Средства и системы защиты источников питания

На сегодняшний день выпущены многочисленные узкоспециализированные труды, посвященные элек­трической защите источников питания. Рассмотрим лишь самые основные и часто используемые средства и системы защиты ис­точников питания.

К важнейшему требованию, выдвигаемому техническим заданием к источнику питания, является наличие системы защиты от перегрузок. Даже кратковременная перегрузка по току или короткое замыкание шин нагрузки способно привести к ава­рии, перегреву, воспламенению и, в итоге, — 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 в конкретном случае, рабочая точка транзистора покинет участок внутри области безопасной работы транзистора, и произойдет его выход из строя.

В случае отсутствия системы защиты от аварийного режима при насыщении магнитопровода трансформатора резко падает индуктивность обмоток, ток через которые во много раз возрастает. В результате переключающий компонент и уст­ройства, включенные последовательно с шиной питания (корректор коэффициента мощности, фильтр помех и пр.), вполне вероятно выйдут из строя. Аварийный ре­жим возникает при «защелкивании» IGBT, при чрезмерном повышении напряжения питающей сети и во многих других случаях. Следовательно, системы защиты от пе­регрузки являются важными атрибутами современных источников питания. Они не­обязательны лишь в некоторых случаях.

Тепловые инерции работающих в ИИП диодов и транзисторов малы, и разруше­ния полупроводниковых кристаллов могут произойти в течение микросекунд, а в отдельных случаях — даже быстрее. По этой причине при использовании самобло­кирующихся реле, герконов, плавких предохранителей или полупроводниковых са­мовосстанавливающихся предохранителей разрушение компонентов может про­изойти раньше, чем отработает система защиты ввиду несоразмерности быстродей­ствия средств защиты и тепловой инерционности защищаемых компонентов.

Самовосстанавливающиеся предохранители

Другими словами, разработчик должен применять ту систему защиты, которая сообразна поставленной задаче. Любая система защиты должна отрабатывать вся­кую перегрузку, пока эксплуатируют источник питания, должна обладать требуе­мым быстродействием, в неактивном состоянии не должна влиять на качество элек­троэнергии, потребляемой нагрузкой. Она также, по возможности, не должна по­треблять много энергии на собственные нужды и должна содержать минимальное число компонентов. К тому же, если это необходимо, система после сраба­тывания и устранения перегрузки должна автоматически возвращаться в исходное состояние.

Рассмотрим классификацию систем электрической защиты. Разнообразные ва­рианты защиты подразделяют по принципу реализации на три типа:

• пассивные системы, компоненты которых получают энергию от возмущаю­щего воздействия;
• активные системы, вырабатывающие сигнал о перегрузке, который отраба­тывает система защиты, питающаяся от вспомогательного источника пита­ния;
• схемотехнические системы, при использовании которых компоненты устрой­ства автоматически регулируют свое состояние, самостоятельно предотвра­щая разрушение.

Аварийный режим может быть связан с отказом компонентов внутри источника питания или вызван внешними факторами, такими как нештатное изменение напря­жения питающей сети.

К компонентам, которые осуществляют защитную функцию, относят стабили­троны, transil, запираемые и незапираемые тиристоры, IGBT, MOSFET, биполярные транзисторы, варисторы, термисторы, бареттеры, различные предохранители и авто­маты с биметаллическими пластинками, реле, герконы, газовые разрядники и пр.

Контактные защитные устройства (например, контакторы, реле, предохраните­ли) обладают низкой надежностью, и их быстродействие оставляет желать лучшего, однако на замкнутых контактных устройствах защиты падает незначительное на­пряжение, а значит в них выделяется мало тепла.

Бесконтактные устройства защиты, выполненные на полупроводниковых ком­понентах, обладают, как правило, высокой надежностью и быстродействием, но на них падает повышенное напряжение относительно контактных устройств, следова­тельно, выделяется существенная мощность, часто вынуждающая применять охла­дители.

Для защиты от пробоя управляющего электрода недопустимо возросшим на­пряжением параллельно выводам затвор-исток MOSFET или затвор-эмиттер IGBT, работающим в ключевом режиме, включают стабилитроны и transil.

Transil

Для защиты ключевых IGBT и биполярных транзисторов от пробоя обратным напряжением, вызванным, например, действием ЭДС самоиндукции моточных ком­понентов, параллельно выводам коллектор-эмиттер также включают transil или ста­билитроны.

Для уменьшения скорости нарастания напряжения на MOSFET, чересчур боль­шая величина dU/dt которого способна привести к порче транзистора, между выво­дами сток-исток включают более быстродействующий оппозитный диод, чем пара­зитный р-n переход этого транзистора, или последовательно с выводами сток-исток MOSFET включают внешний диод. При этом падение напряжения на оппозитном диоде в прямом включении должно быть обязательно меньше, чем на паразитном диоде.

Параллельно обмотке трансформатора импульсного однотактного ИИП вклю­чают диод или стабилитрон, чтобы «срезать» индуктивный выброс напряжения. Во время включения бестрансформаторного источника питания для защиты диодов се­тевого выпрямителя от импульса тока заряда конденсатора, который расположен в емкостном сглаживающем фильтре, последовательно с питающей сетью устанав­ливают термистор, сопротивление которого велико в холодном состоянии и низко в разогретом.

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

Варистор — это специальный резистор, сопротивление которого резко умень­шается при увеличении приложенного к нему напряжения сверх лимитированного значения. Вольтамперная характеристика варистора симметрична. В случае кратко­временного повышения сетевого напряжения внутреннее сопротивление варистора резко и многократно уменьшается, и он шунтирует входные шины источника пита­ния, поддерживая напряжение на заданном уровне. Если перенапряжение будет длительным, то варистор очень быстро перегреется и выйдет из строя. При этом существенно возросший ток, протекающий через варистор, инициирует срабатыва­ние предохранителя, который разомкнет цепь питания аппарата. Существуют вари­сторы с участком отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике. Такие приборы называют негисторами.

Варисторы

В качестве датчиков насыщения трансформаторов используют пояс Роговского, параметрические трансформаторы или датчики Холла. Датчики Холла посылают сигнал в задающий генератор на вывод ограничения скважности или запрета гене­рирования импульсов микросхемы.

Если необходимо измерить ток через ключевой транзистор однотактного ИИП малой или средней мощности, последовательно с выводом эмиттера IGBT или бипо­лярного транзистора, или истока MOSFET зачастую включают низкоомный посто­янный резистор сопротивлением 0,05…2 Ом, служащий измерителем величины тока. При протекании тока через транзистор на резисторе будет падать напряжение, кото­рое снимают и подают на устройство управления. В резисторе выделяется беспо­лезная мощность потерь, поэтому чаще используют трансформатор тока.

Последовательно с импульсным трансформатором преобразователя ИИП с це­лью защиты от перегрузки по току устанавливают трансформатор тока, служащий датчиком. Он выполнен на ферритовом сердечнике. Импульсное напряжение сигна­ла перегрузки с вторичной обмотки трансформатора тока выпрямляют, фильтруют и подают на вывод отключения управляющей микросхемы задающего генератора.

Для замедления переключения транзисторов, тиристоров и других компонентов параллельно их выводам анод-катод, сток-исток, коллектор-эмиттер и т.д. включают RC-цепи из резистора и конденсатора, включенных последовательно. При этом RC-цепочки снижают скорость нарастания напряжения, защищают компоненты от им­пульсов напряжения при переключениях, купируют затухающие колебательные процессы.

Системы защиты разнообразны, и решение о применимости определенных ва­риантов устройств защиты следует принимать сообразно конкретным задачам.