Elementy zabezpieczające przeciwprzepięciowe

Transkrypt

1 Elementy zabezpieczające przeciwprzepięciowe Warystory metalowo-tlenkowe Parametry MOV = Metal-Oxide Varistor opornik o rezystancji zależnej od prądu dwukierunkowe, symetryczne niski koszt dobre odprowadzanie ciepła odporne na rzadkie impulsy, ale ulegają stopniowej degradacji maksymalny prąd upływu (A) maks. napięcie ograniczenia (B) maks. wytrzymywany jedno razowy prąd przeciążenia (C) Tryb uszkodzenia zwykle zwiera jednak źle dobrany rozwiera 56

2 Elementy zabezpieczające przeciwprzepięciowe (cd.) Dioda Zenera Diodowy tłumik przepięć przebicie Zenera (niskie U) jednokierunkowe TVS = Transient Voltage Suppressor, transil, transorb, zener przebicie lawinowe jedno- lub dwukierunkowe krótki czas reakcji mała rezystancja różniczkowa Tryb uszkodzenia struktura półprzewodnikowa zwykle zwiera połączenia wewnętrzne rozwierają 57

3 Stosowanie tłumików diodowych i warystorów Lokalizacja obwód sterowania obwód mocy zasilanie urządzenia oraz wisząca bramka + zaburzenia [ UZ ; +UZ] Włączanie w układ [ UF ; +UZ] równolegle do zabezpieczanego przyrządu / podobwodu wymagana mała indukcyjność pasożytnicza czas reakcji napięcie szczytowe Ważne parametry moc, energia, prąd impulsu wartości powtarzalne / niepowtarzalne / jednorazowe tryb uszkodzenia: zwarcie (zwykle pożądane) / rozwarcie 58

4 Charakterystyki statyczne tłumików diodowych i warystorów Ograniczenie napięcia Szybkość działania zbliżona lub diody szybsze często decyduje impedancja obwodu Prąd upływu (@ Unom) warystory w ograniczonym zakresie prądu diody napięcie silnie zależy od prądu, tj. obwodu zewnętrznego decyduje o stratach mocy poza stanem przepięciowym warystory mniejszy (do 100x) Pojemność warystory większa przydatna w obwodach DC niekorzystna w HF 59

5 Dynamika tłumików diodowych i warystorów 60

6 Zabezpieczenia przeciw odwrotnej polaryzacji napięcia w układach stałoprądowych Szeregowy bezpiecznik ujemne napięcie wejściowe powoduje załączenie transila napięcie na podzespole ujemne, ale niskie UF transila warystor wykluczony mała rezystancja bezpiecznika duży prąd przepalenie rozwarcie obwodu transil musi wytrzymać wydzieloną energię cieplną Szeregowa dioda blokuje przepływ prądu zerowe napięcie na podzespole transil mniejszej mocy przy poprawnej polaryzacji większy spadek napięcia na diodzie niż na bezpieczniku 61

7 Zabezpieczenie zwierające (crowbar) Działanie po przekroczeniu napięcia Zenera tyrystor zostaje załączony zwierając zasilanie przepalenie bezpiecznika lub zadziałanie ograniczenia prądowego w źródle Właściwości działa dla polaryzacji dodatniej spadek napięcia na tyrystorze niższy niż na diodzie Zenera mniejsza moc strat dioda Zenera małej mocy wrażliwy na krótkie impulsy ryzyko uszkodzenia tyrystora przy wolno narastającym napięciu lokalna gęstość prądu przy łagodnym zboczu ig 62

8 Zabezpieczenie zwierające (cd.) Sterownik scalony MC3423 optymalne wyzwalanie tyrystora programowalne opóźnienie (0,5 µs 1 ms) możliwość ignorowania krótkich impulsów szeroki zakres napięć wejście aktywacji zewnętrznej wyjście informacyjne Pojemności w układzie załączenie tyrystora powoduje ich rozładowanie przetężenie w tyrystorze uszkodzenie poprzez stromość prądową, wartość szczytową, wydzieloną energię 63

