Нарушения в работе электросети напряжения переменного тока являются причиной большинства отказов самого различного оборудования. Ущерб от них может быть неуловимым, как, например, случайная потеря данных, так и серьезным, например, выход из строя источника питания, нарушение в работе светодиодного освещения, простой дорогостоящего промышленного оборудования и повреждение медицинской аппаратуры В полной мере это также касается и бытовой техники — электроплит, микроволновых печей, холодильников, персональных компьютеров и телевизоров.

Под нарушениями в линиях электропередачи подразумеваются недопустимые переходные процессы в виде гармонического затухающего сигнала, скачки напряжения и т.?п. Для предотвращения их негативного воздействия на оборудование необходимо четко понимать их характеристики и природу возникновения и применять эти знания для разработки эффективной схемы защиты. Это поможет выбрать соответствующие элементы и применить их наиболее эффективным способом.

Для защиты линий электропитания в широком понимании этого термина и подключенного к ним оборудования, в настоящее время существует и используется несколько популярных компонентов. Чаще всего для ограничения перенапряжения используются MOV-варисторы (Metal Oxid Varistors), TVS-диоды (Transient Voltage Suppression) и газоразрядники (Gas Discharge Tube, GDT) и защитные тиристоры. В предлагаемой статье мы рассмотрим новый инновационный метод защиты по линиям питания — элемент под названием SIDACtor. Этот элемент, предложенный компанией Littelfuse, представляет собой полупроводниковый прибор тиристорного типа, специально разработанный и предназначенный для защиты оборудования, подключенного к линиям электропитания напряжения переменного тока.

Защита от перенапряжения

По типу механизма защиты от перенапряжения имеется два типа устройств: шунтирующего типа (crowbar), как, например, газоразрядники и защитные тиристоры, к которым относится и SIDACtor, и ограничивающего типа, такие как TVS-диоды и MOV-варисторы.

Элементы защиты на основе ограничения напряжения имеют короткое время реакции, но они ограничены по току, поскольку энергия всплеска напряжения должна быть поглощена и рассеяна на самом элементе защиты. Кроме того, по мере роста пропускаемого тока на элементе защиты увеличивается и падение напряжения. Таким образом, компоненты высоковольтной защиты с ограничением напряжения, по сравнению с низковольтными версиями, будут иметь меньший максимально допустимый ток, который они способны пропустить. Иными словами, мощность остается одинаковой для всех компонентов одной серии, но поскольку мощность — это производная от тока и напряжения, то с увеличением напряжения падает и допустимый номинальный ток компонента.

Компонент защиты шунтирующего типа, поскольку в режиме срабатывания падение напряжения на нем очень мало, способен выдержать гораздо более высокий уровень тока, но требует дополнительного элемента для размыкания цепи при инициируемом им коротком замыкании. То есть такие компоненты защиты работают близко к режиму короткого замыкания, принимая на себя всю энергию всплеска напряжения. Этот вариант защиты существенно снижает перегрузку защищаемого оборудования от недопустимо высоких уровней напряжения, но, как уже сказано, требует определенных схемотехнических решений.

Применение SIDACtor для защиты оборудования на линиях питания напряжения переменного тока

Для защиты оборудования, подключенного к линиям питания напряжения переменного тока (далее — «линий электропитании»), и зная тиристорный вариант его реализации, специалисты компании Littelfuse предполагают, что при разработке решения по защите, выполненного на базе защитных тиристоров SIDACtor, у разработчиков может возникнуть целый ряд вопросов по его совместимости с оборудованием того или иного типа.

Данная статья как раз и призвана ответить на эти вопросы и представляет обзор выполненных на основе тиристоров SIDACtor основных вариантов защиты оборудования, подключенного к линиям электропитания напряжения переменного тока. Кроме чисто схемотехники таких решений, будут рассмотрены и требования к их физическим характеристикам. Обращаем внимание читателей на тот факт, что защита на основе SIDACtor применима только для оборудования с питанием от напряжения переменного тока и не предназначена для защиты устройств, питаемых от шин напряжения постоянного тока. А сама защита основана на предупреждении влияния перенапряжения и защищает не столько линии электропитания, а именно подключенное к ним оборудование.

