Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse

системы безопасностиучёт ресурсовсветотехникауправление двигателеммедицинапотребительская электроникаLittelfuseстатьядискретные полупроводники

Мощные помехи, возникающие в сетях переменного напряжения, способны повреждать электронные устройства. Для защиты электроники чаще всего используют варисторы, TVS-диоды, газовые разрядники и защитные тиристоры. Защитные тиристоры SIDACtor серий Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА производства компании Littelfuse применяются, когда требуется высокая точность напряжения ограничения. Они сочетают высокую стабильность и достаточно большой пиковый ток.

Защита от помех, возникающих в сетях переменного напряжения – одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками электронных устройств. Если эту задачу не решить на этапе разработки, то срок эксплуатации незащищенного электронного устройства может оказаться весьма коротким.

Существует несколько традиционных элементов защиты от перегрузок по напряжению: металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor), TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor), газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube) и защитные тиристоры [1]. У каждого из них есть свои плюсы и особенности применения. Поэтому при построении системы защиты разработчики зачастую используют комбинацию из нескольких элементов. Например, тиристор и варистор могут включаться последовательно.

Защитные тиристоры отличаются рекордной стабильностью характеристик, высокой скоростью включения и способностью многократно выдерживать мощные импульсы перенапряжений. К сожалению, их основным недостатком является невысокий пиковый ток. Однако производители работают над решением этой проблемы. Например, совсем недавно компания Littelfuse пополнила линейку защитных тиристоров SIDACtor двумя новыми семействами – Pxxx0FNL и Pxxx0ME с пиковыми токами 3 и 5 кА (рисунок 1).

Рис. 1. Защитные тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Структура и характеристики защитных тиристоров SIDACtor

Защитные тиристоры SIDACtor имеют только два вывода, то есть, по определению являются диодными тиристорами [2]. Их упрощенная структура включает в себя четыре слоя с разными типами проводимости: эмиттер (верхний N-слой), верхняя база (верхний P-слой), средний N-слой, нижняя база (нижний P-слой) (рисунок 2). Электрод, подключенный к эмиттеру, часто называют катодом, а электрод, подключенный к нижней базе – анодом.

Рис. 2. Упрощенная структура защитных тиристоров SIDACtor

Диодный тиристор можно рассматривать как два встречно включенных диода. При низких напряжениях такая структура не проводит ток ни в одном из направлений. При увеличении напряжения наблюдается незначительный рост тока утечки. Рост напряжения приводит к увеличению напряженности поля, приложенного к p-n переходам. При некотором значении напряженности возникает лавинный пробой. При этом сопротивление тиристора скачком уменьшается до очень малого значения. Проводящее состояние сохраняется до тех пор, пока ток в тиристоре не уменьшится до уровня, при котором прекращается лавинный пробой. В реальных схемах выключение тиристора происходит при смене полярности приложенного напряжения.

Скачкообразное изменение сопротивления приводит к разрыву вольт-амперной характеристики тиристора (рисунок 3). С помощью ВАХ можно охарактеризовать наиболее важные параметры этих компонентов.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика защитных тиристоров SIDACtor

VDRM – рабочее напряжение: повторяющееся обратное напряжение в закрытом состоянии, при котором не происходит открытие тиристора.

IDRM – максимальное значение тока утечки при напряжении VDRM.

VS – напряжение переключения: максимальное напряжение, при котором происходит включение тиристора при воздействии импульса 100 В/мкс. Этот параметр характеризует уровень ограничения напряжения.

IS – ток переключения: максимальный ток, необходимый для включения тиристора.

IH – ток удержания: минимальный ток, необходимый для удержания тиристора в открытом состоянии.

VT – максимальное падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

IТ – максимальный допустимый постоянный ток тиристора в открытом состоянии.

IТSM – максимальный допустимый ток тиристора в открытом состоянии при воздействии синусоидального напряжения.

IPP – пиковый ток: максимальный допустимый импульсный ток тиристора в открытом состоянии.

di/dt – максимальная допустимая скорость нарастания тока.

Coff – собственная емкость в закрытом состоянии. Как правило, измеряется при напряжении 2 В и частоте 1 МГц.

Тиристоры SIDACtor являются полупроводниковыми силовыми компонентами и способны выдерживать множественные включения без существенного ухудшения характеристик (минимальная деградация). Тем не менее, если допустимая скорость нарастания тока di/dt будет превышена, то тиристор может выйти из строя. При этом значение максимального тока для SIDACtor оказывается достаточно скромным.

