Защита силовых ключей от режимов короткого замыкания

Пассивные методы защиты, рассмотренные в предыдущем разделе, помогают силовым ключам в переходных процессах токовой перегрузки. Однако важной задачей является также определение момента начала возможного процесса длительной токовой перегрузки. Частично эти задачи возлагаются на дополнительные элементы защиты в виде плавких предохранителей и автоматов отключения питания [6]. Однако быстродействие данных устройств составляет единицы, а то и десятки миллисекунд, что для многих типов силовых ключей является катастрофично долгим. Очевидно, что методы быстродействующей защиты микросекундного диапазона действия должны основываться на электронных схемах. Частично эти функции возлагают на драйверы современных силовых ключей.

При токовой перегрузке силовой ключ должен оставаться в границах короткозамкнутой ОБР в течение всего периода запирания. Для транзисторных приборов данная характеристика приводится в справочных данных, для тиристорных ключей учитывают параметры ударного тока и защитного показателя (см. главу 3). Контроль режима перегрузки осуществляют либо с помощью датчиков тока, либо по выходному напряжению ключа. Для биполярных транзисторов возможен также контроль напряжения входной цепи, поскольку напряжение на переходе база—эмиттер увеличивается с ростом тока нагрузки (рис. 3.36).

Применение контроля входного напряжения ограничено отдельным типом силового ключа. Недостатки свойственны также вариантам на основе датчиков тока:

1. Применение последовательных резисторов приводит к дополнительным потерям и перегреву элементов, что снижает надежность схемы. Кроме этого, необходимо учитывать, что требуются резисторы относительно большой мощности и с низкой собственной индуктивностью.

2. Импульсные трансформаторы тока относительно дороги и нетехнологичны и требуют дополнительного контроля за состоянием магнитного насыщения.

По указанным причинам наибольшее применение находят схемы контроля, анализирующие уровень выходного напряжения открытого ключа.

Структурная схема, реализующая данный вариант, показана на рис. 3.37. Элементом контроля выходного напряжения ключа является импульсный диод, включенный между одним из входов компаратора схемы контроля и выходной точкой силового ключа.

а б в

Рис. 3.36

Рис. 3.37

В нормальном режиме работы данный диод находится в открытом состоянии, а его катод через открытый ключ соединяется с общей шиной драйвера управления. В режиме перегрузки по току выходное напряжение силового ключа увеличивается, что приводит к запиранию контролирующего диода. При этом на выходе компаратора появляется импульс, который через логическую схему «И» поступает на вход элемента памяти (триггера). После переброски выходного уровня триггера соответствующие информационные сигналы поступают в схему драйвера для отключения импульсов управления и в дополнительные каналы для индикации режима перегрузки, а также в таймерную систему, обеспечивающую через определенный промежуток времени переустановку всех элементов системы в исходное состояние. Снятие импульсов управления в течение допустимого промежутка времени, определяемого аварийной ОБР, является одним из простейших способов защиты ключей. При этом следует учитывать тот факт, что в ключах транзисторного типа происходит прерывание силового тока повышенной амплитуды, что может сопровождаться серьезным перенапряжением, как в выходной, так и во входной цепи прибора. И следует учитывать все те рекомендации, какие были приведены в предыдущих разделах по пассивным схемам защиты. В ключах тиристорного типа выключение из аварийного режима производят не по цепи управления, а с помощью дополнительных устройств отключения силового тока. Для современных силовых ключей, управляемых по цепи изолированного затвора, используются также методы регулируемого выхода из режима токовой перегрузки. Данные методы основаны на зависимости амплитуды токовой перегрузки и длительности возможного пребывания в режиме короткого замыкания от управляющего напряжения (рис. 3.38).

Анализ представленных зависимостей показывает, что уменьшение управляющего напряжения со стандартного уровня 15 В до 8... 10 В позволяет эффективно уменьшать аварийный ток в несколько раз при двух-трех-кратном расширении допустимого времени перегрузки. На рис. 3.39 показана осциллограмма изменения формы аварийного тока ключа при увеличении длительности интервала перегрузки. Как видно, выключение во втором случае происходит с меньшей амплитуды силового тока, что уменьшает всплеск перенапряжений.

