Схема защиты от перенапряжения на транзисторе

Всё ещё встречаю проекты, где защиту от перенапряжения пытаются запихнуть в один стабилитрон — и потом удивляются, почему транзисторы горят пачками. На деле даже базовая схема на BJT или MOSFET требует учёта десятка параметров, которые в даташитах часто прячутся в сносках.

Почему классические решения подводят

Взять хотя бы типовую защиту на TVS-диоде — казалось бы, что может пойти не так? Но в импульсных блоках, где скачки достигают 100 нс, тепловая инерция диода просто не успевает сработать. Приходилось перепаивать платы для ООО Юэцин Сутун Электрооборудование после того, как партия контроллеров вышла из строя при тестировании на индуктивную нагрузку.

Особенно проблемными оказались цепи с обратной ЭДС — там, где стоят реле или двигатели. Стандартный TVS выдерживал разовый импульс, но после 5-6 циклов начинал деградировать. Пришлось добавлять каскад на MOSFET с регулируемым порогом срабатывания.

Кстати, о MOSFET — многие забывают, что Vds max указывается для 25°C. На практике при 85°C этот параметр может проседать на 15-20%. Как-то раз пришлось разбирать возвраты от клиентов Sutong именно из-за перегрева силовых ключей в летний период.

Разбор косяков в промышленных контроллерах

В 2022 году мы получили на доработку платы управления от завода в Юэцине — там защита была реализована через оптопару и стабилитрон. Всё бы ничего, но время отклика цепи составляло 2 мс, а скачки в сети длились 1-1.5 мс. В результате транзисторы успевали сгореть до срабатывания защиты.

Пришлось перепроектировать схему с использованием компаратора и быстродействующего MOSFET. Важный нюанс — пришлось добавить RC-цепочку для защиты от ложных срабатываний, но рассчитать её параметры оказалось сложнее, чем я предполагал.

Особенно неприятно было обнаружить, что китайские производители часто экономят на пассивных компонентах. Конденсаторы в цепях защиты имели разброс ёмкости до 40% — это выяснилось только после тестирования 50 образцов.

Нюансы работы с разными типами транзисторов

С биполярными транзисторами есть отдельная головная боль — напряжение пробоя обратного смещения. Как-то пришлось месяц разбираться, почему схема защиты срабатывает в случайные моменты. Оказалось, что при температуре выше 70°C обратный ток коллектора увеличивался в 3 раза и вызывал ложные срабатывания.

С MOSFET проще в плане управления, но сложнее с подбором пороговых напряжений. Особенно для высокочастотных применений — там ёмкость затвора начинает вносить значительные задержки. При проектировании для Sutong пришлось использовать драйверы с током до 4А, чтобы обеспечить быстрое переключение.

Интересный случай был с IGBT — там пришлось комбинировать несколько методов защиты. Помимо стандартной схемы, добавили датчик температуры на кристалле и цепь плавного ограничения тока. Без этого модули выходили из строя при коммутации индуктивной нагрузки.

Практические советы по компоновке

Самая частая ошибка — размещение элементов защиты в сантиметрах от защищаемого транзистора. Даже 5 см проводника добавляют достаточно индуктивности, чтобы сделать защиту неэффективной на фронтах короче 200 нс.

В проектах для ООО Юэцин Сутун Электрооборудование мы стали делать отдельные платы защиты, которые монтируются непосредственно на клеммы силовых транзисторов. Это добавило работы монтажникам, но снизило процент брака с 7% до 0.3%.

Ещё важно учитывать паразитные ёмкости — как-то раз защита не срабатывала из-за того, что монтажные отверстия создавали дополнительную ёмкость 15 пФ, которая шунтировала датчик напряжения.

Особенности тестирования и диагностики

Обычные осциллографы часто не показывают реальную картину — нужно использовать дифференциальные пробники и обязательно заземлять всё правильно. Как-то мы неделю искали причину сбоев, а оказалось, что наводки от блока питания создавали ложные пики в 20-30 В.

Для тестирования защиты теперь используем генератор импульсов с регулируемой скважностью — это позволяет имитировать реальные промышленные помехи. Стандартные тесты по ГОСТ часто не учитывают специфику работы преобразовательной техники.

Кстати, о диагностике — после случая с бракованными TVS-диодами мы ввели обязательное тестирование каждого компонента защиты перед монтажом. Это увеличило время подготовки, но сэкономило тысячи долларов на гарантийном обслуживании.

Что в итоге работает

За годы работы выработал эмпирическое правило: защита должна быть избыточной. Если расчёт показывает, что достаточно одного TVS-диода — ставь два. Если по даташиту хватает MOSFET на 60В — бери на 100В.

Особенно это касается работы в условиях Китая, где качество сетевого напряжения оставляет желать лучшего. В проектах для Sutong мы всегда закладываем запас по напряжению не менее 30% от номинала.

Сейчас экспериментируем с комбинированными схемами — быстродействующий ограничитель тока плюс классическая защита от перенапряжения. Пока результаты обнадёживают, но нужно ещё полгода тестов в реальных условиях.