Это связано с тем, что защитный тиристор SIDACtor в силу своей природы, как и обычный симметричный тиристор, будет выключаться при переходе через нуль, то есть через каждый полупериод напряжения. Упрощенная структура SIDACtor показана на рис. 1а, его вольт-амперная характеристика — на рис. 1б. Если же SIDACtor использовать для защиты на шинах напряжения постоянного тока, то он, в случае если ток короткого замыкания будет выше тока удержания, не перейдет в выключенное состояние. Конечно, данную проблему можно решить последовательным соединением с SIDACtor варистора или TVS-диода. При этом выбранное напряжение ограничения варистора и TVS-диода должно соответствовать или быть выше максимального напряжения на шине напряжения постоянного тока.


Компания Littelfuse производит две серии защитных тиристоров SIDACtor — Pxxx0FNL (рис. 1в) и Pxxx0ME (рис. 1г) с характеристиками, которые обеспечивают низкое прямое падение напряжения, существенно ниже напряжения пробоя газоразрядников и гораздо более низкое по сравнению с напряжением удержания MOV-варисторов напряжение, если его рассматривать, как напряжение удержания. По сравнению с кремниевыми TVS-диодами Pxxx0FNL и Pxxx0ME способны выдержать существенно более высокие мгновенные токи при более низком прямом падении напряжения. Также они создают и меньшие по сравнению с газоразрядниками, MOV-варисторами и TVS-диодами переходные процессы.

В сериях Pxxx0FNL и Pxxx0ME доступен выбор компонентов с рабочими напряжениями V_DRM в пределах 58–450 В. Если говорить о пиковом импульсном токе IPP и «ударном» токе I_TSM, то Pxxx0ME обеспечивают 5000 А в режиме 8/20 мкс I_PP и минимум 400 А I_TSM для одного периода синусоиды 50/60 Гц, в то время как Pxxx0FNL предлагают 3000 А 8/20 мкс I_PP и 300 А I_TSM 50/60 Гц (табл. 1, 2). Под «ударным» током I_TSM понимается максимальный допустимый ток тиристора в открытом состоянии при воздействии на него синусоидального напряжения.







Семейства SIDACtor Pxxx0FNL и Pxxx0ME обеспечивают лучшие характеристики шунтирования, нежели обычные газоразрядники. Их преимущества:

• малое прямое падение напряжения, что снижает перегрев полупроводникового перехода при длительном нахождении в режиме проводимости тока;
• меньший избыточный отклик на ступенчатое воздействие при высоких dv/dt;
• длительный срок службы;
• возможность выбора напряжения срабатывания, более близкого к номинальному напряжению в электросети большинства стран: так, например, в случае использования низковольтных газоразрядников здесь потребуется другое газовое наполнение/внутреннее давление, что ухудшает характеристики срабатывания таких защитных устройств.

Серия Pxxx0ME

На рис. 2 приведены варианты применения P3800MEL с предохранителем (как правило, это вставка плавкая) в линии электропитания для защиты оборудования от повышенного напряжения и в последовательном соединении с предохранителем (как правило, это термопрерыватель), который необходим для предотвращения перегрузки по току уже самого тиристора. В нормальном режиме работы SIDACtor и предохранитель не срабатывают и не оказывают какого-либо влияния на функционирование оборудования и самой линии электропитания. В том случае, если для P3800MEL напряжение в линии или индуцированный в нее всплеск напряжения превысят V_DRM, он переключается в низкоомное состояние проводимости и шунтирует линию. Предохранитель в линии электропитания, который предназначен для защиты SIDACtor, выбирается таким образом, чтобы во время повторяющихся событий в линии электропитания ток I_TSM не превышал допустимого для защитного тиристора значения.


