Тема 3. Методы и схемы защиты полупроводниковых ключей

3.1. Основные виды перегрузок по напряжению и току

В схемах преобразователей силовой электроники полупроводниковые ключи в наибольшей степени чувствительны к перегрузкам по току и напряжению [3,5,6].

По этой причине, а также с учетом того, что силовые ключи являются наиболее дорогими компонентами схемы, основное внимание при разработке методов защиты уделяется именно этим приборам. Мероприятия по обеспечению защиты схемы и ее элементов сводятся к двум основным направлениям: к устранению причин и источников электрической перегрузки и методам борьбы с естественными перегрузками. Поэтому вначале необходимо установить причины появления перегрузок по напряжению и току, а также оценить их амплитуду и мощность.

Основными видами перегрузок по напряжению являются:

1. Перегрузки под действием из питающей сети.

2. Перегрузки, связанные с процессами коммутации в схеме преобразователя и обусловленные конечными временными параметрами переключения силовых ключей.

3. Перегрузки, связанные с характером нагрузки.

Перегрузки по напряжению, указанные в первой группе, определяются качеством питающей сети. Поскольку данные перенапряжения опасны и для всех остальных потребителей, для борьбы с ними используют внешние, по отношению к конкретной схеме, защитные устройства, включаемые параллельно входу преобразователя, как это показано на рис. 3.1.

Указанные во второй группе перегрузки по напряжению связаны с эффектами накопления и рассасывания зарядов в ключевых компонентах схемы, а также с влиянием паразитных элементов монтажа и корпусов приборов. Данные перегрузки ограничивают применением дополнительных защитных цепочек или снабберов (Snubber circuit), включаемых параллельно ключу или группе приборов (рис. 3.2).

Рис. 3.1

Перегрузки по напряжению третьей группы определяются, как правило, действием нагрузок со значительной индуктивностью, что требует дополнительных элементов, шунтирующих нагрузку и обеспечивающих перевод накопленной энергии с цепью исключения всплесков напряжения (рис. 3.3).

Основными видами аварийных токовых перегрузок ключей являются:

1. Короткое замыкание в силовой схеме, обусловленное повреждением какого-либо ключа или диода.

2. Короткое замыкание из-за повреждения ключа, соединенного параллельно с несколькими другими приборами.

3. Короткое замыкание на выходных клеммах преобразователя (так называемое «глухое» внешнее короткое замыкание).

4. Короткое замыкание цепи нагрузки.

5. Токовая перегрузка, связанная со сбоем в работе системы управления («опрокидывание» инвертора, короткое замыкание в плече моста и т.п.).

6. Токовая перегрузка, связанная с особенностями работы схемы и неидеальностью ключей (работа на противофазный диод, сквозные токи в схемах мостовой конфигурации).

7. Токовая перегрузка, обусловленная характером нагрузки (пусковой режим, перегрузка двигателя и т.п.).

Данные режимы токовой перегрузки показаны на рис. 3.4.

Во всех перечисленных случаях силовой ключ либо включается на короткозамкнутый контур, либо попадает в режим токовой перегрузки в процессе нормального открытого состояния. С точки зрения методов защиты наиболее важными являются:

1. Повышение помехозащищенности системы управления и самого силового ключа.

2. Подключение внешних защитных устройств, ограничивающих воздействие токовой перегрузки в естественных режимах коммутации (токоограничивающие цепочки и дроссели).

3. Определение момента токовой перегрузки и подключение быстродействующих систем защиты.

Рис. 3.2 Рис. 3.3

Рис. 3.4

Рис.3.5

В режимах электрической перегрузки по току и напряжению не должны превышаться параметры, определяющие границы области безопасной работы (см. главу 3). Кроме этого, при коротких замыканиях в схеме следует учитывать так называемые перегрузочные характеристики ключа, определяющие предельно допустимые токи короткого замыкания при разной длительности воздействия перегрузки (рис. 3.5).

Отключение импульсов управления в режимах токовой перегрузки не всегда обеспечивает восстановление запирающей способности ключа, особенно в тиристорных приборах.

А некоторые типы GTO вообще запрещается выключать обычными методами при токовых перегрузках.

В этом случае используют плавкие предохранители, а также согласованные с перегрузочной характеристикой ключа магнитные и биметаллические выключатели, обеспечивающие обесточивание силовой цепи в течение интервала времени менее 10 мс. В качестве предельного параметра ключа в данном случае используют приводимый в справочной информации защитный показатель (l²t). Значение защитного показателя предохранителя должно быть меньше интеграла предельного тока ключа в режиме перегрузки, каковым и является параметр (l²t).