УСТРОЙСТВО БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО КЛЮЧА

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы быстродействующей защиты силового ключа ИВЭ в режиме короткого замыкания (КЗ).
Уровень техники
При подключении преобразователя к импульсной нагрузке, например к энергоемкой процессорной системе, имеющей колебания нагрузки с частотой значительно большей рабочей частоты преобразователя возможен резкий наброс или сброс нагрузки, что может привести к значительным броскам выходного напряжения преобразователя, приводящим к сбоям процессорных систем. Что бы избежать подобных явлений, рядом с энергоемкими потребителями устанавливаются накопительные емкости, достигающие значений нескольких сотен тысяч микрофарад, что в свою очередь требует от преобразователя кратковременную работу в режиме КЗ при включении энергоемких потребителей, т.е. появляются специальные требования к преобразователям.
Одним из таких требований является защита силового ключа от выбросов входного тока в режиме кратковременного КЗ.
Известно устройство (патент US 6760203 «Switching power supply with overcurrent protection» с датой приоритета от 27.06.2002 г., МПК H02M 3/335, H02M 3/28) в котором помимо стандартной реализации управления затвором силового транзистора по сигналам обратной связи реализуется схема отключения управляющей микросхемы при обнаружении перегрузки по току с последующим перезапуском управляющей микросхемы. Ток, протекающий через ключевой транзистор 5, заряжает конденсатор 11, который открывает транзистор 12 и таким образом способствует снижению уровня напряжения питания микросхемы с последующим ее отключением.
К недостаткам данного устройства относится отсутствие возможности ограничивать ток, протекающий через ключевой транзистор 5, в режиме короткого замыкания в каждом такте преобразования.
Известно устройство (патент US 7015680 «Current-limiting circuitry», дата приоритета 10.06.2004 г., МПК G05F 3/04, G05F 1/569, G05F 1/565), в котором при превышении критического значения тока в нагрузке 290, протекающего через резистор RS2, производится аварийное отключение управляющего вывода затвора транзистора Q282 в каждом такте преобразования.
К недостаткам данного устройства относится наличие у микросхемы управления 200 специального дополнительного токового входа, что в реальных микросхемах управления PWM встречается крайне редко.
Известно устройство (патент CN 202888788 «Overcurrent protection circuit and switching power supply», дата приоритета 08.11.2012 г., МПК H02H 7/12, H02H 3/08), в котором при превышении током критического значения, напряжение на резисторе увеличивается до значения напряжения пробоя диода Z1, производится открытие транзистора Q1 и на вход управляющей микросхемы ICEN поступает сигнал отключения.
К недостаткам данного устройства относится отсутствие возможности ограничивать ток в режиме короткого замыкания в каждом такте преобразования.
Известно устройство (заявка на полезную модель RU 2013138954 «Устройство с быстродействующей обратной связью», дата приоритета 20.08.2013 г., МПК H02M 3/335, H03K 17/689), в котором производится формирование в каждом такте преобразования быстродействующей суммарной ОС по входному току и выходному напряжению для уменьшения длительности переходных процессов при набросе/сбросе нагрузки, а также уменьшение амплитуды пульсации выходного напряжения при сохранении высокой точности стабилизации выходного напряжения.
К недостаткам устройства относится отсутствие возможности кратковременной работы в режиме КЗ, требующимся, например, при работе источника питания на значительную реактивную нагрузку.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства быстродействующей защиты силового ключа.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы устройства быстродействующей защиты силового ключа в обычном режиме и режиме короткого замыкания:
а) до введения ограничения входного тока в каждом такте преобразования через драйвер (1.4);
б) после введения ограничения входного тока в каждом такте преобразования через драйвер (1.4).
На фиг. 3 и 4 приведены возможные варианты реализации устройства быстродействующей защиты силового ключа.
На фиг. 5 приведены графики зависимости выходного напряжения от выходного тока с устройством защиты силового ключа и без него.
На фиг. 6 и 7 приведены осциллограммы напряжений сток-исток силового транзистора и на резисторе датчика тока в режиме короткого замыкания без устройства защиты силового ключа и с ним соответственно.
Сущность полезной модели
Технический результат, ускоренное отключение силового ключа в режиме КЗ, достигается за счет того, что сигнал обратной связи по току поступает на блок коммутации, минуя устройство управления (ШИМ-контроллер), и при достижении определенного порогового значения отключает силовой ключ от цепи управления.