Сравнение характеристик защитных ограничителей напряжения

Для защиты от мощных помех в сетях переменного напряжения разработчики чаще всего используют следующие защитные элементы:

• тиристоры SIDACtor®;
• металл-оксидные варисторы (MOV, Metal Oxide Varistor),
• TVS-диоды (Transient Voltage Suppressor),
• газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube).

Все перечисленные элементы подключаются параллельно нагрузке и имеют высокое сопротивление при отсутствии перенапряжений. При возникновении мощной помехи происходит активация защитного компонента. При этом тиристоры и газоразрядники при срабатывании формируют короткое замыкание, а варисторы и TVS-диоды ограничивают напряжение помехи. Рассмотрим достоинства и особенности применения всех представленных защитных компонентов (таблица 1) [2].

Таблица 1. Преимущества и особенности применения элементов защиты от перенапряжений

Тиристоры SIDACtor®

При возникновении помехи с напряжением, превышающим Vs, происходит открытие тиристора. При этом формируется состояние, близкое к короткому замыканию: напряжение на тиристоре скачком падает до очень малого значения (единицы В), а ток возрастает. Таким образом нагрузка оказывается защищенной от перенапряжений.

Тиристоры SIDACtor не могут быть повреждены напряжением. Кроме того, они отличаются минимальным временем включения и чрезвычайно высокой стабильностью напряжения срабатывания, которое практически не зависит от скорости нарастания помехи dv/dt (рисунок 4). Это делает тиристоры практически идеальным выбором, если требуется высокая точность установки напряжения ограничения.

Рис. 4. Стабильность напряжения включения для различных защитных компонентов

Важными достоинствами тиристоров также являются отличная долговременная стабильность и малая собственная емкость.

К особенностям применения тиристоров следует отнести необходимость использования защиты по току, например, предохранителей. В противном случае при превышении допустимых значений тиристор выйдет из строя.

Газовые разрядники (GDTs, Gas Discharge Tube)

Принцип работы газового разрядника построен на использовании газового пробоя [3]. Разрядник представляет собой герметично запечатанную керамическую колбу с инертным газом. Внутренняя часть электродов имеет особую форму, которая призвана сформировать электрическое поле. В ряде случаев разрядники снабжены дополнительным термопредохранителем (Failsafe Clip). При возникновении газового разряда, как и в случае с тиристорами, формируется состояние, близкое к короткому замыканию.

Основными достоинствами газовых разрядников являются высокие пиковые токи до 20 кА и рекордно низкая собственная емкость (единицы пФ). Разрядники чаще всего используются как первый рубеж защиты от перенапряжений и идеально подходят для высокочастотных схем.

К недостаткам разрядников можно отнести большую задержку включения, высокое и нестабильное напряжение ограничения, деградацию.

Металл-оксидные варисторы MOV

Варисторы являются наиболее распространенным типом защитных компонентов для сетей переменного напряжения [4].

Чаще всего для производства варисторов используется оксид цинка ZnO. При низких напряжениях ZnO фактически является диэлектриком с токами утечки в единицы микроампер. При увеличении напряжения выше некоторого предела (напряжения пробоя) происходит локальный разогрев оксида, что приводит к обратимому пробою. При пробое сопротивление резко уменьшается, а ток возрастает. Увеличение тока приводит к росту выделяемой мощности и разогреву структуры варистора. Значительное повышение рассеиваемой мощности может привести к необратимому тепловому пробою. При этом структура варистора разрушается.

Варисторы отличаются рекордно высокими пиковыми токами до 70 кА и способны эффективно поглощать мощные помехи. Вместе с тем их недостатками являются деградация параметров, высокая емкость и сильная зависимость напряжения ограничения от тока.

TVS-диоды

Принцип работы защитного TVS-диода основан на использовании обратимого пробоя [5]. Если к TVS приложить напряжение амплитудой больше определенного значения (напряжение пробоя), то начнется пробой с лавинообразным увеличением носителей. Ток, проходящий через диод, практически неограниченно возрастает, а напряжение меняется незначительно. В итоге происходит ограничение входного напряжения.

