Защита транзистора от короткого замыкания

Если честно, в промышленной автоматике до сих пор встречаю схемы, где про защиту транзистора думают в последнюю очередь. Все уповают на автоматические выключатели, а потом удивляются, почему платы горят пачками.

Почему стандартные предохранители не спасают

В 2018 году на одном из производственных объектов в Новосибирске пришлось разбираться с серийным выходом из строя IGBT-модулей. Местные инженеры ставили обычные плавкие вставки — формально защита есть, но транзисторы всё равно шли под замену каждые 2-3 месяца.

Проблема в том, что классический предохранитель срабатывает за 10-100 мс, а за это время импульс тока при КЗ успевает прожечь кремниевую структуру. Особенно критично в инверторах с высокочастотным ШИМ.

Кстати, у китайских коллег из ООО Юэцин Сутун Электрооборудование видел интересное решение в их схемах частотных преобразователей — там стоит комбинация быстродействующего полупроводникового предохранителя и аппаратного детектора перегрузки по току. Но об этом позже.

Аппаратные методы быстрого отключения

Сейчас в основном использую схему с DESAT-детекцией. Берём высоковольтный диод, подключаем его к коллектору, и через компаратор отслеживаем падение напряжения. Если оно превышает 6.5-7V — сразу блокируем затвор.

Но здесь есть нюанс с выбором диода: обычные выпрямительные не подходят из-за высокого времени восстановления. Приходится закупать специальные серии, например FFH30S60S, что удорожает схему на 15-20%.

Однажды пробовали заменить на более дешёвые аналоги — в результате при КЗ срабатывала защита, но транзистор всё равно выходил из строя из-за задержки в 200-300 нс.

Программные методы в микроконтроллерах

Современные ШИМ-контроллеры типа STM32G474 позволяют аппаратно блокировать выход за 50-70 нс. Но здесь важно правильно настроить dead time — если сделать слишком маленький, возникает сквозной ток.

В прошлом году налаживал систему управления для насосной станции, где заказчик требовал использовать дешёвый контроллер. Пришлось реализовывать защиту через аналоговую цепь обратной связи по току, что добавило лишних операционных усилителей и усложнило схему.

Коллеги из Sutong в своих последних разработках используют гибридный подход — аппаратное определение перегрузки с программной коррекцией порогов. Говорят, удалось снизить ложные срабатывания на 30%.

Тепловая защита как последний рубеж

Часто забывают, что даже при корректной работе электронной защиты, транзистор может перегреться за секунды. Особенно в корпусах TO-220 без радиатора.

Ставлю NTC-термисторы максимально близко к корпусу транзистора, но здесь есть проблема с тепловой инерцией. В импульсных режимах температура кристалла успевает подняться быстрее, чем сработает защита.

В некоторых случаях выручает принудительное охлаждение, но на объектах с запылённостью это создаёт дополнительные проблемы.

Практические кейсы и ошибки

В 2020 году пришлось переделывать схему управления двигателем на металлорежущем станке. Заказчик купил дешёвые силовые ключи без маркировки, при первом же КЗ выгорело 8 транзисторов из 12.

После анализа оказалось, что производитель сэкономил на встроенных стабилитронах 'защита транзистора от короткого замыкания' была только на бумаге. Пришлось добавлять внешние TVS-диоды и менять драйверы на более быстродействующие.

Сейчас при проектировании всегда закладываю 25-30% запас по напряжению и току, даже если техническое задание этого не требует. Опыт показал, что экономия на компонентах защиты всегда выходит боком.

Перспективные разработки

Недавно тестировал новые SiC-транзисторы — у них внутреннее сопротивление в разы меньше, но и требования к защите жёстче. Стандартные решения часто не срабатывают.

В документации к продукции ООО Юэцин Сутун Электрооборудование заметил интересную тенденцию — они начали встраивать датчики тока непосредственно в силовые модули. Это должно сократить время реакции до 10-15 нс.

Если получится адаптировать их подход для наших условий, возможно, удастся создать действительно универсальную систему защиты для высокочастотных преобразователей.