Защита источника от перегрузки

Когда слышишь 'защита от перегрузки', первое, что приходит в голову — автоматические выключатели или предохранители. Но на практике всё сложнее: я видел десятки случаев, когда формально защита есть, а оборудование всё равно горит. Особенно в силовой электронике, где перегрузка — это не просто превышение тока, а целый комплекс проблем: от нестабильности сети до теплового пробоя полупроводников.

Почему стандартные решения часто не работают

Возьмём типичный DC/DC-преобразователь. По документации у него есть встроенная защита, но в реальных условиях срабатывает она с задержкой, которая критична для MOSFET-транзисторов. Однажды на тестовом стенде в ООО Юэцин Сутун Электрооборудование мы столкнулись с парадоксом: модуль выдерживал 120% нагрузки по спецификации, но выходил из строя при 105% из-за резкого скачка напряжения. Оказалось, проблема в индуктивности монтажа.

Многие производители до сих пор используют защиту источника от перегрузки на основе простого измерения тока. Но в импульсных схемах этого недостаточно — нужно отслеживать dI/dt и температуру кристалла. Мы в своих разработках добавили двухуровневую систему: быстрый отклик по току затвора и медленный по тепловой модели. Да, это удорожает схему на 10-15%, но предотвращает 90% отказов.

Интересный момент: иногда 'защита' сама становится источником проблем. Например, при использовании TVS-диодов для подавления перенапряжений может возникнуть ложное срабатывание из-за переходных процессов. Пришлось вводить задержку на микроконтроллере, но и это не панацея — в некоторых случаях лучше вообще отказаться от активной защиты в пользу пассивного охлаждения.

Тепловой расчёт как основа надёжности

Большинство инженеров смотрят на максимальный ток, но забывают про тепловое сопротивление. У нас был проект, где источник питания проектировался для работы при +40°C, но в реальном шкафу температура достигала +60°C. Естественно, защита источника от перегрузки срабатывала постоянно, хотя по токам всё было в норме.

Пришлось пересчитывать всё с нуля, учитывая не только Rθjc, но и Rθca. Кстати, для силовых модулей IGBT мы теперь всегда добавляем запас по току 30% — не потому что модуль слабый, а потому что теплоотвод никогда не работает идеально. Особенно в условиях Китая с высокой влажностью и запылённостью.

На сайте https://www.sutong.ru мы как-то опубликовали методику расчёта для разных климатических зон. Не уверен, что все её правильно поняли — многие до сих пор думают, что защита это только про электронику, а не про тепловые режимы.

Практические кейсы из опыта ООО Юэцин Сутун Электрооборудование

В 2019 году мы поставляли стабилизаторы для одного завода в Узбекистане. Там были проблемы с качеством сети — постоянные провалы напряжения. Заказчик требовал защиту от перегрузки, но по факту нужна была защита от недонапряжения. Пришлось переделывать схему под комбинированную защиту.

Ещё случай: для систем освещения использовались драйверы с классической защитой. Но при одновременном включении 100+ светильников возникали токовые броски, которые система воспринимала как перегрузку. Решение нашли нестандартное — добавили плавный старт и групповое включение с задержкой.

Кстати, именно после этого случая мы начали использовать в протоколах тестирования не только номинальные параметры, но и переходные процессы. Это теперь стандарт для всех продуктов, которые разрабатываются в Юэцин.

Оборудование и методики тестирования

Современные источники питания нужно тестировать не только на стабильной нагрузке, но и на динамической. Мы используем электронные нагрузки с программируемыми профилями — только так можно увидеть, как поведёт себя защита источника от перегрузки в реальных условиях.

Одна из наших ошибок: сначала мы тестировали только при комнатной температуре. Но оказалось, что при -10°C электролитические конденсаторы меняют параметры, и защита срабатывает позже. Теперь все испытания проводятся в термокамере от -20°C до +70°C.

Для силовых преобразователей выше 10 кВт мы дополнительно используем тепловизоры — иногда перегрев происходит в самых неожиданных местах, например в местах пайки шин. Это невозможно обнаружить без визуализации тепловых полей.

Перспективы и новые вызовы

С появлением SiC- и GaN-транзисторов требования к защите изменились. Эти компоненты работают на частотах в сотни кГц, и традиционные схемы защиты просто не успевают реагировать. Приходится разрабатывать полностью цифровые системы на быстрых DSP.

Ещё одна проблема — взаимовлияние источников в сложных системах. Когда несколько преобразователей работают на общую нагрузку, их защита должна быть скоординирована. Мы сейчас как раз работаем над таким проектом для системы бесперебойного питания.

Если говорить о будущем, то классическая защита источника от перегрузки постепенно превращается в интеллектуальную систему прогнозирования отказов. Но это требует совсем другого подхода к проектированию — не как к набору компонентов, а как к единой системе с обратными связями.

Выводы и рекомендации

Главный урок, который мы извлекли: не существует универсального решения. Каждый случай требует индивидуального расчёта и тестирования. Даже проверенные схемы могут вести себя непредсказуемо в новых условиях.

Для инженеров из ООО Юэцин Сутун Электрооборудование теперь обязательным стало моделирование в LTspice или аналогичных программах перед тем, как запускать производство. Это позволяет выявить 80% потенциальных проблем на ранней стадии.

И последнее: самая эффективная защита — это не усложнение схемы, а правильный выбор компонентов и их рабочих режимов. Иногда проще поставить более мощный транзистор, чем разрабатывать сложную систему защиты. Но этот баланс каждый раз приходится находить заново.