.

Схема очень надежна в работе и способна оставаться в состоянии защиты бесконечно долгое время.

Вариант 3

Это особо простая схема, которую даже схемой трудно назвать, поскольку в ней использовано всего 2 компонента. Это мощный диод и предохранитель. Этот вариант вполне жизнеспособен и даже применяется в промышленных масштабах.

Питание с зарядного устройства через предохранитель поступает на аккумулятор. Предохранитель подбирается исходя из максимального тока зарядки. Например, если ток 10 А, то предохранитель нужен на 12-15 А.

Диод подключен параллельно и закрыт при нормальной работе. Но если перепутать полярность, диод откроется и случится короткое замыкание.

А предохранитель – это слабое звено в этой схеме, который сгорит в тот же миг. Его после этого придется менять.

Диод следует подбирать по даташиту исходя из того, что его максимальный кратковременный ток был в несколько раз больше тока сгорания предохранителя.

Такая схема не обеспечивает стопроцентную защиту, поскольку бывали случаи, когда зарядное устройство сгорало быстрее предохранителя.

Итог

С точки зрения КПД, первая схема лучше других. Но с точки зрения универсальности и скорости реагирования, лучший вариант – это схема 2. Ну а третий вариант часто применяется в промышленных масштабах. Такой вариант защиты можно увидеть, к примеру, на любой автомагнитоле.

Все схемы, кроме последней, имеют функцию самовосстановления, то есть работа восстановится, как только будет убрано короткое замыкание или изменится полярность подключения аккумулятора.

 Эдуард Орлов –  

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ.

Защита силового транзистора Часть 2. Перегрев

Защита по току на полевом транзисторе

О перенапряжении было сказано, теперь настал черед перегрева. А более никаких причин выхода из строя IGBT и MOSFET не бывает. При этом перегрев является общим понятием. Можно выделить три причины, его вызывающие:

  • внешние факторы (например, перегрев в отсеке, ослабление винтов, крепящих модуль к радиатору, и т. д.);
  • длительная перегрузка по среднему току;
  • кратковременная сильная токовая перегрузка (КЗ в нагрузке).

Безусловно, нельзя провести какую-либо четкую границу между кратковременной и длительной перегрузками, а также между током КЗ и, к примеру, средним током, в пять (всего лишь) раз превышающим предельно допустимый средний ток для данного транзистора, но, тем не менее, это причины разные и защищаться от них следует также по-разному.

Защита от внешних факторов

Собственно перегрев, вызванный внешними факторами, — довольно частое явление, и способ борьбы с ним всегда один: температурная защита, основанная на показаниях датчика температуры. Вопросы здесь в том, где надо поставить датчик и на какую температуру настроить срабатывание защиты.

Оптимальным считается вариант установки датчика температуры непосредственно около кристалла или корпуса транзистора, желательно на общем керамическом основании. Но в покупных силовых модулях, разумеется, установить датчик таким образом не получится. Самая ближайшая доступная точка — радиатор модуля или силовые шины.

При этом на токах в сотни ампер и выше самой греющейся точкой, как правило, являются выводы силовых шин, но здесь температура очень сильно зависит от качества соединения силовой шины модуля с внешней силовой шиной, а потому такое крепление получается недопустимо «плавающим».

Если же датчик не получается поставить даже на радиатор, то его надо прикрепить хотя бы на охладителе, в непосредственной близости к модулю и желательно не на пути воздушных потоков.

Также, по возможности, датчик следует припаивать или хотя бы прикручивать, так как крепление через теплопроводную пасту или клей резко снижает эффективность и, главное, быстродействие защиты.

Основная проблема с температурной защитой в том, что она очень инерционна; тепловые сопротивления всех переходов могут привести к выходу транзистора из строя даже при очень медленном нагреве; датчик попросту не нагреется настолько, чтобы защита сработала.

А потому, по возможности, температуру срабатывания защиты следует настраивать ниже максимальной.

