Схема защиты от перенапряжения на тиристоре

Всё ещё встречаю проекты, где защиту тиристора от перенапряжения сводят к паре конденсаторов — будто бы речь о лампочке на 12 вольт. На деле же даже при номинальном токе в 50А тиристор может выйти из строя из-за коммутационных выбросов, которые не всегда видны на стандартном осциллографе. Помню, как на тестовом стенде в ООО Юэцин Сутун Электрооборудование мы трижды меняли сборку, пока не обнаружили резонансные частоты от соседнего инвертора.

Почему классические схемы не всегда работают

Стандартная RC-цепочка часто подбирается по упрощённым формулам, без учёта реальных переходных процессов. Например, для тиристоров в цепях до 1000В многие ставят резисторы на 10 Ом — но при импульсной нагрузке этого оказывается мало. Один раз пришлось переделывать плату для клиента из Татарстана: их инженеры использовали типовую схему из учебника, но не учли, что кабели длиной 15 метров создавали паразитную ёмкость.

Важно не просто гасить перенапряжение, а учитывать скорость нарастания dv/dt. В некоторых случаях помогает последовательное включение TVS-диодов, но тут есть нюанс — они сами могут вносить помехи. На сайте https://www.sutong.ru есть пример расчёта для трёхфазных систем, но я бы добавил туда данные по температурному дрейфу параметров.

Особенно критично для силовых модулей, где тиристоры работают в паре с симисторами. Тут уже надо комбинировать варисторы и снабберы, причём расположение элементов на плате влияет на эффективность не меньше, чем номиналы. Как-то раз пришлось переложить дорожки заново — монтажники разместили компоненты слишком близко к силовым клеммам.

Оборудование для тестирования защиты

В нашей лаборатории в Юэцине используем генераторы импульсов 1.2/50 μs, но для полной картины нужны ещё измерения при разных температурах. Было дело — схема прекрасно работала при +25°C, но на морозе -10°C варистор не успевал срабатывать. Пришлось добавлять подогрев платы, что увеличило стоимость узла на 12%.

Сейчас многие переходят на цифровые симуляторы, но живые испытания всё равно незаменимы. Например, при коммутации индуктивной нагрузки 40 мГн осциллограф показывает выбросы до 800В даже при штатном токе 30А. Такие данные редко есть в даташитах — мы их собирали годами, часть опубликована на https://www.sutong.ru в разделе про промышленную автоматизацию.

Кстати, о измерениях: не стоит доверять дешёвым пробникам. Как-то купили партию щупов с заявленной полосой 100 МГц — оказалось, реально они работают только до 30 МГц. Из-за этого пропустили всплеск длительностью 20 нс, который и убил тиристоры в контроллере вентиляции.

Типичные ошибки монтажа

Самая частая проблема — слишком длинные выводы у защитных диодов. Видел сборки, где расстояние от тиристора до варистора было 5 см — при скорости нарастания 100 В/μs это сводит защиту на нет. Идеально — не более 1.5 см, а лучше поверхностный монтаж.

Ещё забывают про тепловые режимы. RC-цепочка греется при частой коммутации, и если поставить её вплотную к тиристору — перегрев гарантирован. В одном проекте для лифтового оборудования пришлось делать отдельный теплоотвод для снабберного резистора, хотя изначально его мощность казалась избыточной.

Отдельная история — изоляция. Помню случай на металлургическом комбинате: тиристоры выходили из строя раз в месяц. Оказалось, монтажники использовали стандартные прокладки вместо термопасты с диэлектрическими свойствами — на корпусе накапливался статический заряд.

Пример с модернизацией пресса

В 2021 году переделывали схему управления гидравлическим прессом — тиристоры постоянно пробивало при отключении питания. Старая защита состояла из одного варистора на 1100В, но при анализе осциллограмм увидели пики до 1400В. Добавили LC-фильтр и симметричный TVS-диод — проблема исчезла.

Интересно, что изначально клиент хотел просто заменить тиристоры на более мощные. Но расчёты показали — без изменения схемы защиты новые компоненты проживут ненамного дольше. В итоге пересобрали весь силовой блок, использовав наработки с https://www.sutong.ru по компактному размещению элементов.

Кстати, после этого случая начали рекомендовать клиентам не экономить на измерительной технике. Лучше купить один нормальный осциллограф, чем десять раз менять сгоревшие модули. Хотя понимаю — не все готовы вкладывать 300+ тысяч рублей в оборудование для редких измерений.

Перспективные решения и ограничения

Сейчас экспериментируем с многоуровневой защитой — сначала быстродействующий предохранитель, потом варистор, затем снабберная цепь. Для тиристоров на 1600В это даёт прирост надёжности, но усложняет расчёты. Особенно трудно подобрать пороги срабатывания при импульсных помехах от частотных преобразователей.

Заметил, что китайские производители часто завышают параметры варисторов. Как-то тестировали партию с маркировкой 680V — реальное напряжение срабатывания было 720-750V. Для точных схем это недопустимо, поэтому теперь закупаем компоненты только у проверенных поставщиков, часть из которых указана на https://www.sutong.ru в каталоге.

Из новинок пробуем SMD-варисторы — они хоть и дороже, но дают лучшие характеристики по быстродействию. Правда, для силовых цепей выше 100А пока не нашли достойных аналогов классическим дисковым моделям. Возможно, через год-два появятся решения — следим за разработками японских компаний.

Выводы для практиков

Главное — не доверять типовым решениям слепо. Всегда снимайте осциллограммы в реальных условиях, желательно при максимальной нагрузке и разных температурах. Да, это занимает время, но дешевле, чем экстренная замена оборудования на объекте.

Для серийных изделий рекомендую закладывать запас по напряжению не менее 25% — даже если в спецификациях указаны идеальные условия. Помните, что схема защиты от перенапряжения на тиристоре должна компенсировать не только внешние помехи, но и внутренние переходные процессы.

И последнее: не стесняйтесь консультироваться с коллегами. Как показывает практика ООО Юэцин Сутун Электрооборудование, даже опытные инженеры могут упустить нюансы — например, влияние вибрации на контакты или старение оксидного слоя в конденсаторах. Лучше потратить день на проверку, чем месяц на устранение последствий.