Защита от перенапряжения
Защита от перенапряжения: что выбрать?
Защита от коммутационных выбросов напряжения схем на основе тиристоров или транзисторов с полевым управлением – рядовая задача в проектировании практически любого преобразователя. Для выполнения данной задачи существует ряд стандартных схем именуемых снабберными цепями. Снабберы, в свою очередь, могут состоять из пассивных или активных элементов, или могут совмещать их в себе (например, RCD-снабберы). Схемы такого рода цепей хорошо известны и не требуют дополнительного рассмотрения. Но, зачастую, при проектировании снабберов возникает ряд вопросов с выбором элементной базы. Какой тип конденсатора выбрать? Что лучше – ограничитель или варистор? Можно ли использовать вместо специализированных ограничителей обычные стабилитроны? Таким образом, вопросы с комплектацией могут значительно повлиять на итоговую схему снаббера и как, в таком случае, не ошибиться? Ниже пойдёт речь о типовых проблемах с выбором элементной базы, которые, как показывает практика, чаще всего возникают при проектировании снабберных цепей.
Снабберы могут выполнять две функции: снижении скорости нарастания напряжения (C- RC- RCD-снабберы) или ограничение амплитуды выброса напряжения (снабберы на основе супрессоров, стабилитронов или варисторов). Разумеется, эффективнее всего будут работать снабберы выполняющие обе эти функции. Более того, в состав снабберов второго типа, как правило, так или иначе, входят конденсаторы. Конденсатор, в некотором смысле, это основа почти любой снабберной цепи и первый вопрос, возникающий после осуществления теоретических расчётов: какой тип конденсатора выбрать?
Существует два основных вида конденсаторов, которые, теоретически, можно использовать в снаббере: это плёночные и керамические конденсаторы. Из отечественного к первой группе, прежде всего, относятся конденсаторы серий К73 и К78; ко второй группе – конденсаторы серий К10 и К15. На практике, в качестве снабберов, самыми подходящими считаются конденсаторы К78-2, но чаще всего применяются К73-17, так же часто применяются керамические конденсаторы К10-17 или К10-69 (для относительно низковольтных схем). Существует мнение, что в качестве снабберов нужно использовать только плёночные конденсаторы, т.к. их паразитные составляющие (особенно паразитная индуктивность и тангенс угла потерь) намного меньше, чем для керамических конденсаторов. Сравниваем тангенс угла потерь: для К78-2 – 0,001; для К10-69 – 0,0015; для К73-17 – 0,008. Отсюда следует, что, вроде бы, керамический конденсатор несущественно хуже плёночного К78-2 и даже гораздо лучше К73-17. Если сравнить паразитную индуктивность плёночных и керамических конденсаторов, то и здесь разницы почти нет: их индуктивность будет составлять от единиц до десятков нГн и даже более того, этот параметр по большей части обусловлен габаритными размерами конденсатора, типами выводов и, в конце концов, качеством монтажа, но не типом.
Получается, разницы нет? В своё время нам была поставлена задача заменить конденсатор К73-17 на керамические чип-конденсаторы (требование конструкции). В итоге на конденсаторе К73-17 за несколько лет эксплуатации не были ни одного выхода из строя этого конденсатора; с керамическим конденсаторами – два выхода из строя при трёх проведённых испытаниях. Отсюда вывод: плёночные конденсаторы предпочтительнее, но скорее не из-за своих параметров, а из-за своей «живучести». Плёночные конденсаторы гораздо более устойчивы к значениям du/dt и di/dt, к значительным импульсным токам и перенапряжениям и именно поэтому выбор в сторону плёночных конденсаторов – правильный выбор. Конечно, и по паразитным составляющим тоже можно сказать, что плёночные лучше, но это если только речь идёт о специализированных конденсаторах. Например, специализированные снабберные плёночные конденсаторы импортного производства имеют тангенс угла потерь 0,0001 (на порядок лучше К78-2 и почти в сто раз лучше К73-17) и собственную индуктивность в несколько нГн, но это именно специальные конденсаторы. Отсюда вывод: если речь идёт о больших мощностях (от десятков кВт), то однозначно – специализированные снабберные конденсаторы. Если мощность меньше, но напряжение относительно высокое – то так же однозначно плёночные общего назначения; если мощность небольшая и напряжение низкое (например, из практики, при мощности около сотен Вт и напряжении порядка десятков Вольт, проблем со снабберами на керамических конденсаторах не наблюдалось), то можно обойтись керамическими конденсаторами. Т.е., как видим, вопрос выбора типа конденсатора – скорее вопрос надёжности; эффективность же его работы в качестве снаббера – это уже вопросы расчётов и монтажа.
Последовательно снабберному конденсатору зачастую (хотя и не обязательно), ставится резистор. Разумеется, мощность и номинал резистора рассчитываются, но, опять же, не каждый резистор можно ставить в снабберную цепь. Как правило, применяются резисторы следующих типов: проволочные, металлоплёночные, углеродистые. Проволочные резисторы категорически не подходят для снабберных цепей по причине недопустимо большой паразитной индуктивности. Металлоплёночные резисторы применять можно, хотя и у них индуктивность оставляет желать лучшего. Наилучший вариант – углеродистые резисторы (например, серия С1-4). Помимо меньшей индуктивности данный тип резисторов выгодно отличается от прочих тем, что они стойки к импульсным токам и импульсам перенапряжения. Хотя, использование металлоплёночных резисторов (самые популярные – С2-33) тоже допустимо.