а б

Рис. 3.38

Рис. 3.39

Поэтому системы защиты силовых ключей, встраиваемые в драйверы, используют следующие методы снятия управляющего воздействия:

1. Мгновенное отключение импульса управления в течение заданного интервала времени после поступления сигнала о перегрузке.

2. Ступенчатое уменьшение амплитуды импульса управления с 15 В до 8...10 В при перегрузке с последующим отключением до нулевого уровня по прошествии максимально разрешенного временного интервала.

3. Плавное снижение амплитуды импульса управления в оптимальном временном интервале для уменьшения амплитуды тока короткого замыкания.

Структурная схема драйвера типа M57962L фирмы «Mitsubishi Electric» для управления мощными IGBT, которая реализует третий из перечисленных вариантов защиты при токовой перегрузке, представлена на рис. 3.40. Дополнительно к уже рассмотренному варианту определения режима перегрузки (см. рис. 3.37) в данной структуре представлен блок таймерной схемы и блок плавного отключения сигнала управления.

Рис. 3.40

Более полное представление о работе системы в режиме короткого замыкания позволяет получить алгоритм взаимодействия структурных частей схемы, показанный на рис. 3.41.

Дадим краткие пояснения к основным блокам алгоритма:

1. Начало контроля режима токовой перегрузки. Для правильной организации режима контроля предварительно необходимо настроить систему по уровню срабатывания защиты и времени задержки до начала контроля. Некоторые драйверы допускают регулировку уровня срабатывания защиты, если они предназначены для использования с силовыми ключами, имеющими разное напряжение насыщения. Время задержки начала контроля необходимо для установления параметров драйвера при пусковых режимах, а также для полного установления напряжения на открытом ключе в переходном процессе включения (рис. 3.42). Изменение параметров защиты осуществляется внешними дополнительными элементами (резисторы конденсаторы), подключаемыми к специальным выводам драйвера.

2. Определение режима перегрузки. Функции данного блока уже были рассмотрены ранее (см. рис. 3.37).

3. Плавное отключение входного сигнала. Запуск таймера и индикация режима перегрузки. Запуск таймера производится на относительно большой интервал времени 1...2 мс, в течение которого должны сработать все остальные системы защиты, если аварийная перегрузка действительно носит серьезный характер. Индикация режима перегрузки осуществляется подключением внешней цепи, как правило, на основе оптопар. Работа данного блока защиты демонстрируется на рис. 3.43.

Рис. 3.41

4. Окончание таймерного периода.

5. Проверка присутствия логического входного сигнала в схеме драйвера. Если данные сигналы сняты, происходит переход к следующему блоку алгоритма.

6. Перезагрузка всех элементов защиты драйвера, т.е. установка исходного состояния для очередного режима контроля. Для наглядного примера на рис. 3.44 показаны осциллограммы напряжения на основных выходных клеммах драйвера (выходная цепь управляющего сигнала и на входе цепи контроля перегрузки), а также переходный процесс в силовом ключе в режиме защиты от токовой перегрузки.

Рис. 3.42

а б

Рис. 3.43

а б

Рис. 3.44

Амплитуда токовой перегрузки в режиме короткого замыкания IGBT типа СМ100DY-12E составила 650 А. Отключение аварийного тока произведено в течение времени менее 4 мкс при относительно небольшом всплеске в выходной цепи ключа (несколько десятков вольт).

Драйверы, предназначенные для управления силовыми ключами в мостовых схемах, осуществляют также контроль за временем перекрытия при совместной работе приборов одного плеча, что эквивалентно режиму короткого замыкания. Реализация данной функции показана на рис. 3.45.

Следует заметить, что время задержки подачи импульса управления на очередной ключ можно также изменить подключением дополнительного резистора к специальным выводам драйвера.

Рис. 3.45