Защита затвора полевого транзистора от перенапряжения

Если думаете, что достаточно поставить стабилитрон — готовьтесь к внезапным пробоям в морозную погоду. На деле тонкостей больше, чем в инструкции к китайской дрели.

Почему классические схемы нас подводят

Вспоминаю, как в 2018 на тестовом стенде ООО Юэцин Сутун Электрооборудование мы потеряли партию IGBT из-за ?проверенной? схемы с TVS-диодом. Оказалось, при коммутации индуктивной нагрузки пики достигали 40 нс — быстрее, чем срабатывала защита.

Коллеги из сервисного отдела до сих пор спорят, стоит ли дублировать цепи защиты. Лично я после случая с прожекторными системами для аэродома всегда ставлю двунаправленные ограничители. Да, дороже на 15%, но ночные вызовы на объект сократились вдвое.

Кстати, на сайте https://www.sutong.ru есть кейс по релейной защите — там как раз затрагивали тему скоростных перенапряжений. Жаль, в 2016 при запуске производства мы этого не учли.

Типичные ошибки монтажа

Видел, как на производстве паяльником на 60Вт гробили затворы IRF840. Температурный шок — и порог срабатывания уплывает на 2-3В. Теперь в техпроцессе ООО Юэцин Сутун Электрооборудование прописан паяльный станок с термоконтролем.

Ещё хуже, когда монтажники экономят на термоусадке. В влажном климате Вэньчжоу это гарантированные утечки по затвору. Проверяли на уличных контроллерах — за месяц поражение изоляции в 70% случаев.

Заметил, что после переезда в промзону Юэцина проблема усугубилась. Видимо, промышленная пыль с соседних заводов влияет.

Неочевидные зависимости от температуры

Зимой 2021 на северных объектах начались массовые отказы. Выяснилось, что при -40°C емкость затвора MOSFET меняется так, что стандартные RC-цепи перестают работать. Пришлось срочно пересчитывать для арктических модификаций.

Сейчас для критичных применений используем связку: варистор + быстрый диод + термистор. Да, сложнее, но хотя бы не приходится объяснять заказчикам, почему их оборудование не пережило мороз.

Коллега из лаборатории как-то показал осциллограммы — при резком охлаждении фронт перенапряжения становится круче в 1.7 раза. Это много.

Проблемы с измерением

Обычный мультиметр здесь бесполезен. Мы в ООО Юэцин Сутун Электрооборудование используем Tektronix с полосой 200МГц, и то иногда пики ускользают. Особенно сложно поймать наводки от силовых шин.

Запомнился случай на подстанции, где помехи шли по цепям заземления. Три дня искали, пока не подключили дифференциальные пробники.

Сейчас для полевых измерений собрали переносной стенд с изолированным питанием. Выручает при диагностике на объектах.

Материалы имеют значение

После тестов с керамическими подложками пришли к выводу: AlN хоть и дороже, но теплопроводность 170 Вт/м·К против 24 у Al2O3 того стоит. Затворы живут дольше при перегрузках.

Фольгированные изоляторы — отдельная история. Дешёвые аналоги дают паразитную емкость до 15пФ, что убивает быстродействие защиты.

В новых разработках перешли на медные основания с никелевым покрытием. Дороже, но хотя бы не отслаивается как олово при термоциклировании.

Что в итоге работает

За шесть лет набили столько шишек, что теперь для каждого применения пишем отдельную инструкцию. Для импульсных блоков — одна схема, для motor drive — другая.

Самое стабильное решение: многоуровневая защита с разными временами срабатывания. Первый каскад — варистор на 100нс, потом TVS на 10нс, и уже для самых крутых фронтов — специализированные микросхемы защиты.

Да, себестоимость платы вырастает. Но дешевле, чем менять силовые модули на ветряках через полгода эксплуатации. Проверено на объектах в Приморье.