Данная комбинация обеспечивает согласованную защиту от перегрузок по току и перенапряжения со стороны питающей сети. Схема на рис. 2б предлагает дополнительную возможность обеспечить защиту по току непосредственно самим SIDACtor. Этот дополнительный предохранитель в последовательной цепи с SIDACtor обеспечивает его защиту от повышенного тока и перегрузок. Главное отличие такого решения состоит в том, что предохранитель для защиты основной схемы устанавливается после цепочки «SIDACtor — предохранитель». Цепочка «SIDACtor + предохранитель» обеспечивает защиту основного предохранителя от всплесков в питающей электросети, нагрузки и/или защищаемой схемы, в то время как основной предохранитель обеспечивает защиту питающей линии и тиристора от перегрузки по току. Это особенно важно, когда защищаемая силовая схема требует чувствительной защиты по току, но при этом предохранитель не должен срабатывать во время возможных кратковременных и не несущих опасности бросков напряжения. Приведенные типовые схемы являются лишь примерами. Разработка защиты конкретных решений требует их уточнения с дополнительным тестированием и адаптацией под решаемую задачу.

На рис. 3 показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс (8 мкс — это длительность импульса, 20 мс — это период повторения) без подключения к сети переменного напряжения. Зеленый график показывает импульс перенапряжения 3 кА при 8/20 мкс, синий — реакцию SIDACtor. Для испытываемого компонента P3800MEL начальное напряжение срабатывания составляет 272 В, а напряжение удержания находится в рамках <30 В.

На рис. 4 показан отклик тиристора P3800MEL на воздействие импульса 3 кА 8/20 мкс при подключении к сети переменного напряжения. При этом ток через тиристор достигает пикового значения 278 А. Однако протекающий в течение полупериода ток не наносит вреда SIDACtor P3800MEL, так как не превышает максимально допустимого значения ITSM (50/60 Гц), равного 400 А, если его действие длится в течение одного полупериода. Таким образом, функция ограничения данной защитной схемы определяется сопротивлением, нагрузкой и/или величиной протекающего тока.

Использование SIDACtor совместно с варистором MOV

Изделия серий Pxxx0FN и Pxxx0ME для создания защиты с низким напряжением удержания, подверженные потенциальному повреждению при высоком напряжении удержания, могут применяться в последовательном соединении с MOV-варисторами.

При срабатывании комбинации защиты, состоящей из MOV-варистора и защитного тиристора SIDACtor, напряжение срабатывания будет выше установившегося напряжения в линии электропитания, но после полной активации защиты напряжение удержания будет существенно меньше того, что, как правило, обеспечивает решение с варистором.

На рис. 5 показана работа SIDACtor P2300MEL с рабочим напряжением 180 В, соединенного последовательно с варистором V20E130P с рабочим напряжением 130 В и предохранителем во входной цепи. Такая схема обеспечивает защиту от перегрузок по току и напряжению для линии электропитания.

На рис. 6 представлен отклик цепочки «SIDACtor + MOV» при импульсе 3 кА при 8/20 мкс, приводящем к максимальному напряжению ограничения 425 В, что значительно выше, чем напряжение тиристора P2300MEL в открытом состоянии, составляющее менее 30 В.

Более высокое напряжение ограничения возникает за счет применения варистора V20E130P, который добавляет напряжение к P2300MEL SIDACtor, а напряжение удержания при этом будет уже выше 30 В. Тем не менее если в данном случае мы ограничимся лишь применением одиночного варистора для линии 240 В, то есть если это будет V20E275P, то его напряжение ограничения составит более 900 В, что способно вывести из строя компоненты защищаемой схемы.

Для того чтобы показать, насколько существенна разница откликов приведенных решений, здесь приведены различия напряжения ограничения в схемах с одиночным SIDACtor, цепочки «SIDACtor + MOV» и одиночного MOV-варистора.

