Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe w elektronice mocy
Dlaczego zabezpieczenia przeciwprzepięciowe są ważne?
Elementy elektroniki mocy pracują przy wysokich napięciach i dużych prądach. Podczas szybkiego przełączania tranzystorów mogą powstawać krótkotrwałe impulsy napięciowe, które przekraczają dopuszczalne wartości dla zastosowanych półprzewodników.
Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe mają za zadanie ograniczać amplitudę takich impulsów i chronić elementy stopnia mocy przed uszkodzeniem.
Skąd powstają przepięcia w układach mocy?
Przepięcia mogą być związane między innymi z:
- indukcyjnością przewodów,
- przełączaniem tranzystorów IGBT i MOSFET,
- wyłączaniem obciążeń indukcyjnych,
- pracą silników,
- długością przewodów,
- niewłaściwym prowadzeniem połączeń,
- nieprawidłową pracą układów sterowania.
Szczególnie istotne są przepięcia występujące podczas szybkiego przełączania dużych prądów.
Układy snubber
Jednym ze sposobów ograniczania przepięć są układy snubber.
Mogą one wykorzystywać:
- rezystory,
- kondensatory,
- diody,
- kombinacje tych elementów.
Ich zadaniem jest ograniczenie niepożądanych impulsów napięciowych pojawiających się podczas przełączania elementów mocy.
Warystory
Warystory mogą być stosowane jako elementy ochronne w obwodach mocy i zasilania.
Przy normalnym napięciu charakteryzują się wysoką rezystancją. W przypadku przekroczenia określonego poziomu napięcia zaczynają przewodzić i ograniczać jego wzrost.
Po silnym przepięciu warystor może zostać uszkodzony, dlatego jego stan należy sprawdzić podczas diagnostyki urządzenia po awarii.
Diody TVS
Diody TVS są stosowane do szybkiego ograniczania krótkotrwałych impulsów napięciowych.
W elektronice mocy mogą chronić między innymi:
- układy sterujące,
- obwody pomocnicze,
- wejścia sterowników,
- linie komunikacyjne,
- wybrane obwody tranzystorów.
Ich dobór musi uwzględniać napięcie pracy oraz charakter chronionego obwodu.
Zabezpieczenia tranzystorów IGBT
IGBT są szczególnie narażone na przepięcia występujące podczas przełączania.
W zależności od konstrukcji stosowane mogą być:
- układy snubber,
- diody,
- obwody ograniczające napięcie,
- odpowiednio dobrane kondensatory,
- układy zabezpieczeń drivera.
Nieprawidłowe działanie zabezpieczenia może doprowadzić do przebicia tranzystora.
Zabezpieczenia tranzystorów MOSFET
MOSFET-y również wymagają ochrony przed nadmiernym napięciem dren–źródło oraz przepięciami związanymi z przełączaniem obciążeń indukcyjnych.
Podczas diagnostyki należy zwrócić uwagę na:
- obwód snubber,
- diody zabezpieczające,
- napięcie sterujące bramką,
- układ drivera,
- przebiegi podczas przełączania.
Przepięcia mogą uszkodzić nie tylko tranzystor, ale również jego driver.
Przepięcia w obwodzie DC BUS
W falownikach i napędach szczególną uwagę należy zwrócić na przepięcia występujące w obwodzie pośrednim DC.
Mogą one być związane między innymi z:
- hamowaniem silnika,
- oddawaniem energii do obwodu DC,
- niewłaściwą pracą układu hamowania,
- dużą bezwładnością układu mechanicznego.
Przekroczenie dopuszczalnego napięcia może spowodować zadziałanie zabezpieczeń lub uszkodzenie modułów mocy.
Przepięcia podczas hamowania
Podczas hamowania niektóre napędy mogą odzyskiwać energię z silnika, która trafia z powrotem do obwodu pośredniego.
Jeżeli energia nie zostanie odpowiednio odprowadzona, napięcie DC BUS może wzrosnąć do poziomu powodującego alarm lub uszkodzenie.
W takich przypadkach istotne jest sprawdzenie układu hamowania, rezystora hamowania oraz elementów sterujących.
Diagnostyka zabezpieczeń przeciwprzepięciowych
Diagnostykę należy rozpocząć od oględzin oraz sprawdzenia elementów ochronnych.
Warto skontrolować:
- warystory,
- diody TVS,
- kondensatory,
- rezystory snubber,
- diody,
- elementy driverów,
- połączenia PCB.
Następnie można przejść do obserwacji przebiegów napięciowych podczas pracy urządzenia.
Analiza przepięć oscyloskopem
Oscyloskop pozwala zobaczyć krótkotrwałe impulsy napięciowe, które mogą być niewidoczne podczas pomiaru multimetrem.
Można analizować:
- amplitudę impulsów,
- czas trwania,
- częstotliwość występowania,
- moment pojawienia się przepięcia,
- różnice pomiędzy sprawnym i uszkodzonym kanałem.
Takie pomiary są szczególnie przydatne podczas diagnostyki powtarzających się uszkodzeń tranzystorów.
Objawy niesprawnego zabezpieczenia
Awaria obwodu przeciwprzepięciowego może prowadzić do:
- powtarzających się uszkodzeń IGBT,
- uszkodzeń MOSFET,
- przebijania diod,
- wybijania zabezpieczeń,
- alarmów stopnia mocy,
- nadmiernego nagrzewania,
- niestabilnej pracy urządzenia.
Jeżeli nowy element mocy ulega uszkodzeniu krótko po wymianie, należy sprawdzić również układy ochronne.
Wymiana elementów zabezpieczających
Podczas wymiany należy zastosować elementy o właściwych parametrach.
Należy uwzględnić między innymi:
- napięcie pracy,
- napięcie zadziałania,
- energię impulsu,
- dopuszczalny prąd,
- częstotliwość pracy,
- charakter obciążenia,
- warunki termiczne.
Nieprawidłowo dobrany element może nie zapewnić odpowiedniej ochrony albo sam ulec uszkodzeniu.
Test po naprawie
Po wymianie elementów zabezpieczających należy sprawdzić zachowanie całego stopnia mocy.
Warto zweryfikować:
- napięcia,
- prądy,
- przebiegi podczas przełączania,
- temperaturę,
- działanie zabezpieczeń,
- stabilność pracy pod obciążeniem.
W przypadku urządzeń, w których wcześniej występowały powtarzające się uszkodzenia, szczególnie istotny jest dłuższy test pracy.
Podsumowanie
Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe są istotnym elementem niezawodności elektroniki mocy. Ograniczają impulsy napięciowe powstające podczas przełączania tranzystorów, pracy obciążeń indukcyjnych oraz zmian energii w obwodach pośrednich.
Podczas diagnostyki powtarzających się uszkodzeń IGBT, MOSFET lub innych elementów mocy należy sprawdzać nie tylko sam półprzewodnik, ale również układy snubber, warystory, diody ochronne i przebiegi napięciowe. Dzięki temu można znaleźć rzeczywistą przyczynę awarii, a nie jedynie jej skutek.