(812) 327-96-60
(812) 387-55-06

reom@reom.ru

Защита от перегрузок в импульсных источниках питания DC-DC

Одним из основных требований к источнику питания DC-DC является наличие схемы защиты от перегрузок. Даже кратковременная перегрузка по току или короткое замыкание выходов может привести к аварии, перегреву, воспламенению и даже к пожару.

Если в ключевом каскаде ток коллектора IGBT или стока MOSFET превысит предельное значение, или если напряжение коллектор-эмиттер или сток-исток превысит максимальное допустимое значение - произойдет выход из строя элементов.

В случае отсутствия защиты от аварийного режима, при переходе магнитопровода трансформатора в режим насыщения, резко уменьшается индуктивность обмоток, а ток через них во много раз возрастает. В результате, переключающие элементы и устройства, включенные последовательно с шиной питания, могут выйти из строя.

Аварийный режим может быть связан с отказом элементов внутри импульсного источника питания или вызван внешними факторами, такими как внезапное изменение напряжения питающей сети. Следовательно, схемы защиты от перегрузки являются важными компонентами современных источников питания DC-DC.

При тепловом перегреве диодов и транзисторов, работающих в импульсных источниках питания, разрушение полупроводниковых кристаллов может произойти в течение микросекунд, а иногда даже быстрее.

Если использовать в цепях защиты самоблокирующиеся реле, герконы, плавкие предохранители или полупроводниковые самовосстанавливающиеся предохранители, разрушение элементов может произойти раньше, чем сработает схема защиты, по причине низкого быстродействия. Поэтому разработчик должен применять ту схему защиты, которая соответствует поставленной задаче.

Каждая схема защиты, в общем случае, должна:

  • - отрабатывать всякую перегрузку;
  • - обладать требуемым быстродействием;
  • - в неактивном состоянии не должна влиять на качество электроэнергии, потребляемой нагрузкой;
  • - содержать минимальное число компонентов;
  • - если это необходимо, автоматически возвращаться в исходное состояние.

Схемы защиты подразделяют по принципу реализации на три типа:

  • - пассивные схемы, компоненты которых получают энергию от возмущающего воздействия;
  • - активные схемы, питающиеся от вспомогательного источника питания и вырабатывающие сигнал о перегрузке;
  • - схемы, при использовании которых компоненты источников автоматически регулируют свое состояние, самостоятельно предотвращая разрушение.

Контактные защитные устройства (например, контакторы, реле, предохранители) обладают низкой надежностью и быстродействием, но на их контактах падает незначительное напряжение, а значит и малые потери мощности.

Бесконтактные устройства защиты, выполненные на полупроводниковых компонентах, обладают, как правило, высокой надежностью и быстродействием, но на них падает повышенное напряжение по сравнению с контактными устройствами, что приводит к потерям мощности и снижению КПД.

Для защиты от недопустимо возросшего напряжения и пробоя переходов затвор-исток в MOSFET или затвор-эмиттер в IGBT, параллельно данным контактам включают стабилитроны и transil. Для защиты ключевых IGBT и биполярных транзисторов от пробоя обратным напряжением, вызванным действием ЭДС самоиндукции моточных элементов, параллельно выводам коллектор-эмиттер также включают transil или стабилитроны.

Для уменьшения скорости нарастания напряжения на MOSFET между выводами сток-исток включают оппозитный диод, с более высоким быстродействием, чем паразитный р-n переход этого транзистора, или последовательно с выводами сток-исток MOSFET включают внешний диод. Падение напряжения на оппозитном диоде в прямом включении должно быть обязательно меньше, чем на паразитном диоде.

Для ограничения индуктивного выброса напряжения, параллельно обмотке трансформатора импульсного однотактного источника питания DC-DC включают диод или стабилитрон.

Для защиты компонентов преобразователя импульсного источника питания DC-DC от пробоя при аварийном повышении напряжения питающей сети, последовательно с сетевым проводом монтируют плавкий предохранитель или автомат защиты по току, а после предохранителя, параллельно сетевым проводам устанавливают варистор.

В случае кратковременного повышения сетевого напряжения внутреннее сопротивление варистора резко и многократно уменьшается, и он шунтирует входные шины импульсного источника питания, поддерживая напряжение на заданном уровне.

Если перенапряжение будет длительным, то варистор очень быстро перегреется и выйдет из строя, а возросший ток, протекающий через варистор, приведет к срабатыванию предохранителя, который разомкнет входную цепь питания.