Устройство защиты от короткого замыкания
SHORT CIRCUIT PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в силовой электронике для повышения надежности работы силовых MOSFET транзисторов в цепях питания постоянного тока напряжением 310 В.
22
С момента изобретения в 1959 году MOSFET транзисторы стали бестселлером современной электроники, производство которых за период с 1960 по 2018 годы оценивается в 1,3×10 единиц (включая транзисторы в составе интегральных схем). Обладая высокой скоростью переключения, меньшими размерами, хорошей масштабируемостью и большим КПД, MOSFET транзисторы как дискретные устройства заняли лидирующие позиции в качестве силовых ключей импульсных DC/AC преобразователей. При внимательном изучении всего многообразия предложенных схемотехнических решений обращает на себя внимание тот факт, что использование современных импульсных источников питания со встроенной защитой от короткого замыкания (КЗ), как в сварочной аппаратуре, так и в области индукционного нагрева, тем не менее, непрерывно сопровождается аварийными режимами работы выходных каскадов, например, DC/AC преобразователей, приводящими к сквозным токам короткого замыкания. Разработчики электронных схем и разработчики элементной базы (силовых транзисторов и микросхем драйверов) постоянно совершенствуют способы защиты от КЗ, однако, реализация такой защиты далека от совершенства, что выражается в отсутствии длительной гарантии на коммерчески доступные импульсные источники питания.
Из уровня техники известен способ защиты от перегрузок и коротких замыканий стабилизированного источника питания [Невзгодин В.И., Терехов В.Ф. // Патент РФ №2047215 от 27.10.1995 г.] - аналог. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении быстродействия защиты при аварийных режимах за счет уменьшения времени обнаружения аварийного режима. В стабилизированном источнике питания, выполненном на основе ключевого элемента и LCD-фильтра, измеряют напряжение на дросселе LCD-фильтра, измеряют выходное напряжение, суммируют его с опорным напряжением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна результату суммирования и обратно пропорциональна напряжению на дросселе LCD-фильтра, дополнительно измеряют в ускоренном масштабе времени напряжение на выходе модели стабилизированного источника питания, выполненной в виде RLC-цепи, сравнивают его с эталонным значением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна или результату суммирования выходного напряжения с опорным или разностному сигналу. Однако, уменьшение времени обнаружения аварийного режима базируется на π-теореме подобия, в которой важным условием является требование инвариантности зависимости, которое хорошо выполняется при единичном ступенчатом воздействии и нулевых начальных условиях. В случае серии импульсов на резонансной частоте RLC-цепи предложенная модель не удовлетворяет условию инвариантности и разработанный способ защиты от перегрузок выдаст ошибку по каналу «модели», что приведет к аварии и выходу из строя стабилизированного источника питания.
Известна схема транзисторного ключа с защитой от короткого замыкания [Тихонравов С.Р. // Патент РФ №2167492 от 20.05.2001 Бюл. №14] - аналог. С одной стороны, заявленный технический результат устройства решается за счет схемы, в котором информацией о состоянии нагрузки является сама нагрузка, что приводит к снижению количества элементов, реализующих защиту от короткого замыкания, и повышает надежность работы. С другой стороны, на схеме и в описании работы устройства присутствует «шина управления», на которую подается сигнал с уровнем логического «0» или «1», но ничего не говорится о том, как формируются эти сигналы и какова аппаратная реализация такого управления. При таком подходе типа «черный ящик» сложно оценить надежность работы устройства и прогнозировать его работу при возникновении сквозных токов короткого замыкания.
Наиболее близким по своей сути является схемотехническое решение блока питания с защитой от перегрузок и короткого замыкания [URL: https://polarize.ru/komponenty/blok-pitaniya-s-zashchitoi-ot-peregruzok-i-korotkogo-zamykaniya-prosteishaya-zashchita-ot/ (дата обращения: 18.02.2021)] - прототип, в котором автор подробно рассматривает вопрос проектирования блока управления силовым транзистором для защиты от перегрузок и короткого замыкания в цепи постоянного тока с напряжением 310 В. Сигнал с датчика тока - шунта - после усиления операционным усилителем и однопороговой оцифровки подается на драйвер, управляющий силовым транзистором, который в случае возникновения КЗ переводит транзистор в режим отсечки. В итоге у автора получилась схема, управляющие сигналы которой на силовой транзистор идут через шунт. Кратковременный импульс управляющего напряжения с драйвера на затвор силового MOSFET транзистора приводит к значению управляющего тока до 2 А, как при открытии транзистора, так и при его закрытии, причем токи в этих случаях разнонаправлены. В случае, когда КЗ отсутствует и транзистор можно открыть, управляющий ток складывается с рабочим током в шунте и повышает его на 2 А. Такой «бросок» суммарного тока превышает установленную пороговую величину, устройство срабатывает и отключает нагрузку, несмотря на то, что КЗ нет. В случае возникновения КЗ ситуация в точности наоборот: из тока КЗ вычитается пиковое значение управляющего тока и устройство не срабатывает, несмотря на то, что авария есть. Таким образом, предложенная схема подключения имеет низкую помехозащищенность с гарантированным уровнем шумов на датчике тока около 2 А и не рекомендуется к использованию.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства защиты силовых MOSFET транзисторов в цепях питания постоянного тока напряжением 310 В от токов короткого замыкания.
