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.
