Одним из многих преимуществ полупроводниковых при­боров силовой электроники являются их малые габариты. Однако небольшая масса и размеры их поверхности обуслов­ливают малую постоянную времени нагрева и ухудшение ус­ловий теплоотдачи. Тепловая чувствительность полупровод­никовых приборов предъявляет высокие требования к сред­ствам их защиты.

В схемах преобразователей силовой электроники полупро­водниковые ключи в наибольшей степени чувствительны к перегрузкам по току и напряжению. По этой причине, а так­же с учетом того, что силовые ключи являются наиболее дорогими компонентами схемы, основное внимание при раз­работке методов защиты следует уделять именно этим прибо­рам. Мероприятия по обеспечению защиты схемы и ее эле­ментов сводятся к двум основным направлениям: к устране­нию причин и источников электрической перегрузки и мето­дам борьбы с естественными перегрузками.

Защита от перегрузок по напряжению. Различают три ос­новных вида перегрузок по напряжению:

1. Возникающие в питающей сети.

2. Связанные с процессами коммутации в схеме преобра­зователя и обусловленные конечными временными парамет­рами переключения силовых ключей.

3. Обусловленные характером нагрузки.

Перегрузки первой группы определяются показателями качества питающей сети. Поскольку данные перенапряжения опасны для всех остальных компонентов схемы, для борьбы с ними используют внешние (например, цепочки RC) по отно­шению к конкретной схеме защитные устройства, включае­мые параллельно входу преобразователя.

Перегрузки по напряжению второй группы связаны с процессами накопления и рассасывания зарядов в ключевых элементах схемы, а также с влиянием паразитных элементов монтажа и корпуса полупроводниковых приборов. Данные перегрузки ограничиваются применением дополнительных защитных цепочек (например, RC) или снабберов, включае­мых параллельно ключу или группе приборов.

Перегрузки по напряжению третьей группы определяются, как правило, действием нагрузок со значительной индуктив­ностью, что требует дополнительных элементов (например, диодов), шунтирующих нагрузку и обеспечивающих перевод накопленной энергии с целью исключения всплесков напря­жения.

Защита от перенапряжений тиристора может осуществ­ляться с помощью включаемого параллельно ему варистора, сопротивление которого уменьшается с увеличением напря­жения.

Защита перегрузок по току. Основными видами аварий­ных токовых перегрузок являются:

1. Короткие замыкания, возникающие по следующим при­чинам: в силовой схеме, обусловленные повреждением како­го-либо ключа или диода; из-за повреждения ключа, соеди­ненного параллельно с несколькими другими приборами; на выходных клеммах преобразователя (так называемое «глу­хое» внешнее короткое замыкание); в цепи нагрузки.

2. Токовая нагрузка, связанная со сбоями в работе систе­мы управления, неидеальностью характеристик ключей, характером нагрузки (пусковой режим, перегрузка двигателя) и др.

Токовая защита тиристоров осуществляется с помощью автоматических включателей и быстродействующих предо­хранителей, включаемых последовательно с тиристорами. Первые служат для защиты от длительных перегрузок, а вто­рые — от кратковременных. Время срабатывания защитной аппаратуры должно соответствовать характеристикам защи­щаемого полупроводникового прибора. Значение I2t предо­хранителя должно быть не больше, чем соответствующее паспортное значение интеграла предельного тока ключа в режиме перегрузки.

Автоматические выключатели или предохранители должны обеспечивать разрыв цепи до выхода из строя тиристора, причем автоматический выключатель, как правило, отключает схему целиком, а предохранители могут быть установлены для каждого прибора индивидуально.

Следует отметить, что быстродействие данных устройств составляет единицы, а то и десятки миллисекунд, что для со­временных полностью управляемых ключей (например, IGBT) является недостаточным. Методы быстродействующей защи­ты микросекундного диапазона действия основываются на электронных схемах. Частично эти функции возлагают на драйверы современных силовых ключей.