9 Właściwości zabezpieczeń niskonapięciowych (< 1000 V) 64

10 Diodowy aktywny tłumik przepięć Przekroczenie napięcia przebicia zenera powoduje przewodzenie prądu Energia ulega rozproszeniu w tranzystorze wprowadzonym w stan przewodzenia napięcie przebicia < tranzystora powoduje to załączenie tranzystora bardziej równomierny rozkład gęstości prądu niż w stanie przebicia lawinowego mniejsza moc chwilowa niższe napięcie przebicia mniejsze zagrożenie uszkodzeniem cieplnym Układ ulepszony część sygnału podana poprzez bufor mniejszy prąd DZ moc strat 65

11 Stany nadprądowe Przekroczenie określonej (zwykle dopuszczalnej) wartości prądu Na przykładzie IGBT: Przetężenie praca w zakresie nasycenia IC, UCE narzucone przez tranzystor podwyższone UCE(on) = UCE(sat) Zwarcie wejście w zakres aktywny IC, UCE narzucone przez obwód wysokie UCE(on) ~ UCE(off) 66

12 Przyczyny zwarć w przekształtnikach Uszkodzenie tranzystora lub diody Zwarcie w połączeniach lub przebicie w odbiorniku Błędne działanie lub zakłócenie obwodu sterowania 67

13 Zabezpieczenia nadprądowe Jednorazowe po zadziałaniu wymagają wymiany lub ręcznego wyzerowania najczęściej: bezpieczniki topikowe dość prymitywne mało interesujące Automatyczne wielokrotnego użytku automatycznie gotowe do ponownego zadziałania po ustąpieniu stanu awaryjnego wykorzystują elementy elektroniczne możliwa integracja z układami sterowania możliwa generacja sygnałów informujących układ sterowania wysokiego poziomu o wystąpieniu stanu awaryjnego stosowane metody detekcji stanu nadprądowego: bezpośredni pomiar prądu w obwodzie (de facto zawsze pomiar napięcia) pośrednie pomiar napięcia na łączniku półprzewodnikowym 68

14 Detekcja przekroczenia prądu w obwodzie Metoda bezpośrednia Boczniki Przekładniki prądowe straty mocy trudne dla tranzystorów górnych brak wbudowanej izolacji konieczny wzmacniacz różnicowy zmienny, często wysoki potencjał odniesienia transformatory tylko składowa przemienna czujniki Halla składowa stała wysoki koszt Lokalizacja najwyższa precyzja: ④, ③ 69

15 Detekcja przekroczenia prądu na tranzystorze Metoda pośrednia przez monitoring napięcia głównego przyrządu Działa dla stanu zwarcia (nie przetężenia) wyraźny wzrost napięcia dobra zarówno dla układów AC jak i DC IGBT: wyjście z nasycenia (desaturacja) brak precyzyjnego progu prądowego rozrzut i przebieg charakterystyk Przetwarzanie sygnału konieczność dezaktywacji w stanie wyłączenia tranzystora konieczny margines czasu opóźnienie zadziałania skomplikowane układy przetwarzania sygnału ale łatwa realizacja scalona 70

16 Implementacja sterownik scalony MC3315 realizacja na elementach dyskretnych 71

17 Implementacja (cd.) rodzina sterowników IGBT 1SD418Fx do 3300 V 4500 V i 6500 V 72

18 Tranzystory z wyprowadzeniem pomiarowym Część komórek podłączona jest do osobnego wyprowadzenia Bocznik pomiarowy małe straty mocy mniejsze zaburzenia możliwa duża rezystancja wyższy SNR Wyprowadzenie napięciowe źródła (Kelvin) stosunek ~1:1000 isense mały większa dokładność pomiaru napięcia na boczniku (bez spadku napięcia od isource) Proste zabezpieczenie prądowe wyłącza tranzystor, gdy Vsense > Vref 73