TVS-диоды эффективно справляются с быстрыми помехами, отличаются высокой стабильностью и длительным сроком службы. Тем не менее, TVS-диоды не являются идеальными защитными ограничителями. Во время пробоя при увеличении тока напряжение на диоде возрастает, хотя и не так быстро. Это приводит к тому, что уровень ограничения зависит от мощности помехи: чем мощнее помеха – тем выше напряжение ограничения.

Таким образом, все перечисленные элементы имеют свои плюсы и минусы. По этой причине разработчики часто используют совместное включение различных компонентов. Например, последовательное включение варистора и тиристора позволяет получать малое напряжение ограничения. Не стоит забывать и о том, что производители продолжают совершенствовать характеристики своей продукции.

Активные ограничители напряжения Analog Devices

Большинство активных ограничителей, выпускаемых компанией Analog Devices, рассчитано на использование внешних полевых транзисторов. Это расширяет возможности их применения, поскольку путем выбора внешнего транзистора можно обеспечить требуемый уровень максимального входного напряжения. Например, микросхема LT4356 (рисунок 5) имеет диапазон рабочих напряжений 4…80 В с возможностью кратковременного увеличения до 100 В. Таких характеристик вполне достаточно для, например, большинства автомобильных бортовых систем электропитания с напряжениями 12 или 24 В. Однако эту микросхему также можно использовать в приложениях, где могут возникать и более высоковольтные переходные процессы.

Рис. 5. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем питания

Для этого необходимо использовать более высоковольтный транзистор и ограничить напряжение питания микросхемы с помощью параметрического стабилизатора (рисунок 6). Однако при этом придется отключить функцию контроля тока, поскольку напряжение на выводе SNS выше 100 В может повредить микросхему.

Рис. 6. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений

Если же функция ограничений тока все же необходима, то можно использовать каскадное включение транзисторов (рисунок 7). В этом случае первый каскад, собранный на транзисторе Q2, ограничивает напряжение питания микросхемы на безопасном уровне, приблизительно равном 80 В (определяется напряжением стабилитрона D2), а второй каскад, собранный на микросхеме LT4356 и транзисторе Q1, уже ограничивает выходное напряжение до номинального значения.

При отсутствии перенапряжений на шине питания встроенный зарядовый насос микросхемы LT4356 формирует на затворе транзистора Q1 напряжение на 12,5 В больше входного. Таким образом, благодаря наличию диода D3, в нормальном режиме работы напряжение на затворе транзистора Q1 приблизительно равно 24 В (для 12-вольтовых систем). Этого вполне достаточно для удержания его канала в открытом состоянии и, соответственно, уменьшения величины статических потерь. В момент подачи питания, пока микросхема LT4356 не вышла на рабочий режим, транзистор Q1 открывается, благодаря наличию цепочки R3D1.

Рис. 7. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений и функцией защиты от перегрузки по току

Диапазон входных напряжений ограничителя (рисунок 7) во многом определяется параметрами полевого транзистора и в данной схеме может достигать 300 В. Несмотря на достаточно сложную схему, общие размеры такого решения могут быть меньше, чем при использовании традиционных подходов, а качество выходного напряжения – выше.

Тем не менее, для приложений с высоким уровнем входных напряжений лучше использовать другие, более специализированные решения, предлагаемые компанией Analog Devices, например, микросхемы LT4363 (рисунок или LTC4380 (рисунок 9). Особенностью этих ограничителей является измерение выходного тока на стороне нагрузки, что позволяет работать с повышенным входным напряжением без риска повредить микросхему. Кроме этого, микросхема LTC4380 имеет ультрамалый ток собственного потребления, не превышающий 8 мкА, что позволяет использовать в параметрическом стабилизаторе питания микросхемы резисторы с высоким сопротивлением, тем самым уменьшая уровень рассеиваемой мощности при высоких входных напряжениях.

Рис. 8. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LT4363

Рис. 9. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4380

Точность ограничения выходного напряжения во многом определяется внутренней схемотехникой микросхем. Например, у рассмотренных выше компонентов LT4356 и LT4363 управление силовым транзистором осуществляется так же, как в компенсационных стабилизаторах – с помощью усилителя ошибки, сравнивающего выходное напряжение со стабильным опорным напряжением, формируемым внутренними узлами (рисунок 10). А в микросхемах LTC4380 внешний силовой транзистор включен по схеме истокового повторителя, напряжение на затворе которого ограничивается внутренним стабилитроном. Из-за этого точность выходного напряжения микросхем LTC4380 оказывается хуже (приблизительно 5%) из-за технологического разброса параметров стабилитронов и порогового напряжения полевых транзисторов.