На рис. 7, после срабатывания цепочки «SIDACtor + MOV» от импульса 3 кА 8/20 мкс, измеренный протекающий ток составил 43,2 А. Собственное сопротивление MOV снижает протекающий ток, защищая таким образом SIDACtor. С другой стороны, цепочка «SIDACtor + MOV» снижает ток утечки по сравнению с одиночным MOV-варистором, обеспечивая сверхнизкое потребление схемы в дежурном режиме. Это позволяет значительно продлить срок службы варистора. В ряде случаев для некоторого критического оборудования или для выполнения специфических требований нормативных документов по безопасности в линию электропитания для прерывания тока необходимо добавление еще одного предохранителя.

Типовые применения

На рис. 8 применена цепочка «SIDACtor + MOV», обеспечивающая защиту от перенапряжения питающей цепи инверторной схемы. Данная схема поддерживает нормальное напряжение на IGBT- или МОП-транзисторах, ограничивая и поглощая для защищаемой схемы нежелательные всплески и выбросы напряжения. Такое решение может применяться как в трехфазной, так и в однофазной сети, используя три либо одну цепочку «SIDACtor + MOV». Эта топология защиты широко применяется в схемах заряда аккумуляторов в электромобилях и автомобилях с гибридной силовой установкой.

На рис. 9 цепочка «SIDACtor + MOV» подключена дифференциально (L-N) к выходу фотоэлектрической панели для ее защиты от нежелательных переходных процессов. Ток, генерируемый панелями солнечных батарей, регулируется высоковольтными полевыми МОП-транзисторами и преобразуется инвертором в требуемое напряжение переменного тока. Фактическая комбинация защитного тиристора SIDACtor и MOV-варистора зависит от тех или иных требований к защите от перенапряжения и особенностей организации защиты исходя уже из требований, предъявляемых к решению непосредственно самого инвертора солнечной батареи.

Расчет и выбор предохранителя

Итак, нам потребуется вставка плавкая (далее — предохранитель) с уровнем срабатывания выше, чем сумма импульса 3 кА 8/20 мкс и протекающего тока, но ниже, чем максимально допустимое значение I_TSM для SIDACtor. В этом случае предохранитель не будет ложно срабатывать при функционировании цепочки защиты от перенапряжения, но обеспечит защиту от перегрузки используемого SIDACtor. Лучше всего порог срабатывания предохранителя может быть оценен по значению I²t. Это значение представляет собой интеграл Джоуля — условная величина, характеризующая тепловое действие тока короткого замыкания на рассматриваемый элемент электроустановки, численно равная интегралу от квадрата тока короткого замыкания по времени, в пределах от начального момента короткого замыкания до момента его отключения.

Ниже приведем пример расчета итогового значения I²t, необходимый для правильного выбора предохранителя для цепочки «SIDACtor+ MOV в случае воздействия импульса 3 кА 8/20 мкс».

Для выброса 3 кА 8/20 мкс I²t составит приблизительно:

0,5×I_peak×I_peak×t = 0,5×3000×3000×20×10^–6 = 90 A²·с.

Для полупериода протекающего переменного тока:

0,5×I_peak×I_peak×t = 0,5×43×43×0,01 = 9,24 A²·с.

Итоговое значение I²t составит:

90+9,245 = 99,245 A²·с.

Заметьте, что мы также должны принять во внимание корректирующий коэффициент (de-rating-фактор), учитывающий зависимость от температуры окружающей среды и возможного количества воздействующих импульсов. Так, если предохранитель должен выдержать 100?000 импульсов, то коэффициент коррекции составит 0,22 (рис. 10). Для большинства приложений максимально допустимое количество импульсов невелико и достаточный коэффициент составит 0,48.



Как было сказано ранее, параметр I²t предохранителя должен быть выше, чем 99,245/0,22 = 451 A²·с.

Поскольку величина I_TSM для P3800MEL составляет 400 А, то значение интеграла Джоуля I²t для защитного тиристора SIDACtor в течение полупериода напряжения составит:

0,5×400×400×0,01 = 800 A²·с.

Очевидно, что скорректированное с помощью коэффициента значение I²t = 451 A²·с меньше, чем величина I²t защитного тиристора SIDACtor в течение полупериода, это гарантирует, что срабатывание предохранителя раньше, нежели будет достигнуто допустимое для защитного тиристора SIDACtor значение I_TSM.

Для MOV-варистора разработчики для того, чтобы убедиться, что максимальной энергии выбранного варистора достаточно для данного приложения, как правило, оценивают энергию протекающего тока.

В данном случае энергия протекающего тока составит:

0,71×250×3000×20×10^–6+0,71×2×50×43×0,07 = 10,65+53,46 = 64,08 Дж.

Это значение меньше максимально допустимой энергии для V20E130, которая составляет 100 Дж.

Таким образом, выбранный предохранитель имеет значение I²t выше, чем I²t импульса 3 кА 8/20 мкс и протекающего тока, что гарантирует отсутствие ложных срабатываний во время работы цепочки защиты от перенапряжения.

Оптимальным для защиты SIDACtor и MOV-варистора будет предохранитель, рассчитанный на напряжение 250 В со значением I²t = 451 A²·с. Такой предохранитель не окажет влияния на нормальную работу выбранной схемы. В таблице 3 приведено несколько типов предохранителей Littelfuse, соответствующих данным требованиям.



Кроме обычных варисторов, компания Littelfuse выпускает и варисторы со встроенным термопрерывателем, который размыкает цепь при разогреве, тем самым увеличивая срок службы варистора. При использовании такого компонента комбинированная схема защиты останется практически без изменений. На рис. 11а показана защита от перенапряжения с использованием такого элемента, называемого TMOV-варистором, а на рис. 11б приведена схема защиты порта оборудования CATV 90 В, выполненная с использованием только лишь защитного тиристора SIDACtor типа P1900MEL.

Для схемы, приведенной на рис. 11б, выбран SIDACtor P1900MEL с параметром V_drm = 155 В, поскольку эта величина существенно выше пикового значения CATV 90×1,44 = 129,6 В. Обратите внимание на присутствие компенсационной индуктивности, необходимой для исключения влияния собственной емкости защитного тиристора на передаваемый сигнал. Наличие такой индуктивности является важной частью схемы.

Возможно также, что компенсационная индуктивность должна будет обеспечивать требования к передаваемому и отраженному сигналу в линии CATV. Если такие требования существуют, индуктивность должна обеспечивать быстрое насыщение и выдерживать импульсы до 200 В и 1000 А. Базовым требованиям будет соответствовать катушка с индуктивностью 20–30 мкГн, выполненная проводом AWG24 (диаметр 0,511 мм) на сердечнике с относительной (на рабочей частоте) магнитной проницаемостью 900, но конечное значение должно быть уточнено с помощью проверочных испытаний.

Заключение

Защитные тиристоры SIDACtor семейства Pxxx0ME являются хорошим выбором для защиты оборудования на линиях электропитания напряжения переменного тока (табл. 4). Они обеспечивают низкий порог срабатывания, быстрое включение, низкие выбросы, высокий импульсный ток, точный подбор рабочего напряжения и не подвержены износу при повторяющихся срабатываниях в случае непревышения максимально допустимых значений. Совместно с предохранителем/защитой от превышения тока, установленных перед SIDACtor, данное решение обеспечивает оптимальную защиту от превышения напряжений линий электропитания. Еще раз обращаем внимание читателя: этот вариант защиты от кратковременных всплесков при подключении к линии питания напряжения переменного тока не предназначен при питании от шин постоянного тока. Исключение допустимо в случае, если сила такого тока будет ниже тока удержания SIDACtor или источник питания напряжения постоянного тока способен будет самостоятельно распознать аварию и выключиться при инициированном SIDACtor коротком замыкании.