Захист силового ключа від перенапруги

Як захистити силовий транзистор від пробою кидком високої напруги. Опис схеми активного обмеження(10+)

Суть проблеми

Перед розробниками імпульсних джерел живлення постає проблема захисту силового ключа від кидків високої напруги, спричинених самоіндукцією. Ця проблема характерна для низки топологій джерел живлення, у яких силові транзистори навантажені на вихідний трансформатор. Ідеальний трансформатор не нагромаджує енергії. Але реальні трансформатори накопичують енергію у магнітному полі від первинної обмотки. При перериванні струму через обмотку накопичена енергія повинна бути кудись відведена. Якщо цього не зробити, то станеться пробою силового ключа. Справа в тому, що обмотка трансформатора є котушкою індуктивності. А струм через котушку індуктивності не може припинитись миттєво (має певну інерцію). Розрив ланцюга, якою йде цей струм, призводить до стрибка напруги у місці розриву. Якщо розрив здійснюється шляхом закриття транзистора, цей транзистор виходить з ладу.

Деякі топології імпульсних джерел живлення та перетворювачів напруги, такі, як знижувальна, підвищуюча, інвертуюча, напівмостова, бруківка містять природні ланцюги розмагнічування (тобто відведення енергії, накопиченої в магнітному полі), що безпосередньо захищають силові елементи. Їх описана проблема не актуальна. А ось у прямоходових, зворотноходових та пушпульних схемах ланцюги розмагнічування підключені не безпосередньо до силових елементів, а через трансформатор. Як ми знаємо, зв'язок між обмотками трансформатора не ідеальний. Має місце деякаіндуктивність витоку (зв'язку), яка перешкоджає моментальному блокуванню стрибка напруги.

Вашій увазі добірки матеріалів:

Найпростіший варіант захисту

У цих схемах, якщо потужність пристрою досить велика, виникає необхідність додаткового захисту силових елементів. Найпростішим варіантом такого захисту є встановлення стабілітрону між емітером і колектором (стоком та витоком) силового ключа. Але такий варіант має два недоліки.По-перше, вся енергія, яку блокує стабілітрон, втрачається, що знижує ККД.По-друге, вся енергія, яку блокує стабілітрон, перетворюється на тепло, яке нагріває стабілітрон. З'являється необхідність у охолодженні стабілітрона та ризик виходу його з ладу.

Захист високої надійності та ККД, з відведенням енергії в ланцюги живлення

Більш надійною і більшою ККД, що володіє, є схема, наведена нижче.

У цій схемі надмірна енергія спочатку накопичується на конденсаторі C1. Потім енергія з цього конденсатора перетворюється на котушку L1. А потім енергія, накопичена в L1, передається в ланцюги живлення. Тобто втрати та нагрівання мінімізуються.

На схемі зображено варіант захисту для пушпульної топології, але аналогічно схему можна застосовувати для прямоходових і зворотноходових перетворювачів. Схема підходить як для біполярних, так і для силових польових ключів.

Принцип дії

Схема працює так. Кидки напруги на силових ключах відводяться накопичувальний конденсатор C1 через діоди VD1, VD2. Як тільки напруга на конденсаторі стає більше напруги стабілізації стабілітрона VD4 плюс напруги насичення переходу база - емітер транзистора VT1, транзистор відкривається. На котушці L1, отже, на котушціL2 з'являється напруга. Напруга з котушки L2 через дільник R3, R2 подається на базу транзистора, що ще більше відкриває і вводить в насичення. Тепер до котушки L1 додана напруга з C1 мінус напруга живлення. Струм у котушці поступово наростає, котушка накопичує енергію. Як тільки напруга на конденсаторі C1 стає меншою за деяку величину, транзистор починає закриватися, на котушці L1 за рахунок накопиченої енергії напруга змінює полярність, енергія через діод VD3 відводиться в ланцюги живлення. При цьому напруга L2 також змінює полярність, що сприяє повному замиканню транзистора VT1. Таким чином транзистор VT1 працює в ключовому режимі з мінімальними втратами та нагріванням.