-1
Технический результат достигается за счет схемотехнического решения с разделенными силовой (G2) и сигнальной (G1) массами, повышающего надежность и обеспечивающего низкий уровень шумов с датчика тока. Принципиальная электрическая схема устройства защиты силового MOSFET транзистора VT1 представлена на фиг. 1. Устройство работает следующим образом. Сигнал с датчика тока RS подается на входы (2) и (3) операционного усилителя (ОУ) DA3 с отрицательной обратной связью, образованной резисторами R5 и R6, и подключенного по схеме «инвертирующего усилителя», опорное напряжение которого на неинвертирующем входе (3) равно нулю, а входной сигнал отрицательного значения подается на инвертирующий вход (2). Как следствие, на выходе (1) ОУ DA3 имеем всегда положительное значение напряжения. Вывод (8) ОУ DA3 подключен к источнику питания G1 напряжением +14 В, вывод (4) ОУ DA3 подключен к сигнальной массе (G1) Регулируя коэффициент усиления резистором R6, мы не только можем устанавливать порог срабатывания защиты, но и влиять на скорость ее срабатывания, т.к. скорость нарастания выходного сигнала ОУ DA3 имеет конечную величину и обычно не превышает значения 20 В×мкс. Чем выше коэффициент усиления ОУ DA3, тем выше напряжение на выходе усилителя, тем больше времени требуется, чтобы достигнуть этого значения. Таким образом, коэффициент усиления лучше настраивать в разумных пределах с учетом шумов в цепи питания G2 + 310 В, а порог срабатывания настраивать резистором R7 через величину опорного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход (2) компаратора DA2, причем «дребезг» управляющего сигнала на неинвертирующий вход (3) компаратора DA2 в цепи положительной обратной связи, образованной резисторами R2 и R3, при таком подходе будет меньше. Величина гистерезиса регулируется резистором R2. Вывод (8) компаратора DA2 подключен к источнику питания G1 напряжением +14 В, вывод (4) компаратора DA2 подключен к сигнальной массе (G1). Выход (1) компаратора DA2 с открытым коллектором подключен к плюсу источника питания G1+14 В через подтягивающий резистор R4. Сигнал с выхода (1) компаратора DA2 подается на вход (6) «CS - вход сигнала сдатчика тока» драйвера DA1 IR2121. Управляющий сигнал с выхода (7) «OUT - выход» драйвера DA1 через токоограничивающий резистор R1 подается на затвор силового MOSFET транзистора VT1 IRF840. Диод VD служит для быстрого отключения транзистора VT1. Сигнальная масса (G1) подключена к истоку транзистора VT1, что исключает протекания управляющих токов через шунт RS и уменьшает шумы на входах (2) и (3) ОУ DA3. Кнопка SB1, подключенная к выводам (1) «Vcc - напряжение питания» и (2) «IN - вход» драйвера DA1 IR2121 служит для перезапуска драйвера DA1 после устранения КЗ. Конденсатор С1, подключенный к выводам (3) «ERR - ошибка» и (4) «СОМ - общий провод», и конденсатор С2, подключенный к выводам (8) и (5) «Vs - общий провод выходной цепи» драйвера DA1, служат для снижения уровня шумов на выводах (3) и (8). Выводы (4) и (5) драйвера DA1 подключены к сигнальной массе (G1). Устройство способно защитить силовой MOSFET транзистора VT1 при разных пороговых значениях тока через нагрузку Rн, устанавливаемых с помощью резисторов R6 и R7, причем величина токов не должна превышать максимально допустимого значения импульсного тока для силового MOSFET транзистора VT1. Разработанное устройство повышает надежность работы силового MOSFET транзистора в цепи питания постоянного тока напряжением 310 В и пригодно для использования в качестве защиты от сквозных токов короткого замыкания.