Если собственную защиту модулей (встроенный терморезистор) рекомендуется включать при +100 °С, то при установке датчика на радиаторе ее надо понизить на 10 °С; если датчик будет располагаться около модуля на охладителе — еще на 10–15 °С, а если вдали от модуля, то еще на 5–10 °С. Как показывает практика, предельная рабочая температура на кристалле возникает приблизительно при температуре охладителя порядка +70, реже — +80 °С (для модулей с низким тепловым сопротивлением).

Но мало отключить модуль при перегреве, его надо еще и включить при снижении температуры до приемлемого значения. В величине этого гистерезиса нередко кроется причина выходов из строя.

Например, если рабочая температура радиатора +70 °С, кристалла — +100 °С и охладитель разогрелся до +80 °С, а температура на кристалле при этом стала +140 °С, срабатывает защита, и модуль вместе с охладителем начинают остывать.

Ввиду наличия существенного теплового сопротивления охладитель остывает быстрее модуля, поэтому при достижении температуры охладителем +70 °С (когда температурная защита отключится и вновь запустит модуль) температура кристалла не снизилась до +100 °С, как ранее, а стала, например, +110 °С.

Далее опять нагрев (теперь уже из-за инерционности при срабатывании защиты), температура кристалла становится равной +150 °С, снова остывание, но уже до +120 °С, опять нагрев и т. д., вплоть до момента выхода из строя. Таким образом, ступенчато транзистор разогревается все больше и больше, пока не сгорит.

И такие случаи встречались. Бороться с этим явлением можно увеличением гистерезиса: чем дальше датчик температуры от кристалла транзистора, тем больший гистерезис должен быть у защиты.

Производители модулей со встроенным термодатчиком могут позволить себе гистерезис в 10 °С, инерционность позволяет, но если датчик внешний, а тем более стоит на некотором удалении от модуля, то гистерезис должен составлять никак не менее 30 °С, чтобы система успела прийти к начальному тепловому равновесию перед следующим циклом. Эта небольшая настройка может существенно помочь при возникновении постоянного перегрева силового транзистора.

Защита от перегрузки по среднему току

Перегрузка по среднему току, в общем-то, даже и не аварийная ситуация, а вполне штатный, пусть и относительно кратковременный, режим работы силового ключа. Такая перегрузка может возникнуть, например, при запуске двигателя, при накачке выходной емкости преобразователя, при запуске ламп, обогревателей и т. д.

Но то, что данный режим встречается довольно часто, требует особенно тщательного подхода к защите по среднему току.

В простейшем случае в качестве токовой защиты может быть использована та же термозащита, но это если только нагрузка транзистора очень инерционна; задержка срабатывания термозащиты может исчисляться минутами или, в лучшем случае, десятками секунд, а это, в подавляющем большинстве применений, недопустимо долго.

Защита по среднему току — это всегда модуляция начального сигнала управления.

Она может быть осуществлена самой схемой управления, например путем увеличения скважности; сигнал, задаваемый внешней схемой управления, может быть промодулирован сигналом с заданной частотой и меняющейся скважностью (так ограничивается ток в схемах, где сравнивается сигнал усилителя тока с пилообразным напряжением генератора) или произвольным ШИМ-сигналом, если защита реализована на обратной связи. Характеристики ограничения тоже могут быть различными: снижение тока относительно допустимого, ограничение на уровне допустимого и т. п. Но суть от этого не меняется: это всегда ШИМ с целью снизить протекающий через ключ ток относительно текущей потребности нагрузки. К ШИМ, в свою очередь, предъявляется только одно требование: его несущая частота ни в коем случае не должна превышать максимальной частоты коммутации для данного транзистора. И даже более того, она должна быть относительно низкой.

Смысл снижения несущей частоты состоит в снижении динамических потерь: ведь, в конце концов, задача состоит в недопущении перегрева, а если частота включения/выключения будет недопустимо большой, то транзистор на динамических потерях может разогреться больше, чем на статических.