Рис. 10. Варианты управления внешними полевыми транзисторами

Еще одним оригинальным решением, способным работать в сетях с теоретически неограниченной амплитудой импульсов, является микросхема LTC4366 (рисунок 11). Ее особенностью является работа с плавающим потенциалом общего вывода VSS, подключенного к отрицательной шине с помощью резистора. При поступлении высоковольтной помехи потенциалы всех узлов микросхемы автоматически увеличиваются («подтягиваются») до уровня помехи, в то время как выходное напряжение остается практически неизменным. При таком подходе максимальное входное напряжение всего узла ограничивается лишь параметрами полевого транзистора, в том числе и максимально допустимым уровнем мощности, рассеиваемым на его кристалле.

Рис. 11. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4366

Все рассмотренные выше схемы активных ограничителей прекрасно справляются с базовым списком функций, требуемых от них. Однако ни одна из этих схем не обеспечивает защиту от переполюсовки и протекания обратного тока, который может беспрепятственно замыкаться через паразитный диод полевого транзистора. Причем появление обратных токов возможно и при нормальной полярности питающего напряжения, например, в цепи питания автомобильного компьютера в момент запуска двигателя. В этом случае напряжение в бортовой сети может уменьшиться практически до нуля, в зависимости от состояния аккумулятора, а напряжение на аварийных накопителях процессора, таких как конденсаторы, ионисторы или аккумуляторы, все еще остается равным номинальному напряжению. Если не принимать никаких мер, то аварийные накопители могут очень быстро отдать энергию в другие нагрузки, что приведет к сбоям в работе компьютера, а это в большинстве случаев недопустимо.

Для защиты от переполюсовки и обратного тока можно установить в цепи питающей шины дополнительный диод, как показано на рисунке 3, однако в этих случаях лучше использовать специализированные решения, например, микросхему LTC4364 (рисунок 12). Особенностью этой микросхемы является наличие двух полевых транзисторов в силовой цепи, образующих ключ, способный блокировать протекание тока в обоих направлениях. При этом полевой транзистор, подключенный к выводу HGATE, ограничивает уровень перенапряжений, как в рассмотренных выше схемах, а транзистор, подключенный к выводу DGATE, выполняет функцию идеального диода и выключается лишь при обнаружении обратного тока. Использование полевого транзистора вместо диода Шоттки позволяет уменьшить общее падение напряжения в силовых цепях ограничителя и, соответственно, увеличить КПД системы.

Рис. 12. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4364 с защитой от переполюсовки и протекания обратного тока

В рассмотренных выше схемах силовые транзисторы большую часть времени находятся в режиме насыщения, что обеспечивает их минимальный нагрев. При возникновении аварийных ситуаций, в том числе при перегрузке по току и перенапряжении, полевые транзисторы переходят в активный режим, при котором к кристаллу подается повышенное напряжение, из-за которого на нем начинает выделяться достаточно большое количество тепла. Длительное нахождение в этом режиме может привести к перегреву и выходу из строя этих элементов, поэтому при большой продолжительности аварийных ситуаций схема управления прекращает подачу питания в нагрузку. Однако для некоторых приложений, например, для устройств, отвечающих за безопасность движения автомобиля, такой способ электроснабжения крайне нежелателен. В этом случае следует обратить внимание на микросхему LTC7860 (рисунок 13), особенностью которой является импульсный способ ограничения напряжения.

Рис. 13. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC7860 с импульсным методом ограничения перенапряжения

В данной схеме полевой транзистор вместе с дросселем и диодом Шоттки образуют понижающий импульсный преобразователь. В нормальном режиме работы силовой транзистор постоянно открыт, поэтому уровень выделения тепла на нем незначителен. При увеличении входного напряжения схема управления начинает переключать полевой транзистор с высокой частотой, поддерживая выходное напряжение в требуемых пределах с помощью импульсных методов регулирования. Поскольку полевой транзистор работает в ключевом режиме, то уровень выделения тепла на нем намного меньше чем в рассмотренных выше схемах, что позволяет этому ограничителю дольше находиться в аварийных режимах без прерывания питания нагрузки. Еще одной особенностью данной схемы является меньший уровень высокочастотных шумов в выходных цепях в рабочем режиме, поскольку дроссель и выходной конденсатор образуют фильтр нижних частот.

