Старая пила, которую инженер-электрик (или его незадачливый специалист) часто произносит, когда электронное устройство выпускает свой волшебный дым, звучит примерно так: «Транзистор храбро пожертвовал собой, чтобы защитить предохранитель».
Это краткий способ сказать, что обычные предохранители (и большинство типов автоматических выключателей) не должны защищать выходную нагрузку от полного разрушения в случае неисправности, а только (надеюсь!) предотвратить возгорание. перегрев проводки, искрение и т.д.
Этот прискорбный недостаток в основном обусловлен физикой и экономикой: обычному предохранителю или тепловому выключателю потребуется примерно в 1000–10 000 раз больше времени, чтобы защитить большинство полупроводниковых устройств от перегрузки по току, даже если последние имеют слишком большие размеры (т.е. стоят намного дороже, чем есть на самом деле). экономически оправдано). Специализированные автоматические выключатели, сочетающие быстродействующий магнитный расцепитель с обычным тепловым, позволяют уменьшить габариты последующих полупроводников, но сами по себе являются гораздо более дорогими устройствами, поэтому это снова кажется экономически сомнительным. Чтобы по-настоящему защитить последующие полупроводниковые устройства от короткого замыкания без неприятных отключений в нормальных условиях эксплуатации, требуется устройство защиты от перегрузки по току, которое реагирует на сильные перегрузки по току за 1–10 микросекунд, сохраняя при этом более традиционную реакцию предохранителя на умеренные перегрузки по току, что именно то, что может сделать электронный предохранитель – и потенциально по цене, конкурентоспособной по сравнению со специализированным магнитно-термическим выключателем, особенно если он позволяет использовать полупроводники с более рациональными характеристиками.
Чтобы лучше понять плюсы и минусы электронных предохранителей, необходимо рассмотреть традиционные технологии предохранителей и автоматических выключателей. Все предохранители по существу основаны на плавлении плавкий элемент для разрыва цепи в условиях перегрузки по току. Требуемое время обратно пропорционально степени перегрузки по току. Поскольку нагрев плавкого элемента происходит в результате я2Р потерь, удвоение тока должно привести к четверти времени до перегорания (то есть по квадратичному закону). Действительно, предохранители чаще всего характеризуются я2т кривые как сокращенный способ выражения энергии, необходимой для разрушения плавкого элемента, без учета сопротивления, Рв уравнении энергии я2Р в течение определенного времени, т. Для изменения зависимости тока от времени можно использовать различные приемы — в частности, для увеличения времени, в течение которого можно выдерживать умеренные перегрузки по току без чрезмерного ухудшения реакции на короткие замыкания, — но при более высоких перегрузках по току время, необходимое для размыкания предохранителя, имеет тенденцию к асимптотическому значению. минимум (из-за необходимости расплавленного металла упасть достаточно далеко, чтобы разорвать цепь). Более того, если предохранитель должен разорвать цепь постоянного тока с напряжением выше 50 В или около того, при плавлении плавкой вставки возникнет дуга, что продлит время, в течение которого ток будет проходить через нее (хотя и с падением напряжения на указанной дуге). С этой проблемой возникновения дуги становится все труднее справиться при использовании постоянного напряжения холостого хода (это менее проблематично для переменного тока из-за периодического возврата к 0 В) до такой степени, что требуется некоторая форма принудительного тушения дуги при напряжении выше 300 В постоянного тока или около того. (окружением плавкого элемента кварцевым песком, подпружиниванием и т.п.).
Тепловые выключатели также полагаются на я2Р нагрев до срабатывания, но это происходит за счет нагрева биметаллической полосы, который приводит к ее изгибу. Недорогие тепловые выключатели, которые не должны срабатывать более нескольких раз за срок службы, будут использовать биметаллическую полоску непосредственно для разведения токоведущих контактов (за счет саморазогрева полосы от тока нагрузки), но более надежные. в конструкциях — и особенно при более высоких токах — будет использоваться отдельная нагревательная катушка вокруг полосы, которая сама приводит в действие механизм переключения, так что при достижении критической температуры срабатывания происходит мгновенный отклик, а не более плавное движение, которое может вызвать искрение. . Тумблерный механизм обеспечивает либо бистабильное действие, что означает, что он стабилен как в закрытом, так и в открытом (отключенном) положениях, или моностабильное действие, что означает, что он автоматически возвращается в закрытое положение после охлаждения биметаллической полосы. Независимо от конкретной конструкции теплового выключателя, он будет иметь некоторые недостатки, которые не затрагивают более простой предохранитель (или, во всяком случае, не в такой степени). Во-первых, реакция на сильную перегрузку или короткое замыкание займет гораздо больше времени, чем у предохранителя того же номинального тока. С другой стороны, ток отключения (или время задержки перед тем, как произойдет срабатывание) будет более чувствителен к температуре окружающей среды, поскольку повышение температуры, необходимое для срабатывания биметаллической полосы, обязательно должно быть ограничено, чтобы не создавать ту самую опасность пожара, которая, как предполагается, чтобы предотвратить.
