Защита полупроводниковых преобразователей от сверхтоков и перенапряжений

Сверхтоки в полупроводниковых преобразователях возникают при аварийных режимах работы. К аварийным режимам работы рассмотренных выше полупроводниковых преобразователей следует отнести:

-внешние короткие замыкания на стороне переменного и постоянного тока;

-нарушения вентильных свойств полупроводниковых вентилей, т.е. способность вентиля выдерживать обратные напряжения;

-нарушение запирающих свойств полупроводникового вентиля в прямом направлении;

-пропуск включения отдельных полупроводниковых вентилей (тиристоров), возникающий в результате нарушения работы системы управления (СИФУ).

В выпрямителях и тиристрных регуляторах первые два вида аварийных режимов приводят к появлению сверхтоков и перенапряжений во всех силовых элементах. Вторые два вида аварийных режимов в выпрямителях и тиристорных регуляторах вызывают ухудшение формы кривой выходного напряжения, перегрузку отдельных вентилей по току, что может привести к пробою вентиля.

В инверторах все четыре вида аварийных режимов приводят к опрокидыванию инвертора – к короткому замыканию цепей постоянного и переменного тока.

Наибольшую опасность для нарушения целостности вентиля представляют сверхтоки и перенапряжения [6]. Для предотвращения повреждений элементов преобразователей при аварийных режимах необходимо предусмотреть в них специальные защитные устройства.

Перенапряжения на вентилях возникают не только в тяжелых аварийных режимах, но и нормальных (штатных) режимах работы преобразователя. Это объясняется тем, что электрические цепи преобразователей содержат реактивные элементы - дроссели и конденсаторы, в которых происходит колебания энергии на интервалах коммутации тока с одного вентиля на другой. Вследствие этого на элементах схемы могут возникать значительные коммутационные перенапряжения, представляющие опасность для вентилей и других элементов преобразователя. Поэтому для уменьшения перенапряжений в контурах с вентилями необходимо устанавливать элементы, способные ограничить величину перенапряжения или устранить их вообще.

Наиболее простыми, дешевыми и надежными элементами для защиты от электромагнитных импульсов являются защитные диоды, металлооксидные варисторы и газовые разрядники [11]. Отметим, что эти элементы имеют различные вольтамперные характеристики, различное быстродействие, различные возможности по поглощению энергии электромагнитного импульса, определяемые в основном теплоемкостью и предельной температурой полупроводникового элемента.

Защитные диоды по принципу действия аналогичны полупроводниковым стабилитронам [11]. Однако они имеют некоторые особенности по сравнению с обычными стабилитронами. Во-первых, большую часть времени они работают в ждущем режиме, т.е. в допробойной области ветви вольтамперной характеристики. При этом они имеют малые токи утечки и практически не оказывают влияния на работу схемы, в которой они установлены. Обычно этот режим нормируется. В предпробойной области нормируется значение напряжения, при котором обратный ток диода достигает определенной заданной величины (например, 1мА или 10мА).

В области обратимого пробоя защитные диоды имеют крутую вольтамперную характеристику с малым значением дифференциального сопротивления, что позволяет пропускать через них в течение короткого времени (обычно до 10мс) весьма большие токи (до сотен Ампер). При этом обычно оговаривается максимальное значение импульсной мощности, которую может рассеивать защитный диод при определенных параметрах импульса (обычно ограничивается длительность фронта и длительность импульса). Это говорит о том, что диод может поглотить определенную ограниченную величину энергии (произведение мощности на длительность импульса). Если это величина по каким-либо причинам превышается, то защитный диод выходит из строя, но он устроен таким образом, что при этом его выводы закорачиваются и это обычно оговаривается фирмой – изготовителем. Это свойство весьма ценно, так как во многих случаях лучше пожертвовать недорогим защитным диодом, чем дорогой аппаратурой, которую он защищает.

Защитные диоды имеют весьма высокое быстродействие (до 1пс) и пропускают большие токи в импульсе, при этом мощность, рассеиваемая диодом в импульсе, может достигать 1,5 кВт и более. Однако защитные диоды обладают малой теплоемкостью и относительно низкой предельной температурой кристалла, что обуславливает сравнительно небольшую энергию, которую он может поглотить без разрушения.

Защитные диоды выпускаются двух видов – однонаправленные и двунаправленные. Однонаправленные используются в обратном направлении в режиме обратного пробоя, а в прямом направлении ведут себя как обычные диоды с малым дифференциальным сопротивлением. Двунаправленные защитные диоды эквивалентны встречному включению двух однонаправленных защитных диодов и в допробойной области имеют большое сопротивление в обоих направлениях. Представляется полезным установка однонаправленного защитного диода на входе преобразователя при питании его от источника постоянного тока. В этом случае он защищает преобразователь от двух неблагоприятных воздействий, а именно: от перенапряжений и от переполюсовки входной сети. Если защитный диод установлен после дросселя входного фильтра, то дроссель будет несколько ограничивать амплитуду тока, протекающего через диод при его срабатывании. При длительном перенапряжении или переполюсовке сетевой предохранитель, установленный на входе преобразователя, далеко не всегда спасает защитный диод от выхода из строя. Все зависит от быстродействия предохранителя. Однако даже при выходе из строя защитного диода необходимо помнить, что в этом случае недорогой защитный диод спасает более дорогой преобразователь.

Для защиты цепи нагрузки преобразователя защитный диод устанавливают на выходе преобразователя. В случае отказа цепи обратной связи преобразователя по напряжению, связанного с обрывом этой цепи или с отказом какого элемента (например, оптрона) на питаемую преобразователем аппаратуру, содержащую часто очень дорогие компоненты (например, микропроцессоры), может быть подано напряжение, значительно превышающее допустимое, что может привести к выходу из строя всех активных компонентов и конденсаторов. При установке защитного диода в этом случае ток через него резко возрастает, что приводит либо к срабатыванию устройств защиты по току преобразователя, либо, в крайнем случае, к срабатыванию сетевого предохранителя.

 

Второй элемент, применяемый для защиты полкпроводниковых преобразователей и их элементов, - варистор. Варистор- это переменный и нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление (R) которого изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. При изготовлении варистора порошкообразный полупроводник, например SiC, запрессовывают вместе со связующим веществом (глина, жидкое стекло, органические лаки) в форму и запекают при температуре 1700⁰С. Уменьшение R с ростом напряжения связано с падением сопротивления между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через р-п переходы, которые образуются на этих контактах из острых участков зерен в результате автоэлектронной эмиссии. Варистор следует включать параллельно защищаемому устройству или элементу. При возникновении импульса перенапряжения варистор, в силу нелинейности своей вольт- амперной характеристики, резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует устройство, защищая его и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически не имеет инерции, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление и прохождение тока через него прекращается. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройства не оказывает никакого влияния на работу этого устройства в нормальных условиях, но мговенно срезает импульсы перенапряжения при их появлении.

Металлооксидные варисторы имеют быстродействие несколько хуже защитных диодов (до 25 нс), но пропускают значительно большие импульсные токи и могут поглотить значительно большую энергию - до нескольких десятков Джоулей (в зависимости от размеров варистора).

Для уменьшения импульсов перенапряжения, возникающих на полупроводниковых вентилях, параллельно вентилю часто подключают защитные R-C цепочки, которые часто называют снабберыми цепочками.

Перенапряжения в преобразователях могут возникать также во время различного рода включений, отключений, переключений в схеме с помощью специальных переключающих устройств, контакторов и реле. Чтобы уменьшить подобные перенапряжения, необходимо обеспечить правильный выбор местоположения переключающих элементов и соответствующую последовательность их переключения, выбор оптимальной скорости прерывания тока, использования специальных разрядников (например, варисторов), уменьшающих величину этих перенапряжений.

Сверхтоки приводят к перегрузке вентиля по току, которая в свою очередь может привести к выходу вентиля из строя. Полупроводниковые структуры вентилей обладают низкой теплоемкостью, поэтому их перегрузочная способность оказывается невысокой. Это объясняется тем, что в процессе изготовления вентилей имеется тенденция к интенсивному использованию р-n путем повышения плотности тока при усиленнои теплоотводе. Прегрузочная способность вентиля определяется предельной температурой нагрева p-n переходов и допустимым числом циклов изменения температуры от предельно допустимой до минимальной величины.

Температура p-n перехода определяется мощностью потерь и условиями охлаждения, которые в свою очередь зависят от среднего значения тока в вентиле, величины прямого падения напряжения на вентиле, формы тока и теплового сопротивления вентиля.

Допустимое число циклов изменения температуры связано с изнашиванием полупроводниковой структуры вследствие возникновения механических усилий, стремящихся изменить размеры структуры при перепадах температур. Ввиду низкой теплоемкости и структурного износа от чрезмерного нагрева для полупроводниковых вентилей недопустимы перегрузки по току, которые могут возникнить при аварийных режимах работы преобразователя. Поэтому каждый полупроводниковый преобразователь должен снабжаться защитой от перегрузок, вызванных сверхтоками.

Защита от сверхтоков может осуществляться с помощью различнвх устройств в зависимости от характера перегрузки. Если перегрузки возникают при наличии в схеме достаточных индуктивных сопротивлений, ограничивающих нарастания тока в течение нескольких периодов сети переменного тока, то необходимая защита может быть выполена в виде плавких предохранителей и контакторов. При выборе плавкого предохранителя следует помнить, что срабатывание предохранителя происходит от действующего значения протекающего через него тока, а не среднего или мгновенного. Поэтому преохранитель следует выбирать по действующему значению тока.

На практике находят применение и самовосстанавливающиеся предохранители (multifuse) – компоненты, предназначенные для защиты электронных и полупроводниковых устройств от перегрузки по току или от перегрева. Принцип их работы основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои первоначальные свойства после устранения этих причин. Диапазон рабочих температур: от -40 до +85⁰С.

Может быть применена защита, в которой используются запирающие характеристики тиристоров. В последнем случае при установлении обратной связи с нагрузкой управляющий сигнал может быть снят с тиристора, в результате чего тиристор надежно запирается в течение последующего цикла после возникновения аварийного режима.

Если сверхток возникает пари наличии незначительных индуктивных сопротивлений в схеме (режим глухого короткого замыкания на выходе преобразователя или внутреннего короткого замыкания вследствие пробоя вентиля), в результате чего сверхток достигает максимальной величины в течение одного полупериода, то необходимо применять быстродействующие защитные устройства, способные прервать ток прежде, чем он достигнет опасного значения, т.е. в течение небольшой доли полупериода напряжения сети переменного тока. Для этой цели применяют быстродействующие элетронные устройства защиты или быстродействубющие предохранители.

Вопросы для самоконтроля:

1.Укажите причины появления сверхтоков и перенапряжений в схемах выпрямления.

2.Укажите возможные способы защиты управляемого выпрямителя от сверхтоков.

3.Укажите возможные способы защиты управляемого выпрямителя от перенапряжений.

4. Сравните по быстродействию плавкие предохранители, самовосстановляющиеся предохранители и электронную защиту.