Ряд приложений, таких как устройства, питающиеся от внешних сетевых адаптеров, не требует подавления импульсных помех, однако подвергается риску повреждения из-за подключения к источникам питания с напряжением, выходящим за пределы допустимых значений, в том числе и к источникам переменного напряжения. В этом случае для защиты цепей питания можно использовать микросхемы LTC4365 или LTC4367, имеющие подобные структурные схемы и отличающиеся лишь диапазоном рабочих напряжений (рисунок 14). Эти микросхемы имеют два компаратора, включающих внешние силовые транзисторы только в случае, когда входное напряжение находится в заданных пределах, устанавливаемых внешним резистивным делителем, причем входное напряжение может находиться в широком диапазоне, в том числе принимать отрицательные значения.

Рис. 14. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4365

Дополнительным преимуществом этих моделей ограничителей является длительная задержка подачи питания, которая для модификаций без суффикса в обозначении микросхемы равна 36 мс (LTC4365) или 32 мс (LTC4367). Наличие столь большой задержки позволяет полностью блокировать подачу напряжения питания на устройство при подключении его к источникам переменного (50/60 Гц) или пульсирующего (100/120 Гц) напряжения. Эта особенность является важной для приложений, питающихся от сетевых адаптеров, поскольку позволяет обойтись без дополнительных входных фильтрующих конденсаторов и TVS-диодов, имеющих, как правило, большие размеры. Микросхемы LTC4365 и LTC4367 не защищают цепь питания от перегрузки по току, поэтому при необходимости реализации этой функции следует использовать аналогичные микросхемы LTC4368 (рисунок 15), способные отключать источник питания при превышении как прямого, так и обратного тока.

Рис. 15. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4368 с защитой от перегрузки по току

Следует отметить, что для компактных устройств с небольшим напряжением питания, например, для питающихся от интерфейса USB смартфонов, цифровых камер и другого оборудования, лучше всего использовать специализированные решения, например, LTC4361 (рисунок 16). Эти микросхемы имеют диапазон рабочих напряжений 2,5…5,5 В, однако способны выдерживать входное напряжение, достигающее 80 В. При этом выходное напряжение ограничивается на уровне 5,8 В. В базовом варианте микросхемы LTC4361 обеспечивают защиту от пониженного и повышенного напряжений, а также перегрузки по току. При необходимости обеспечения защиты от обратного напряжения можно добавить внешний P-канальный полевой транзистор, для подключения которого предназначен отдельный вывод GATEP.

Рис. 16. Ограничитель напряжения для USB-устройств на основе микросхемы LTC4361

Обзор семейств защитных тиристоров Pxxx0FNL и Pxxx0ME

Pxxx0FNL – серия защитных тиристоров SIDACtor с пиковым импульсным током 3 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 300 А в сетях 50/60 Гц (таблица 2). Диапазон рабочих напряжений (VDRM) для Pxxx0FNL составляет 58…350 В. Все тиристоры данной группы выпускаются в корпусном исполнении TO-262M.

Таблица 2. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0FNL

Pxxx0ME – серия тиристоров с импульсным током 5 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 400 А в сетях 50/60 Гц. Представители семейства могут использоваться в диапазоне рабочих напряжений (VDRM) 140…450 В (таблица 3). Тиристоры Pxxx0FNL выпускаются в корпусном исполнении TO-218.

Таблица 3. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0ME

Если проанализировать характеристики данных семейств, то окажется, что они имеют несколько важных преимуществ перед другими элементами защиты от перенапряжений [1]:

• чрезвычайно малое напряжение в открытом состоянии по сравнению с газоразрядниками;
• минимальную разницу между рабочим напряжением и напряжением включения по сравнению с варисторами;
• высокое значение пиковых токов по сравнению с TVS-диодами;
• минимальную зависимость напряжения во включенном состоянии от тока по сравнению со всеми другими типами защитных элементов.

Рассмотрим особенности и примеры использования тиристоров SIDACtor.

Ограничение скорости нарастания тока di/dt

При наличии на тиристоре прямого напряжении в момент подачи управляющего импульса происходит открывание тиристора и через него начинает протекать ток. Этот ток начинает протекать в непосредственной близости от управляющего электрода и постепенно распространяется на всю площадь перехода. Поэтому если в начальный момент времени открытия тиристора скорость нарастания тока будет слишком велика, то его плотность вблизи управляющего перехода будет слишком высока, что вызовет перегрев, который может привести к выходу элемента из строя. Для того предотвращения подобных ситуаций скорость нарастания тока di/dt необходимо ограничивать. Поэтому в цепь анодную тиристора могут включатся небольшие реакторы. Для большинства тиристоров di/dt лежит в пределах 20-500 А/мкс.