Насчёт диода, если таковой используется в снабберной цепи, пожалуй, говорить не стоит, т.к. понятно, что его пробивное напряжение и допустимый ток должны соответствовать схеме, а время обратного восстановления должно быть как можно меньше. Перейдём к той части снаббера, которая отвечает за ограничение напряжения.
В снабберах, как уже было сказано, с целью ограничения выбросов напряжения могут устанавливаться стабилитроны, ограничители напряжения (супрессоры), и варисторы. Что, для какой схемы и по каким критериям выбрать?
Основными критериями выбора элемента ограничения, помимо собственно пробивного напряжения, должны являться его мощность и быстродействие. При чём, если мощность можно нарастить последовательной установкой элементов, то сделать быстродействие лучше, чем обеспечивает производитель – не представляется возможным. Из всех представленных ограничителей наибольшим быстродействием обладает супрессор. Производителями супрессоров заявляется быстродействие порядка нескольких нс, а иногда и меньше. Но это в тестовых схемах. На практике супрессор, если и реагирует почти мгновенно, всё-таки открывается относительно долго и время с момента достижения напряжением пробивного напряжения супрессора до начала спада напряжения импульса обычно составляет около 10 нс и во многом зависит от тока импульса. В схемах с обратными индуктивными выбросами с токами в сотни Ампер время начала ограничения может составлять и вовсе десятки нс, и именно поэтому, к слову сказать, рекомендуется использование ограничителей напряжения совместно с классическими снабберами, обеспечивающими снижение du/dt, в противном случае схема ограничения просто не успевает полноценно сработать.
В плане ВАХ прибор почти аналогичный супрессору – стабилитрон. Но если по мощности можно подобрать стабилитрон близкий ограничителю напряжения (в плане допустимой мощности импульса), то по быстродействию стабилитроны значительно уступают супрессору. Конечно, стабилитрон можно использовать в качестве ограничителя, но со скоростями не более нескольких кВ/мкс, в то время как супрессоры могут работать со скоростью изменения напряжения на порядок больше. И если раньше стабилитроны имело смысл использовать в снабберных схемах для изделий специального назначения (т.к. высоковольтных супрессоров с приёмкой «5» не выпускалось), то сейчас необходимость в этом отпала, т.к. отдельными производителями освоено производство супрессоров «специального назначения».
В отличии от супрессора и стабилитрона варистор не является активным элементом, в полном смысле этого слова, представляя собой специализированный резистор. Быстродействие варисторов, как заявляется, составляет порядка нескольких десятков нс. Для сравнения, как уже было отмечено, заявляемое быстродействие супрессоров – около нс. Таким образом, варистор на порядок медленнее супрессора. Эту разницу подтверждает и практический случай: в транзисторном преобразователе значительно грелись ограничители напряжения и было решено попробовать варисторы, т.к. последние могут работать с относительно большими мощностями. В итоге, если схема с ограничителями грелась, но работала без выходов из строя, то схема на варисторах вышла из строя при первом же включении. Однако, указать реальное быстродействие варисторов автор не может, т.к. не имел достаточного опыта работы с ними.
Другой, не менее критичный параметр, - предельно-допустимая мощность импульса. Здесь на первом месте стоит варистор, далее – супрессор и стабилитрон. При чём, при равных массогабаритных показателях, супрессор значительно выигрывает у стабилитрона. В итоге область применения варисторов и супрессоров становится очевидной: варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но низким (относительно) значением du/dt; супрессоры – наоборот: в схемах с большим du/dt, но кратковременными импульсами. Первый тип схем преобразователей – преобразователи на основе тиристоров (большая мощность, скорость du/dt измеряется в сотнях В/мкс); второй тип – преобразователи на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов, ведь именно работа транзисторов в ключевом режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко – мкс), но при этом значительным du/dt, до десятков кВ/мкс. Таким образом, если тиристорная схема, то варисторы; если транзисторная, то супрессоры. Стабилитроны тоже можно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения. Например, стабилитроны BZX55C18, установленные в цепи затвора полевого транзистора, ведут себя ни чуть ни хуже симметричных супрессоров типа 1,5КЕ18СА.
Как правило выбор очевиден. Более того, в практике построения снабберов уже сложились определённые «традиции», как в плане схемотехники, так и в плане элементной базы. Конечно, если уже имеется какая-то комплектация и нет возможности или проблематично приобрести другую комплектацию, то можно поставить что-то своё, из того что есть. Но при разработках лучше, всё-таки, закладывать изначально специализированные изделия (например, элементы защиты от перенапряжений серии ЭЗ от «Электрум АВ») и только если такой путь оказывается нерациональным, то можно обратиться к помощи элементов общего назначения. Что именно выбрать и для каких схем – сказано выше. Содержание данной статьи носит исключительно рекомендательный характер, основывается на личном опыте и, разумеется, не является панацеей от всех проблем. Но, тем не менее, указанные рекомендации могут помочь разработчику в такой задаче, как выбор комплектации для снабберных цепей защиты.