Но тут есть оборотная сторона медали: чтобы ограничить ток на установленном уровне, а не просто «завалить» его, при снижении частоты необходимо увеличивать задержку срабатывания защиты, а это чревато выходом из строя.

В свое время было проведено множество экспериментов (в них пострадал не один десяток транзисторов), результатом которых стал подбор наиболее приемлемых частот и задержек: при полуторакратном увеличении тока, потребляемого нагрузкой, задержка срабатывания защиты должна составлять 100+50 мкс (в пределе 30–300 мкс), а несущая частота должна быть 1–10 кГц.

И еще один момент. Зачастую разработчик, во избежание установки дополнительных элементов схемы, измеряет средний ток не по показаниям шунта, измерительного трансформатора или иного токового датчика, а по падению напряжения на транзисторе.

Такой способ если и имеет право на существование, то только для MOSFET, поскольку полевые транзисторы имеют более или менее линейную зависимость падения напряжения на переходе сток-исток от тока стока.

Причем и в этом случае данный способ слишком приблизительный, тем более если учитывать изменение температуры.

А уж для IGBT он и вовсе неприемлем, так как здесь более или менее внятно читаемая зависимость практически отсутствует, а на температуре разброс измеренного значения станет совсем неприличным. Для определения среднего тока лучше все-таки использовать средства измерения, для того и предназначенные.

Защита от КЗ в нагрузке

Один из самых опасных режимов работы силового транзистора — короткое замыкание в нагрузке.

При этом под КЗ подразумевается не только ситуация, когда возникает чисто механическое замыкание, но и, в общем-то, штатные режимы, такие как запуск двигателя (пусковой ток, ограниченный только активным сопротивлением обмоток) или даже его реверс, если он осуществляется противовключением, накачка емкости (также в начальный момент активное сопротивление пренебрежимо мало), подключение различного рода нагревательных элементов и т. д., и т. п. Такой режим работы всегда характеризуется выходом транзистора из состояния насыщения; все напряжение питания или его существенная часть падает на переходе коллектор-эмиттер.

К счастью, современные транзисторы, пусть и кратковременно, не дольше 10–20 мкс, но устойчивы к КЗ, а значит, у схемы защиты есть время «понять», что возникла перегрузка, и безопасно выключить управляемый транзистор.

Гораздо опасней даже не само КЗ, а выключение транзистора в режиме КЗ, поскольку при этом обратный индуктивный выброс может быть такой мощности, что никакие штатные схемы защиты от перенапряжения не справятся. Выход здесь только один: плавное («мягкое») аварийное выключение, и плох тот драйвер, у которого нет такой функции.

Плавное выключение должно быть обязательно, его длительность должна выбираться таким образом, чтобы в сумме задержка срабатывания защиты по ненасыщению и длительность управляющего сигнала выключения до уровня 0 В составляли не более 10 мкс; совсем в крайнем случае и только при острой необходимости — до 15 мкс, но никак не больше.

При этом длительность заднего фронта (опять же, до уровня 0 В) должна составлять 2–10 мкс, а оптимально 3–7 мкс, и чем больше индуктивность нагрузки, тем, разумеется, должно быть дольше выключение.

Далее возникает ряд вопросов: при каком падении напряжения коллектор-эмиттер следует выключать транзистор, через какое время его можно перезапустить и сколько времени разрешать ему работать в режиме КЗ. Ответ на последний вопрос вытекает из предыдущего абзаца: задержка срабатывания защиты по ненасыщению должна составлять 1–10 мкс, при этом чем мощнее транзистор, тем больше может быть это время.

К длительности задержки срабатывания защиты, казалось бы, привязано напряжение срабатывания той же защиты: чем меньше напряжение выключения, тем дольше можно разрешать работу транзистора. Но это очень вредное заблуждение.

Если возникает КЗ или ситуация, на то похожая, то на транзисторе упадет напряжение как минимум в десятки вольт, а то и сотни; здесь не имеет значения, настроена ли защита на 3 или на 10 В, транзистор все равно нужно как можно быстрее выключить.

Исключение составляет разве что такое использование защиты по ненасыщению (к слову сказать, равно как и сигнала с шунта или иного датчика тока), когда отслеживается относительно небольшое увеличение падения напряжения, например при определении перекоса при работе транзисторов в двухтактной схеме раскачки трансформатора; здесь можно увеличить задержку, но все равно остается риск, что так можно «прошляпить» КЗ. По этому поводу примечательны настройки защиты для высоковольтных транзисторов: здесь напряжение срабатывания защиты составляет десятки, а то и сотни вольт (во избежание ложных срабатываний при включении транзистора, когда в совершенно обычном режиме работы на транзисторе в течение нескольких микросекунд могут падать многие десятки вольт), но задержки срабатывания так и остаются на уровне нескольких микросекунд. Показательно.

По поводу периода перезапуска следует сказать, что он напрямую зависит от рассеиваемой транзистором импульсной мощности в моменты включения. И, кстати, в данном контексте речь идет именно о перезапуске; никакой ШИМ при работе транзистора на КЗ быть не должно.

При этом повышенное падение напряжения в расчет не берем, поскольку тогда надо делать расчеты конкретно под значение этого самого падения.

В режиме чистого КЗ, как правило, предельный режим — это скважность 300 (для транзисторов до 1700 В), но это уже совсем на грани, надо придерживаться скважности не менее 500, а еще лучше 1000. Все, что больше 1000, уже не имеет значения.

Можно перезапускать транзистор пачками импульсов, например пять импульсов с периодом следования 100 мкс через 10 мс; но это опять дело каждого конкретного случая и конкретной задачи.

Для режима КЗ существует небольшая хитрость, которая используется довольно-таки редко, но зачастую просто спасает ситуацию. Это работа транзистора на относительно низком напряжении управления.

Смысл в том, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения максимальный ток коллектора меняется, и если снизить напряжение управления, то снизится и падающий на переходе коллектор-эмиттер ток, что проистекает из ВАХ любого транзистора с полевым управлением, при этом само падение напряжения останется тем же (напряжение питания для режима КЗ). Например, при питании 600 В при напряжении на затворе 15 В транзистор способен пропустить 1000 А, значит, мощность, падающая на транзисторе, будет составлять 600 кВт. При напряжении 9 В транзистор пропускает не более 200 А, значит, мощность уменьшится до 120 кВт. Отсюда меньший перегрев, возможность более частого перезапуска, а также снижение в индуктивности нагрузки запасенной мощности, т. е. значительное ослабление обратного индуктивного выброса. И хотя реализовать этот способ схемно (к примеру, 9 В для КЗ и 15 В при штатном режиме работы) довольно сложно, можно просто сделать постоянное пониженное напряжение управления, тогда при работе на штатную нагрузку статические потери увеличатся приблизительно на 20%, зато значительно повысится надежность в режиме КЗ, что может сильно упростить жизнь при работе на нагрузку, где КЗ — не редкость.

* * *

В заключение отметим, что работать с защитой по току в некотором смысле даже проще, чем с защитой по напряжению. Бесспорно, схемная реализация токовых защит куда как сложней.

Но силовой транзистор позволяет «подумать» схеме управления, когда речь идет о токе, а если есть время «подумать», то решить задачу проще, нежели чем быстро-быстро, как в случае с защитами от перенапряжения.

Впрочем, это дело вкуса, ведь, как ни крути, защищать транзистор надо и от того, и от этого.

Защита по току на полевом транзисторе – Все об электричестве

Защита по току на полевом транзисторе

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы.

Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1.

Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

IRF4905 Datasheet PDF

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода.

Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8.

R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома.

При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт.

Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

LM358 Datasheet PDF

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3.

При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B.

Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Компаратор напряжения

На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.

2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.

2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком.

Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.

Защита от короткого замыкания | Все своими руками

Защита по току на полевом транзисторе

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы.

Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1.

Она рассчитывалась на ток до 4А.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.