Термомагнитные выключатели устраняют чрезмерную задержку реагирования на серьезные перегрузки, характерную для чисто тепловых выключателей, путем пропускания тока нагрузки через соленоид, то есть линейную катушку с проводом вокруг движущегося ферромагнитного плунжера, который может независимо управлять выключателем. механизм переключения.
Магнитная сила, развиваемая соленоидом, пропорциональна току, протекающему через него, поэтому чем выше ток нагрузки, тем с большей силой (и, следовательно, быстрее) будет двигаться его плунжер. Магнитно-гидравлический выключатель устраняет чувствительность тока срабатывания к температуре окружающей среды, заменяя биметаллическую полосу вязкой жидкостью, с которой должен работать плунжер соленоида. При этом сохраняется относительно медленная реакция на умеренные перегрузки, типичная для теплового выключателя, при более быстрой реакции на короткие замыкания, достигаемой за счет механизма с магнитным приводом.
Электронные предохранители могут не только гораздо быстрее реагировать на перегрузку по току, но и реализовывать поведение тока в зависимости от времени, которое было бы непрактично (или невозможно) при использовании традиционных технологий.
Вышеупомянутые недостатки традиционных конструкций предохранителей и автоматических выключателей можно устранить с помощью электронного решения, то есть использования полупроводникового переключателя для разрыва цепи в случае неисправности, что приводит к появлению так называемого электронного предохранителя. или для краткости электронный предохранитель (хотя точнее было бы назвать его электронным автоматическим выключателем). Электронные предохранители могут не только гораздо быстрее реагировать на перегрузку по току, они также могут реализовать поведение тока в зависимости от времени, которое было бы непрактично (или невозможно) с традиционными технологиями, а также защитить от дополнительных опасностей, таких как перенапряжение, перенапряжение и понижение напряжения. температура и т. д. практически без дополнительных затрат (т. е. с помощью нескольких дополнительных компонентов или дополнительных строк кода). Кроме того, электронные предохранители могут стоить дешевле, чем обычные электромеханические выключатели с аналогичным номиналом прерывания тока (хотя, по общему признанию, в этом отношении они менее выгодны по сравнению с обычными предохранителями).
Простейшая реализация электронного предохранителя — это схема измерения тока, питающая компаратор, управляющий полупроводниковым переключателем. При рабочем напряжении примерно до 50 В и максимальных токах примерно до 20 А схема измерения тока обычно представляет собой резистивный шунт, подключаемый последовательно с отрицательной линией (так называемой низкой стороной), падение напряжения на которой умножается на Дифференциальный усилитель на базе операционного усилителя со скромным коэффициентом усиления (обычно от 2x до 10x), чтобы не создавать слишком больших потерь мощности в шунте. При более высоких напряжениях и/или токах схема измерения тока на основе датчика тока на эффекте Холла (или конкурирующей технологии, такой как гигантское магнитосопротивление) будет более привлекательным, потому что нет я2Р потери, возникающие из-за шунта, и автоматически обеспечивается гальваническая развязка. В любом случае, выходной сигнал схемы измерения тока будет сравниваться с опорным напряжением с помощью компаратора, который сам по себе может быть реализован с помощью аналоговой микросхемы (например, почтенной LM331 от Texas Instruments), хотя, вероятно, более распространенным является использование микроконтроллера в наши дни, особенно если должны быть реализованы другие защитные функции. Ключевое требование к функции компаратора состоит в том, чтобы она имела гистерезисили немного отличающиеся пороги включения и выключения, чтобы предотвратить колебания, когда ток нагрузки приближается к точке срабатывания перегрузки по току.