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Типовая схема защиты устройства, питающегося от сети переменного напряжения, предполагает использование последовательного предохранителя и тиристора, включенного параллельно нагрузке (рисунок 5) [2]. В штатном режиме работы при отсутствии помех тиристор и предохранитель никак не влияют на работоспособность схемы. Как уже было сказано выше, при возникновении перенапряжения тиристор включается и переходит в проводящее состояние, близкое к короткому замыканию. Предохранитель необходим для защиты самого тиристора от перегрузки по току. Таким образом, схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузок по току при включении тиристора.

Рис. 5. Тиристорная защита устройства, питающегося от сети переменного напряжения [2]
В предложенной схеме предохранитель выбирается, исходя из максимального тока тиристора IТSM. Если необходимо обеспечить токовую защиту не только при включении тиристора, но и при возникновении КЗ на устройстве, применяют схему с двумя предохранителями (рисунок 6). Номинал предохранителя в цепи тиристора определяется по максимальному току IТSM, а предохранитель в цепи нагрузки выбирается с учетом максимального тока потребления нагрузки. При этом связка из тиристора и предохранителя обеспечивает защиту от перенапряжения не только для устройства, но и для второго предохранителя.

Рис. 6. Тиристорная схема защиты с дополнительным предохранителем [2]
На рисунке 7 представлена демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL.
Рис. 7. Демонстрационная тиристорная схема защиты на базе P3800MEL [2]
На рисунке 8а изображен отклик демонстрационной схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при отсутствии подключения к сети переменного напряжения. Оранжевым цветом показан импульс перенапряжения 3 кА 8/20 мкс, синим – отклик тиристора P3800MEL. Включение P3800MEL происходит при 272 В, после чего напряжение падает ниже 30 В.
На рисунке 8б показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Напряжение на тиристоре при включении падает ниже 10 В (осциллограмма синего цвета). Ток через тиристор достигает пикового значения 278 А (осциллограмма оранжевого цвета) и определяется во многом импедансом сети и мощностью источника питания. Стоит отметить, что указанный ток не способен повредить тиристор P3800MEL, так как не превышает максимально допустимого значения IТSM (50/60 Гц), равного 400 А (таблица 3).

Рис. 8. Отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]

Демонстрация работы защиты

Проведены лабораторные исследования прототипа и результаты показаны на графике. Перед активацией зажигания VIN превышает порог мониторинга 10 В, настроенный для канала A. Вывод UV LTC4368-2 подтягивается выше порога 500 мВ выводом OUTA LTC2966, что позволяет активировать путь питания и VOUT = VIN.

Полная нагрузка. Пуск машины

Во время запуска шина 12 В понижается до напряжения 6 В. Порог контроля падения напряжения (7 В) превышается, и OUTA немедленно отключает вывод UV LTC4368-2. LTC4368-2 в ответ подтягивает вывод GATE к низкому уровню, что вызывает отключение переключающего элемента и падение напряжения VOUT до 0 В. Гистерезис 3 В, запрограммированный резистивным делителем мониторинга напряжения, позволяет LTC2966 игнорировать пульсации на шине при включении стартера. В результате переключающий элемент остается выключенным до конца цикла запуска. Когда цикл запуска завершен, напряжение батареи восстанавливается до номинального значения превышающего пороговое значение 10 В. Вывод OUTA подтягивает вывод UV LTC4368-2 к питанию, и переключающий элемент снова подключается.

Типовая схема защиты на базе тиристоров SIDACtor

Тиристоры Pxxx0FNL и Pxxx0ME могут использоваться совместно с варисторами [2]. Такое решение дает целый ряд преимуществ. В частности, при их последовательном включении удается достичь малого напряжения ограничения. Поясним это на конкретном примере.

На рисунке 9 представлена защитная цепочка, состоящая из тиристора P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, варистора V20E130P с рабочим напряжением 130 В и предохранителя. Данная схема обеспечивает защиту от перенапряжений и перегрузки по току.