19 Tranzystory z wyprowadzeniem pomiarowym (cd.) Dokładność rozrzut R, wpływ T zależy od dzielnika dobra przy Rsense / RDM(on) 1 wyprowadzenie Kelvin eliminuje wpływ Rground gdy Rground ~ Ra(on) Zbyt małe Usense układ z wirtualną masą wynik zależy wprost od współczynnika podziału prądu n dwubiegunowe zasilanie, Usense<0 74

20 Zabezpieczenia scalone Większa szybkość działania Mniejsze gabaryty Zintegrowane podobwody zasilające Mniejsza wrażliwość na warunki i zaburzenia zewnętrzne 75

21 Tłumiki Zadania spowolnienie narastania ograniczenie wartości szczytowej zmniejszenie oscylacji redukcja zaburzeń zmniejszenie strat dynamicznych nie zawsze realizowane wszystkie naraz Topologie Wielkości napięcie wyłączanie kondensator prąd załączanie cewka zwykle negatywny wpływ na drugi z procesów (być może w innym łączniku) pasywne wykorzystanie tylko elementów R, C, D, L (K, T) stratne cała energia zgromadzona w elementach pasożytniczych jest tracona w elementach tłumika i przekształtnika bezstratne (w praktyce: mniej stratne) część energii trafia na wyjście aktywne drogę przepływu energii z elementów pasożytniczych wyznaczają dodatkowe tranzystory przełączane w odpowiednich momentach 76

22 Najprostszy tłumik napięciowy RC Typowy obwód aplikacyjny dla głównej indukcyjności obciążenia Lo skutecznie działa dioda gasząca D0 jednak może nadal występować dodatkowa indukcyjność Ls indukcyjność pasożytnicza tłumik prądowy RL która generuje przepięcie podczas wyłączania Q wchodzi w rezonans z pojemnością wyjściową Q oscylacje Efekty działania zmniejsza du/dt moc strat, zaburzenia tłumi oscylacje napięcia przy wyłączaniu zaburzenia zmniejsza upk bezpieczeństwo napięciowe, moc strat D0 D0 C1 Q 77

23 Najprostszy tłumik napięciowy RC (cd.) Zasada działania energia zgromadzona w Ls trafia do C1 odkłada się na nim dodatkowe napięcie względem występującego na tranzystorze w stanie ustalonym UQ,of napięcie na tranzystorze osiąga wartość 2 W Ls U Q(pk)=U C1(pk)=U Q,of + C1 opornik R1 tłumi obwód rezonansowy Ls Cout Warunki optymalnego działania tłumienie krytyczne: R 1 R ch = Lr / C r Ls / C out C1 > Cr C1 (2 5) Cout Droga przepływu energii wyłączanie C1 przez R1 załączanie Q przez R1 w całości tracona w R1 i Q tłumik jest stratny Moc strat w oporniku (zawyżona) P R1 2W C(pk) 2 = f s C 1 U C1(pk) Ts w każdym takcie WC(pk) przepływa przez R1 2 razy skuteczny tłumik UC(pk) UQ,of D0 Q Cout C1 opornik niskoindukcyjny 78

24 Stromościowy tłumik RCD (stratny) Działanie D1 przejmuje prąd Io od Q U C1= C1 ładowany do chwili, gdy UC1 > Us załącza się D0 przy załączaniu rozładowanie C1 przez R1 i Q zmniejsza du/dt nie tłumi oscylacji, gdyż podczas wyłączania R1 zwarty przez D1 Us D0 Io Q C1 Io t Iot ru = C 1= C1 C1 Us tru czas narastania napięcia założenie projektowe Opornik Efekt Kondensator konieczne pełne rozładowanie C1 w czasie przewodzenia Q D min 3 τ R1C1 <D min T s R 1 < 3 C1 f s moc strat mniejsza niż dla RC W C1(pk) 1 2 P R1 = = 2 f s C 1 U C1(pk) Ts indukcyjność mało istotna Dioda szybsza niż Q, D0 79

25 Działanie typowych zabezpieczeń napięciowych 80