Выход компаратора, скорее всего, не сможет напрямую управлять полупроводниковым переключателем, поэтому потребуется какая-то схема драйвера затвора или ИС, но это может быть просто дополнительная пара биполярных транзисторов, подключенных в классической двухтактной конфигурации. Полупроводниковый переключатель чаще всего представляет собой либо один МОП-транзистор нижнего плеча (для блокировки протекания тока в одном направлении — т.е. только разряда, с точки зрения батареи), либо два МОП-транзистора, подключенных по принципу «исток-исток» (для двунаправленной блокировки). Эта последняя конфигурация обычно используется в BMS для литий-ионных батарей (которая, в конце концов, включает в себя все функции электронного предохранителя в дополнение к функциям мониторинга и балансировки элементов).
Менее очевидное требование к полупроводниковому переключателю состоит в том, чтобы полное сопротивление входного источника питания не было настолько низким, чтобы сделать невозможным выживание переключателя электронного предохранителя при резком коротком замыкании на выходе.
При более высоких напряжениях чаще всего устанавливают переключатель на стороне высокого напряжения (т. е. на положительной линии) и для управления им используют либо изолированный, либо сдвигающий уровень драйвер затвора, особенно когда отрицательная линия должна быть заземлена по соображениям безопасности. Одним из ключевых требований к полупроводниковому переключателю является то, что он должен выдерживать более высокий пиковый ток (или, точнее, иметь более высокий пиковый ток). энергия синтеза—я2т еще раз), чем устройство, которое оно защищает; Менее очевидное требование состоит в том, чтобы полное сопротивление входного источника питания не было настолько низким, чтобы сделать невозможным выживание переключателя электронного предохранителя при резком коротком замыкании на выходе. Обратите внимание, что последнее требование также применимо к обычным автоматическим выключателям и предохранителям, но его гораздо легче выполнить с помощью устройств, в которых не используются активные полупроводники. Это означает, что переключатель(и) в электронном предохранителе будет более мощным и, следовательно, более дорогим, чем полупроводниковые устройства, которые он должен защищать, что было бы экономически сомнительно, если бы не расширенные защитные возможности электронного предохранителя и гораздо более быстрая работа. скорость реакции.
Наконец, электронные предохранители, очевидно, требуют питания для работы, и если напряжение вышестоящего источника энергии не может быть напрямую использовано схемой электронного предохранителя (скажем, в диапазоне от 3 до 30 В), тогда какой-либо тип постоянного тока Также потребуется преобразователь постоянного тока, что увеличит общую стоимость и снизит надежность. Это также означает, что электронный предохранитель не может напрямую заменить существующий обычный предохранитель или автоматический выключатель, поскольку для завершения цепи питания ему требуется еще один провод обратно к источнику питания (хотя его обычно легко модернизировать).
Важно отметить, что существуют некоторые топологии силовых цепей, в которых никакой внешний предохранитель не сможет защитить полупроводниковые устройства от отказа, независимо от технологии предохранителя или скорости его срабатывания. Наиболее распространенным примером являются переключатели в трехфазном инверторе, поскольку непосредственно перед ними стоит конденсатор, подключенный непосредственно к шинам питания. Этот конденсатор, по сути, представляет собой источник напряжения с очень низким импедансом для переключателей, что означает, что он будет подавать на них очень высокий пиковый ток в случае неисправности, например, перекрытия проводимости обоих переключателей в ветви моста или междувитковом соединении. короткое замыкание в обмотках двигателя. Единственным хорошим решением для защиты переключателей, которые напрямую питаются от источника напряжения, является активное ограничение тока на уровне отдельного переключателя (т. импульс за импульсом ограничение тока). Другая ситуация, в которой электронный предохранитель может работать плохо, особенно по сравнению с его обычными аналогами, — это воздействие сильного скачка напряжения, например, в результате ближайшего непрямого удара молнии. Это происходит главным образом потому, что пассивные электрические (предохранители) или электромеханические (автоматические выключатели) устройства, как правило, гораздо более прочны, чем их электронные аналоги (электронные предохранители). В заключение отметим, что электронные предохранители не являются панацеей, и они не избавят вас от неверных проектных решений и выбора компонентов в силовых цепях, которые они должны защищать, но они могут снизить общие затраты на гарантию и техническую поддержку, а также, возможно, снизить затраты. меньше заранее, поэтому их определенно стоит рассмотреть.
Эта статья впервые появилась в выпуске 69: июль-сентябрь 2024 г. – Подпишитесь сейчас.
