Методы защиты от помех

Взаимная связь и влияние силовой и информационной частей преобразователя требуют уделять особое внимание вопросам защиты от генерируемых помех. При коммутационных переключениях в силовой схеме скачки токов и напряжений приводят к генерации помех с частотами в диапазоне до нескольких мегагерц, которые могут нарушать работу систем управления и приводить к электрическим перегрузкам [6]. Причины сбоев в работе самой информационной части зачастую просто не удается обнаружить. Поэтому основные методы борьбы с помехами переносятся на вопросы обеспечения соответствующих конструктивных особенностей построения схемы. Во-первых, очень важно обеспечить минимально возможные паразитные индуктивности при монтаже силовой части схемы, на которых и происходят скачки импульсных помех по напряжению. Монтажные проводники должны по сечению соответствовать амплитуде силового тока, но увеличение сечения ведет к росту паразитной индуктивности Ls. Приведем несколько примеров влияния паразитной индуктивности схемы. Проводник длиной 20 см, рассчитанный по сечению на силовой ток 10 А, имеет паразитную индуктивность Ls = 200 нГн. При скорости изменения силового тока 400 А/мкс, характерной для современных ключевых транзисторов, это приводит к всплеску напряжения \/= 80 В. Если проводник той же длины имеет петлевую форму, паразитная индуктивность увеличивается примерно в 2.5 раза. При работе силового ключа с частотой 20 кГц в проводнике с петлевой формой запасается энергия: 0.5 LsIf2 = 0.5Bt.

В целом это небольшая величина дополнительных потерь, если полная мощность в нагрузке больше на несколько порядков. При переходе к величине тока нагрузки 100 А паразитная индуктивность растет, так как увеличивается сечение проводника. Поскольку величина Ls пропорциональная корню квадратному из амплитуды силового тока, новое значение паразитной индуктивности можно оценить как равное

Таблица 3.1. Рекомендуемые предельные величины паразитных

индуктивности монтажа силовой схемы

Рис. 3.6

Для данной индуктивности величина запасаемой энергии увеличивается более чем в 300 раз:

0.5Ls I_F²≈158Bт.

Столь значительное увеличение паразитной энергии требует как можно большего снижения величины Ls. В Табл. 3.1 приводятся значения допустимых величин паразитных индуктивностей силовых шин L_S1, а также паразитных индуктивностей дополнительных защитных цепочек (снабберов) L_S2 в зависимости от величины нагрузочного тока (рис. 3.6).

Уменьшение паразитных индуктивностей достигается применением специальных проводников и конструкций монтажных соединений. В качестве проводящих соединений рекомендуется использовать на токи менее 100 А многожильные проводники, которые позволяют выполнить монтаж основных узлов силовой схемы с уменьшением электромагнитных помех, генерируемых в процессе работы схемы.

Основной принцип данного монтажа заключается в том, что соединение всех элементов, в которых удается выделить контур втекания и вытекания тока, осуществляется скрученными парами проводников, например, как это показано на рис. 3.7.

При более высоких уровнях тока используют проводники в виде металлических пластин (на токи 150...300 А) или специальные монтажные платы, проводящие слои которых разделены слоями изолирующих материалов (пластмассовые пластины). Чтобы выполнить данные соединения с минимальной длиной и индуктивностью, фильтрующие конденсаторы рекомендуется размещать непосредственно над модулями силовых ключей (рис. 3.8). После проведения монтажа силовой части схемы с минимальными паразитными индуктивностями осуществляют доработку конструкции на предмет уменьшения влияния помех на каналы информационных сигналов, подходящие к полупроводниковым ключам. С этой целью разделяют гальваническую связь между драйверами силовых ключей и основными токоведущими шинами схемы, уменьшают индуктивную связь между проводниками, а также емкостную связь между цепями, относящимися к различным частям преобразователя. Рассмотрим данные рекомендации на практических примерах.

а б

Рис. 3.7

Рис. 3.8

На рис. 3.9 показана трехфазная мостовая схема, в которой имеется непосредственная гальваническая связь между общей шиной силовой схемы и шиной драйверов управления. Как уже отмечалось в предыдущей главе (см. раздел 4.2), в данной конструкции с ростом тока нагрузки увеличивается перепад потенциалов вдоль силовой шины, что приводит к циркуляции паразитного тока в контуре гальванической связи. Это может нарушить работу драйверов преобразователя и привести к повреждению силовых ключей. Одним из методов устранения паразитной связи является применение изолированного питания драйверов по отношению к общей точке силовой схемы. На токи нагрузки до 200 А возможно объединение общих точек драйверов для ключей нижней катодной группы, что уменьшает общее количество изолированных источников питания (рис. 3.10).

Для токов нагрузки более 200 А рекомендуется применение изолированного источника для каждого силового ключа (рис. 3.11). Это ведет к удорожанию преобразователя и усложнению схемы управления, но все затраты окупаются надежным функционированием всей системы.

Для исключения влияния индуктивных наводок от близкорасположенных силовых проводников рекомендуется схему драйвера располагать в непосредственной близости от входной цепи силового ключа.

Рис. 3.9

Рис. 3.10

Рис. 3.11

При невозможности подключения драйвера прямо к входу ключа используют витые пары проводников, однако их длина не должна превышать 5...7 см. При использовании ключей модульной конструкции следует избегать индуктивных наводок в контуре, образованном между общей точкой ключа и драйвера, как это показано на рис. 3.12.

Уменьшения влияния индуктивных наводок можно добиться минимизацией площадей соединительных контуров (рис. 3.13). Аналогичные методы применяются к соединительным цепям между преобразователем и нагрузкой, при которых минимизируется площадь контуров связи.

Поскольку драйвер располагается рядом с силовым ключом, необходимо грамотно провести соединение между удаленной логической схемой управления и входной схемой драйвера.

Рис. 3.12 Рис. 3.13

Рис. 3.14

Как правило, по данному проводнику передается информационный сигнал на светоизлучающий диод входного развязывающего оптрона. Несмотря на потенциальную развязку цепей, между проводниками действует емкостная паразитная связь, которая проявляется как напряжение между линией передачи и шиной заземления драйверов (рис. 3.14). Паразитную емкостную связь можно уменьшить следующими способами: близкое расположение пары сигнальных проводников, что достигается их скручиванием; возможно большее их удаление от силовых шин — источников помех; экранирование сигнальных проводников. Экран должен быть изолирован от проводящей линии и заземлен лишь с одной стороны, чтобы исключить протекание токов паразитной обратной связи. Заземление экрана проводят на конце линии передачи, связанной со светоизлучателем, поскольку данная точка соответствует наибольшей паразитной емкости проводника по отношению к силовой шине. Так как паразитная наводка действует синфазно на оба сигнальных проводника, используют также дифференциальное усиление входного сигнала. При этом, однако, требуется работа выходных усилителей оптронов в активном режиме. Варианты ослабления емкостной связи показаны на рис. 3.15.

а б

в

Рис. 3.15