Рис. 9. Схема защиты с низким напряжением ограничения на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P [2]
На рисунке 10а представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА (8/20 мкс) без подключения к сети переменного напряжения. Как видно из диаграммы, напряжение ограничения составило 425 В, что значительно выше, чем напряжение тиристора P2300MEL в открытом состоянии (менее 30 В). Это достаточно ожидаемый результат, так как итоговое напряжение ограничения складывается из напряжения ограничения варистора и напряжения тиристора в открытом состоянии. Если бы для защиты использовался только варистор, то напряжение ограничения было бы гораздо выше. Действительно, для сетевого напряжения 240 В пришлось бы выбрать варистор V20E275P, для которого напряжение ограничения превышает 900 В. Очевидно, что не каждое устройство способно сохранить работоспособность даже при кратковременном воздействии такого импульса.
Снижение напряжения ограничения является далеко не единственным преимуществом комбинированной схемы. На рисунке 10б представлен отклик рассматриваемой схемы на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. Пиковый ток в цепи тиристора при включении защиты составил 42,3 А, что значительно меньше, чем при использовании одиночного тиристора (278 А, рисунок 9). Более того, связка из варистора и тиристора отличается гораздо более низким током утечки по сравнению с одиночным варистором, а это позволяет значительно продлить срок службы варистора.

Рис. 10. Отклик схемы защиты на базе тиристора P2300MEL и варистора V20E130P на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс: а) без подключения к сети; б) при подключении к сети [2]
Кроме обычных варисторов, компания Littelfuse выпускает и варисторы со встроенным термопрерывателем, который размыкает цепь при разогреве, тем самым увеличивая срок службы варистора. При использовании такого компонента комбинированная схема защиты останется практически без изменений (рисунок 11).

Рис. 11. Схема защиты на базе тиристора и варистора с тепловой защитой [2]
Применение тиристора позволяет значительно улучшить традиционную варисторную схему. Такое решение востребовано не только при защите устройств, подключаемых к бытовой сети, но и в схемах заряда аккумуляторов в электромобилях и автомобилях с гибридной силовой установкой, в двух- и трехфазных инверторах напряжения в источниках питания, в инверторах для солнечных батарей.
Не стоит забывать, что тиристор имеет ограничение по пиковому току, и в ряде случаев в схеме требуется предусмотреть дополнительный предохранитель.

Подведём итоги

Использование специализированных устройств может упростить реализацию схем безопасности в автомобилях. С минимальным количеством дополнительных цепей, микросхемы LTC2966 и LTC4368-2 были объединены для обеспечения точной, надежной и универсальной защиты от перенапряжения. А гибкость этих устройств позволяет настраивать их для использования во многих типах бортовых сетей авто. В простейшем же случае можно применить вот такую самодельную схему защиты, хотя конечно дорогое автомобильное оборудование и бортовой компьютер требуют более профессионального подхода.

Расчет предохранителя для защиты тиристора от перегрузки по току

Исходя из логики работы схемы, предохранитель должен выдерживать суммарный ток сети и импульса 3 кА 8/20 мкс, но включаться до того как будет превышено допустимое для тиристора значение. В этом случае предохранитель будет разрывать цепь только в тех случаях, когда необходимо защитить тиристор. Выбор предохранителя удобнее всего делать с учетом величины I²t.

Рассмотрим конкретный пример выбора предохранителя для представленной выше комбинированной схемы (рисунок 9) [2].

Для импульса тока 3 кА 8/20 мкс величина I²t может быть оценена с использованием пиковых значений тока:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·3000·3000·20·10-6 = 90 A²c.

Для составляющей тока сети:

I²t = ½·Ipeak·Ipeak·t = ½·43·43·0,01 = 9,245 A²c.

Суммарное значение I²t: 90 A²c + 9,245 A²c = 99,245 A²c.

Далее необходимо учесть фактор снижения I²t при воздействии серии импульсов. Например, при воздействии 100 000 импульсов следует использовать коэффициент 0,22 (рисунок 12). Для защиты от перенапряжений обычно речь идет о десятках импульсов и коэффициенте 0,48.

Таким образом, для предохранителя рейтинг I²t должен быть больше, чем 99,245/0,22 = 451 A²c.

Рис. 12. Снижение I²t при воздействии серии импульсов

Для выбранного тиристора значение тока IТSM (50/60 Гц) составляет 400 А (таблица 3). Тогда максимальная величина I²t равна ½·400·400·0,01 = 800 A²c.

Очевидно, что расчетное значение I²t 451 A²c меньше, чему у выбранного тиристора (800 A²c). Таким образом выбор предохранителя из диапазона 451…800 A²c гарантирует защиту тиристора от перегрузки по току и отсутствие ложных срабатываний.

Для проверки выбора MOV необходимо вычислить энергию импульса. В нашем случае это (1/√2)·U·I·t = 0,71·250·3000·20·10-6 + 0,71·250·43·0,007 = 10,65 + 53,43 = 64,08 Дж.

Для используемого варистора V20E130P допустимая энергия оказывается выше и составляет 100 Дж.

В итоге предохранитель с рейтингом 250 В AC и с I²t на уровне 451 A²c не будет влиять на работу схемы в штатном режиме, но защитит тиристор при возникновении помехи. Компания Littelfuse предлагает несколько моделей предохранителей, отвечающих предъявляемым требованиям (таблица 4).

Таблица 4. Модели предохранителей Littelfuse с рейтингом I²t более 451

Пример расчета цепей ограничения di/dt и du/dt

Для регулирования выделяемой на резисторе мощности используют тиристор. Необходимо определить параметры защитных цепей. Uc = 400В, di/dt = 50 А/мкс, du/dt = 200 В/мкс. Схема показана ниже:

Итак, мы знаем, что напряжение на конденсаторе не меняется мгновенно, а также то, что полупроводниковый элемент имеет довольно большое внутреннее сопротивление в зоне низкой проводимости. Поэтому при замыкании Q схему можно заменить на эквивалентную:

Уравнения напряжений будут иметь вид:

Откуда:

Где Rш – сопротивление резистора в шунтирующей цепи.

Из предыдущей формулы следует, что di/dt будет иметь максимальное значение при i = 0:

Отсюда:

Напряжение на тиристоре:

Продифференцировав это уравнение по времени получим:

Или:

Выполнив преобразования получим:

Таким образом:

Если сопротивление Rш будет слишком малым, то это приведет к довольно большим потерям в нем. Из схемы выше можно увидеть, что в момент замыкания ключа Q абсолютно все напряжения источника питания до открытия тиристора будет приложено к конденсатору С. Это приведет к тому, что в момент открытия вентильного ключа произойдет резкий бросок тока, и его пиковое значение будет тем выше, чем меньше будет значение сопротивления Rш. Таким образом, сопротивление Rш может быть достаточным (с точки зрения токового ограничения), но слишком большим для ограничения du/dt. Емкость Сш, в свою очередь, то же выбирают небольшой, для того что бы предотвратить выход вентиля из строя при его открытии. Довольно частые значения Rш и Сш составляют 10 Ом и 0,1 мкФ. При известном значении Rш можно найти индуктивность реактора L:

Схемная защита

Защиты, рассмотренные выше, не всегда могут обеспечить должный уровень защиты. Для организации защиты тиристорных преобразователей может использоваться большое количество схемных решений. Самое распространенное из них – блокировка импульсов управления. Также могут использовать дополнительный параллельный тиристор, который будет шунтировать основной до срабатывания основной защиты (автоматический выключатель).

Возможна схема с емкостным гасящим устройством, применима для инверторов с аварийным режимом при включении элементов одного плеча. Применима для инверторов с реверсом тока, состоит из конденсатора обладающего небольшой емкость, включенного сразу реактором фильтра. При одновременном включении двух элементов ток переводится в гасящий конденсатор, и полуволна отрицательная, которая образуется в колебательном LC контуре запрет тиристоры. Ну и, соответственно, параметры реактора и конденсатора подбирают таким образом, чтоб образованные в данном контуре токи не превысили допустимые токи элементов. Предохранитель не должен перегорать при каждом импульсе тока. Более того, данный контур может применяться и как коммутирующий.

Защита от аварийных токов

Полупроводник имеют относительно небольшую теплоемкость, поэтому они довольно плохо переносят перегрузку, работу при импульсных токах, а также краткосрочные броски тока. Для обеспечения защиты от таких режимов используют старые добрые проверенные методы, а именно – автоматические выключатели и плавкие предохранители. Автоматические выключатели обеспечивают защиту от перегрузок, а плавкие предохранители от коротких замыканий КЗ. Время срабатывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защищаемых элементов. Также самым важным фактором должно быть отключение прибора от сети при возникновении аварийных ситуаций до его выхода из строя. Именно исходя из этого условия и подбирают защитную аппаратуру.