Защита от перенапряжения на тиристоре

Вот смотрю на схемы с тиристорами — многие думают, что snubber-цепочка решит все проблемы. На деле же, если не учитывать скорость нарастания напряжения dU/dt, даже корректно рассчитанный RC-компонент не спасёт от пробоя в переходных процессах.

Тиристорные схемы в силовой электронике

Работая с преобразователями для промышленных установок, постоянно сталкиваешься с тем, что расчёт защиты ведётся по идеализированным моделям. Например, в инверторах тока внезапная коммутация индуктивной нагрузки вызывает выбросы, которые стандартные варисторы не успевают подавить. Особенно критично это для модулей, где тиристоры работают в режиме жёсткого переключения.

Помню случай на металлургическом предприятии под Чжэцзяном — там в электродуговой печи постоянно выходили из строя тиристорные сборки. Локальная защита стояла, но при анализе осциллограмм выяснилось, что фронт перенапряжения достигал 3 кВ/мкс. Пришлось пересматривать всю концепцию — добавлять TVS-диоды последовательно с варисторами и менять топологию монтажа.

Кстати, в каталогах ООО Юэцин Сутун Электрооборудование есть интересные решения по силовым полупроводниковым модулям — обращал внимание на их сборки для тяговых преобразователей. Но в их документации мне не хватило детальных графиков по стойкости к импульсным перенапряжениям, пришлось запрашивать дополнительные испытания.

Особенности расчёта защитных цепей

dU/dt — тот параметр, который часто упускают из виду. В паспортах тиристоров обычно указывают предельное значение, но на практике форма кривой напряжения оказывается важнее абсолютных цифр. Если фронт имеет колебательный характер (а так часто бывает при длинных кабельных линиях), даже 200 В/мкс могут оказаться фатальными.

Для мощных тиристоров типа ТЧ-125 стараюсь использовать трёхуровневую защиту: RC-цепь непосредственно на выводах, ограничители на основе оксидно-цинковых варисторов и плазменный разрядник на стороне сети. Но здесь есть нюанс — при последовательном соединении варисторов из-за разброса параметров может возникнуть неравномерное распределение энергии.

Однажды при тестировании схемы для сварочного оборудования перегрелись два варистора в цепи защиты от перенапряжения. Оказалось, производитель указал максимальную погрешность 10% по напряжению срабатывания, а в партии попались экземпляры с разбросом до 15%. Пришлось вручную подбирать пары по результатам тестирования.

Практические кейсы из опыта

На подстанции 110/10 кВ в Вэньчжоу столкнулись с повторяющимися отказами тиристорных возбудителей синхронных компенсаторов. Диагностика показала, что грозовые перенапряжения проникали через цепи измерения напряжения. Стандартная защита была рассчитана на импульсы 8/20 мкс, а реальные помехи имели фронт 1,2/50 мкс.

При модернизации добавили симметричные TVS-диоды непосредственно на клеммы тиристорных модулей. Важный момент — пришлось учитывать паразитную индуктивность соединительных шин, которая вносила задержку в срабатывание защиты. Для точной оценки устанавливали датчики Холла в нескольких точках схемы.

Интересно, что после этого случая начали сотрудничать с ООО Юэцин Сутун Электрооборудование — их инженеры предложили кастомные сборки с встроенными датчиками тока. Не идеальное решение, но для типовых проектов вполне рабочее.

Ошибки проектирования и как их избежать

Самая распространённая ошибка — установка защитных элементов слишком далеко от защищаемого тиристора. Даже 10-15 см проводников добавляют достаточно индуктивности, чтобы свести на нет эффективность быстродействующих ограничителей. Всегда стараюсь монтировать варисторы и RC-цепи непосредственно на клеммах силовых модулей.

Другая проблема — неучёт температуры окружающей среды. Например, варисторы на основе оксида цинка при нагреве до 85°C снижают напряжение срабатывания на 15-20%. В шкафах с принудительным охлаждением это может привести к ложным срабатываниям защиты.

Для критичных применений теперь всегда делаю тепловое моделирование всего узла защиты. Кстати, на сайте https://www.sutong.ru в разделе технической документации нашли полезные данные по температурным коэффициентам их варисторов — пригодилось при расчёте системы для прокатного стана.

Перспективные решения и личный опыт

В последнее время экспериментирую с многоуровневыми системами на основе SIC-диодов. Они хоть и дороже традиционных решений, но обеспечивают скорость срабатывания до 1 нс. Для преобразователей с ШИМ на высоких частотах это единственный способ гарантировать защиту.

Пробовал комбинировать варисторы от ООО Юэцин Сутун Электрооборудование с быстродействующими предохранителями — получилась неплохая схема для ветроэнергетических установок. Но пришлось дорабатывать конструктив, чтобы обеспечить теплоотвод от пары варистор-предохранитель.

Из неудач — попытка использовать газонаполненные разрядники для прямой защиты тиристоров в инверторах. Теоретически должно было работать, но на практике время срабатывания 100 нс оказалось недостаточным для мощных IGBT-модулей. Вернулись к классическим схемам с подавительными диодами.

Заключительные мысли

За годы работы убедился — не существует универсального решения для защиты тиристоров от перенапряжения. Каждый случай требует анализа не только параметров самого полупроводника, но и характеристик всей системы: длины соединительных проводников, индуктивности нагрузки, вероятности грозовых перенапряжений в конкретном регионе.

Сейчас при подборе компонентов всегда запрашиваю не только паспортные данные, но и протоколы испытаний при нестандартных формах импульсов. Производители вроде ООО Юэцин Сутун Электрооборудование постепенно начинают предоставлять такую информацию, что упрощает проектирование.

Главный вывод — защита должна быть избыточной. Лучше поставить дополнительные ограничители, чем потом менять выгоревшие тиристорные сборки. Особенно с учётом того, что современное оборудование работает на границе допустимых режимов.