Устройство быстродействующей защиты силового ключа (фиг. 1) содержит: силовой ключ (1.1) и датчик тока (1.3), включенные в цепи первичной обмотки разделительного трансформатора (1); устройство управления (1.2), подключенное к выходу датчика тока (1.3) отличающееся тем, что дополнительно содержит блок коммутации (1.4), подключенный между устройством управления (1.2) и управляющим входом силового ключа (1.1), причем блок коммутации (1.4) также подключен к выходу датчика тока (1.3).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство быстродействующей защиты силового ключа отличается наличием блока коммутации, включенным между устройством управления и управляющим выводом силового ключа и имеющим вывод, соединенный с выходом датчика тока. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Устройство реализует быстродействующую защиту силового ключа в каждом такте преобразования от перегрузки по току при кратковременной работе ИВЭ в режиме КЗ, например, при работе на реактивную нагрузку. Это достигается за счет ускоренного выключения силового ключа (1.1) путем подачи сигнала обратной связи датчика тока (1.3) не только на устройство управления (1.2), но и на блок коммутации (1.4), который отключает силовой ключ (1.1) раньше устройства управления (1.2). При этом исключаются внутренние задержки устройства управления (ШИМ-контроллера), влияющие на время задержки выключения силового ключа в каждом такте преобразования.
Такая быстродействующая защита с ограничением импульсного тока силового ключа позволяет уменьшить его пиковую импульсную мощность, избежать перегрева кристалла транзистора, тем самым повышая его надежность.
0
1
2
зад
Временные диаграммы работы ИВЭ до и после введения ограничения входного тока в каждом такте преобразования приведены на фиг. 2а и 2б соответственно, где: I - порог срабатывания защиты по току в устройстве управления (ШИМ-контроллере), I - ток через силовой ключ в режиме короткого замыкания, I - ток через силовой ключ в штатном режиме, t - время задержки срабатывания защиты по току.
1
2
Временные диаграммы (фиг. 2а, 2б) поясняют, что использование быстродействующей защиты силового ключа (1.1) приводит к резкому уменьшению тока I через силовой ключ в каждом такте преобразования в режиме короткого замыкания и не влияет на работу ИВЭ в штатном режиме (ток I через силовой ключ).
Пример возможной реализации устройства быстродействующей защиты силового ключа с исполнением блока коммутации на микросхеме, например микросхеме драйвера LM5112SD, и использованием в качестве датчика тока (1.3) токового трансформатора (трансформатор Т1, диод VD1, резисторы R4, R5) или резистивного датчика (резистор R4) приведен на фиг. 3 и 4 соответственно.
Сигнал с датчика тока поступает на вход обратной связи по току (CS) микросхемы ШИМ-контроллера (PWM) через интегрирующую цепочку (резистор R1, конденсатор C1), служащую для подавления импульсных помех и на дополнительный инверсный вход микросхемы драйвера INB через делитель напряжения на резисторах R2, R3 и фильтрующий конденсатор C2.
В нормальном состоянии, когда уровень сигнала с датчика тока на входе INB меньше порогового значения, драйвер функционирует в рабочем режиме. В случае превышения порогового значения напряжения на входе INB на выходе микросхемы драйвера формируется сигнал выключения силового транзистора и соответственно закрывается силовой транзистор VT1. При этом коэффициент деления (делитель R2, R3) подбирается таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить быстрое выключение силового транзистора, а с другой стороны обеспечить достаточное время для реакции ШИМ-контроллера на превышение входного тока.
Экспериментальная проверка подтвердила эффективность заявленного устройства защиты силового ключа. Так, например, для 100 Вт модуля, с реализацией устройства защиты силового ключа в соответствии с фиг. 3, при входном напряжении 75 В ток короткого замыкания на выходе после введения устройства защиты силового ключа уменьшился с 86 А до 38 А, т.е. в 2,3 раза (фиг. 5) и соответственно импульсный ток через силовой транзистор уменьшился в 2,2 раза. Уменьшение импульсного тока через силовой транзистор приводит к снижению перегрева кристалла транзистора и тем самым к повышению его надежности. Диаграммы напряжений на датчике тока и сток-исток транзистора VT1 до и после использования устройства защиты силового ключа приведены на фиг. 6 и 7 соответственно.
Предлагаемое устройство быстродействующей защиты силового ключа изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость».