Защита от КЗ, Разработка блока коммутации нагрузки с защитой от перегрузки и КЗ Опции

[AlexBel]

Всем привет. Извиняюсь, если пишу не в тот раздел, этот мне показался наиболее подходящим по теме.

Разрабатываю схемы защиты питания трёхфазной (380В) нагрузки от перегрузки и КЗ. В качестве элемента коммутации был выбран транзистор IRG4PH40UD (напряжение коллектор-эмиттер до 1200В, ток до 41А). Драйвер - IR2127. Схема - с сообщением, пока что один канал (одна фаза). Питание - 220В.
Для начала схема была проверена на малой нагрузке (лампа накаливания 40Вт 220В), без имитации КЗ, коммутация сигналом включения драйвера через оптрон. При этом схема работает нормально. Но при увеличении нагрузки (сопротивление нагрузки 20Ом) после 1-3 циклов включения-выключения происходит пробой ключевого транзистора. Пробой не тепловой, транзистор почти не нагревается. Всего было три транзистора и все три вышли из строя почти сразу.
Когда произошёл пробой первого транзистора, схема была запитана через трансформатор от низкого напряжения (24В) с сохранением тока нагрузки порядка 10А - было необходимо посмотреть переходные процессы на осциллографе, для чего требуется гальваническая развязка.
Оказалось, что на коллекторе, при отключении нагрузки, присутствуют выбросы напряжения, в 4 раза превышающие напряжение питания. Т.е. при напряжении питания 24В выбросы составляли порядка 90В. Предполагаю, что это и послужило выходом из строя силового транзистора, так как при питании от 220В выбросы напряжения на коллекторе вполне могли превысить предельно допустимое напряжение 1200В.
В качестве нагрузки используется спираль из нихромовой проволоки, индуктивность которой крайне мала. Все соединения выполнены короткими (до 15см) толстыми многожильными проводами.
Собственно, вопрос - если кто-нибудь занимался разработкой устройства подобного назначения, поделитесь, пожалуйста, опытом - возникали ли подобные проблемы и как они были решены.

С уважением, Алексей.




Сообщение отредактировал AlexBel - Jul 2 2018, 14:18

[Plain]

Естественно, схема негодная — в цепи нагрузки сперва надо замедлить изменение тока, добавив известную индуктивность, а затем утилизатор энергии всех паразитов при отключении — например, диод, конденсатор и резистор. А поскольку этот утилизатор явно не резиновый, его требуется защитить таймером повторного включения.

[LII]

Естественно, схема негодная — в цепи нагрузки сперва надо замедлить изменение тока, добавив известную индуктивность, а затем утилизатор энергии всех паразитов при отключении — например, диод, конденсатор и резистор. А поскольку этот утилизатор явно не резиновый, его требуется защитить таймером повторного включения.

Именно так. Индуктивность нужно добавлять, а не убирать.
Здесь нужно понимать, что любая схема защиты имеет граничное время срабатывания и за это время ток в цепи не должен вырасти до критического. Если индуктивность цепи мала, то ток вырастет быстрее чем успеет сработать защита, что приведет к выходу из строя ключевого элемента.
Делал подобное устройство, 380В 10А в номинале, защита срабатывала на 18А. В цепи стока поставил дроссель. Время срабатывания защиты 1мкс. Индуктивность дросселя рассчитал так, чтобы в случае КЗ, ток за 1мкс с 10А увеличивался не более чем до 18А. Каждую полуволну защита перезапускается автоматически. На испытаниях многократно коротил выходные клеммы отвёрткой, искры практически не видно, нормальная работа восстанавливается сразу после устранения КЗ.
Да, есть неприятный момент в виде выброса ЭДС самоиндукции, в связи с чем дроссель зашунтировал ультрабыстрым диодом.

[AlexandrY]

Индуктивность дросселя рассчитал так, чтобы в случае КЗ, ток за 1мкс с 10А увеличивался не более чем до 18А.

Однако дроссель здоровый получается - 400 мкГ.
Такой стоить будет дороже всей схемы в несколько раз.

[LII]

Однако дроссель здоровый получается - 400 мкГ.

Откуда такая цифра?
L=U/(dI/dT)=537/(8/(1*10^-6))=67 мкГ

Сообщение отредактировал LII - Jul 2 2018, 16:35

[AlexandrY]

Откуда такая цифра?
L=U/(dI/dT)=537/(8/(1*10^-6))=67 мкГ

Показалось, думал речь шла про 10 мкс.

Однако народ говорит, что на вот таких транзисторах легко разрывал цепи с током до 150А за 250 нс
Тут уже никакого дросселя не надо было бы.

[LII]

Однако народ говорит, что на вот таких транзисторах легко разрывал цепи с током до 150А за 250 нс
Тут уже никакого дросселя не надо было бы.

К сожалению статью не прочесть без регистрации. Но и 250 нс нужно пережить. Если индуктивность силовой цепи близка к нулю, то ток мгновенно вырастет до значения, ограниченного лишь активным сопротивлением цепи.
Есть вариант с IGBT транзистором, с его способностью автоматически выходить из режима насыщения при перегрузке, но там свои весьма неприятные моменты.