Защита силового ключа от перенапряжения. Сброс скачков напряжения на транзисторе в цепи питания

Как защитить силовой транзистор от пробоя броском высокого напряжения. Описание схемы активного ограничения (10+)

Защита силового ключа от перенапряжения

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Суть проблемы

Перед разработчиками импульсных источников питания встает проблема защиты силового ключа от бросков высокого напряжения, вызванных самоиндукцией. Эта проблема характерна для ряда топологий источников питания, в которых силовые транзисторы нагружены на выходной трансформатор. Идеальный трансформатор не накапливает энергии. Но реальные трансформаторы накапливают энергию в магнитном поле от первичной обмотки. При прерывании тока через обмотку накопленная энергия должна куда-то быть отведена. Если этого не сделать, то произойдет пробой силового ключа. Дело в том, что обмотка трансформатора является катушкой индуктивности. А ток через катушку индуктивности не может прекратиться мгновенно (имеет определенную инерцию). Разрыв цепи, через которую идет этот ток, приводит к скачку напряжения в месте разрыва. Если разрыв осуществляется путем закрытия транзистора, то этот транзистор выходит из строя.

Некоторые топологии импульсных источников питания и преобразователей напряжения, такие, как понижающая, повышающая, инвертирующая, полумостовая, мостовая содержат естественные цепи размагничивания (то есть отвода энергии, накопленной в магнитном поле), непосредственно защищающие силовые элементы. Для них описанная проблема не актуальна. А вот в прямоходовых, обратноходовых и пушпульных схемах цепи размагничивания подключены не непосредственно к силовым элементам, а через трансформатор. Как мы знаем, связь между обмотками трансформатора не идеальная. Имеет место некоторая индуктивность утечки (связи), которая препятствует моментальному блокированию скачка напряжения.

Простейший вариант защиты

В этих схемах, если мощность устройства достаточно велика, возникает необходимость в дополнительной защите силовых элементов. Простейшим вариантом такой защиты является установка стабилитрона между эмиттером и коллектором (стоком и истоком) силового ключа. Но такой вариант имеет два недостатка. Во-первых, вся энергия, которую блокирует стабилитрон, теряется, что снижает КПД. Во-вторых, вся энергия, которую блокирует стабилитрон, превращается в тепло, которое нагревает стабилитрон. Появляется необходимость в охлаждении стабилитрона и риск выхода его из строя.

Защита высокой надежности и КПД, с отводом энергии в цепи питания

Более надежной и обладающей большим КПД является схема, приведенная ниже.

В этой схеме избыточная энергия сначала накапливается на конденсаторе C1. Потом энергия с этого конденсатора переходит в катушку L1. А потом энергия, накопленная в L1, передается в цепи питания. То есть потери и нагрев минимизируются.

На схеме изображен вариант защиты для пушпульной топологии, но совершенно аналогично схему можно применять для прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Схема подходит как для биполярных, так и для полевых силовых ключей.

Принцип действия

Схема работает так. Броски напряжения на силовых ключах отводятся на накопительный конденсатор C1 через диоды VD1, VD2. Как только напряжение на конденсаторе становится больше напряжения стабилизации стабилитрона VD4 плюс напряжения насыщения перехода база - эмиттер транзистора VT1, транзистор открывается. На катушке L1, а значит, на катушке L2, появляется напряжение. Напряжение с катушки L2 через делитель R3, R2 подается на базу транзистора, что его еще больше открывает и вводит в насыщение. Теперь к катушке L1 приложено напряжение с C1 минус напряжение питания. Ток в катушке постепенно нарастает, катушка накапливает энергию. Как только напряжение на конденсаторе C1 становится меньше некоторой величины, транзистор начинает закрываться, на катушке L1 за счет накопленной энергии напряжение меняет полярность, энергия через диод VD3 отводится в цепи питания. При этом напряжение на L2 также меняет полярность, что способствует полному запиранию транзистора VT1. Таким образом транзистор VT1 работает в ключевом режиме с минимальными потерями и нагревом.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.