Ограничение скорости нарастания анодного тока. В мо­мент подачи управляющего импульса при прямом напряже­нии на тиристоре анодный ток начинает протекать через пе­реход в непосредственной близости от вывода управляющего электрода и лишь затем распространяется по всей площади перехода. При большой скорости нарастания анодного тока и вследствие большой его плотности вблизи управляющего электрода возникают очаги перегрева, которые могут при­вести к выходу прибора из строя. Поэтому при включении тиристора производную анодного тока следует ограничивать некоторым предельным значением. Для этой цели могут быть использованы небольшие индуктивности в анодной цепи. Предельные значения производной тока di/dt для тиристоров лежат в пределах 20 — 500 А/мкс.

Ограничение скорости изменения анодного напряжения. Сели скорость изменения напряжения на тиристоре высока, ток может достигнуть значения, достаточного для включения тиристора без управляющего импульса. Эффект включения тиристора под воздействием du/dt приводят к сбоям в рабо­те преобразователя. Для защиты тиристора от непреднаме­ренного включения при больших du/dt применяется цепочка RC, включаемая параллельно тиристору. Предельные значе­ния производной анодного напряжения для тиристоров со­ставляют 20 — 500 В/мкс.

Теплоотвод. Современные полупроводниковые приборы в открытом состоянии обладают небольшим сопротивлением. Однако, при большом прямом токе в них могут выделяться значительные тепловые потери, способные вызвать разруше­ние прибора. Поэтому силовые полупроводниковые приборы оснащаются устройствами охлаждения, способствующими отводу тепла от полупроводникового прибора и передаче его в атмосферу.

Обычно мощность преобразователей с естественным ох­лаждением не превышает 10 кВт. На большие мощности ис­пользуют охладители с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением. В первом случае отвод тепла в окружающую среду осуществляется с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха, создаваемого вентилятором. При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускают теплоотводя­щую жидкость (вода, трансформаторное масло, диэлектриче­ская синтетическая жидкость).

Защита цепи управляющего электрода. Цепи управляю­щих электродов защищают как от перенапряжений, так и аварийных токов. Малая мощность этих цепей позволяет применять простые защитные средства, такие, как стабили­троны, ограничивающие напряжение на управляющем элек­троде, и токоограничивающие резисторы.

Одной из проблем, относящейся к тиристорным преобра­зователям, является ложное срабатывание тиристоров. В цепи управляющего электрода могут быть индуцированы импульсы от коммутации соседних тиристоров или сетевых помех, яв­ляющихся причиной перехода тиристора в открытое состоя­ние и неправильной работы схемы. Для устранения влияния помех между выводами управляющего электрода и катодом параллельно включают конденсатор и резистор, шунтирую­щие помехи. Кроме того, применяют скручивание и экрани­рование проводов и др.

Схемная защита. Рассмотренные виды аварийной защиты срабатывают не во всех возможных случаях неисправной ра­боты полупроводникового прибора. Для организации защиты цепей тиристорного преобразователя могут быть также ис­пользованы различные схемные решения. Одним из них яв­ляется блокировка управляющих импульсов. Обнаружив с помощью датчика превышение допустимого тока, схема пре­кращает подачу импульсов на тиристор. Могут быть также использованы и другие виды защиты, например электронный ключ, представляющий собой дополнительный тиристор, шунтирующий основной при аварийном токе до тех пор, по­ка не сработает автоматический выключатель.

Схема тиристорного блока с устройствами защиты пока­зана на рис. 5.25.

Силовые ключи с интегрированной системой защиты. Одной из основных тенденций развития современных сило­вых ключей является объединение в едином корпусе прибора функций переключателя, его управления и защиты. Данные приборы, получившие название «разумные» (Smart) или ин­теллектуальные (Intelligent), позволяют избавиться от гро­моздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты.

Среди уже достаточно широкого перечня этих приборов можно выделить следующие основные группы:

1. Силовые полупроводниковые ключи с одной или не­сколькими встроенными системами защиты. Для управления этими приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспе­чивают защиту от перенапряжений, токовых перегрузок и перегрева,

2. Силовые ключи с интегрированными функциями защи­ты и управления. Данные приборы получили название сило­вых интегральных схем (Power Integrated Circuits) и, как пра-

вило, разрабатываются для конкретной области применения, например, для систем управления электродвигателями.

3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules). Они строятся на базе IGBT — ключей для применения в преобразователях мощностью десятки и сотни киловатт.