Результат интеллектуальной деятельности: Устройство защиты цепей питания постоянного тока от короткого замыкания

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в силовой электронике для повышения надежности работы силовых MOSFET транзисторов в цепях питания постоянного тока напряжением 310 В при работе на индуктивную нагрузку.

Из уровня техники известно устройство защиты от короткого замыкания [Борисенко Д.Н., Жохов А.А., Редькин Б.С.// Патент РФ №2760360 от 24.11.2021 Бюл. №33] - прототип. Схема устройства с разделенными силовой (G2) и сигнальной (G1) массами, повышает надежность работы устройства и обеспечивает низкий уровень шумов с датчика тока. Усиленный сигнал с датчика тока после однопороговой оцифровки подается на вход «CS» драйвера «нижнего плеча» IR2121, который формирует управляющий сигнал на затвор силового MOSFET транзистора IRF840. Как показала практика, при работе прототипа на индуктивную нагрузку в случае аварийных ситуаций, на затворе силового MOSFET транзистора IRF840 появляются кратковременные «выбросы» ЭДС-самоиндукции напряжением около 2⋅U_пит.≈600 В. Такие значения напряжения губительно сказываются на работоспособности драйвера IR2121 и, как следствие, на работоспособности всего устройства. Поэтому очевидно, что прототип способен защитить силовой MOSFET транзистор оттоков короткого замыкания в цепи питания постоянного тока напряжением 310 В, но не может быть использован при работе на индуктивную нагрузку по причине недостаточно высоких предельно допустимых значений напряжения пробоя драйвера «нижнего плеча» IR2121 и силового MOSFET транзистора IRF840.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства защиты цепей питания постоянного тока от короткого замыкания при работе на индуктивную нагрузку.

Технический результат достигается за счет того, что в схеме прототипа драйвера «нижнего плеча» IR2121 был заменен на симметричный триггер, собранный на базе высоковольтных MOSFET транзисторов STF12N120K5 (напряжение пробоя сток-исток 1200 В), управляющих работой высоковольтного силового MOSFET транзистора STW12N150K5 (напряжение пробоя сток-исток 1500 В). В результате предложенного оригинального схемотехнического решения с использованием новой элементной базы было обнаружено, что разработанное устройство способно защитить цепи питания постоянного тока напряжением 310 В от короткого замыкания при работе на индуктивную нагрузку с быстродействием на 25% превосходящее быстродействие прототипа. Кроме того, устройство способно защитить цепи питания постоянного тока напряжением до 1000 В от короткого замыкания при работе на активную нагрузку.

Устройства, схема которого представлена на фиг. 1, работает следующим образом. Сигнал с датчика тока RS после усиления операционным усилителем DA2 TL081 и однопороговой оцифровки компаратором DA1 LM393 подается на транзистор VT6 IRF840, который управляет в ключевом режиме симметричным триггером VT3, VT4, собранном на высоковольтных MOSFET транзисторах STW12N120K5; бустер VT2, VT7 на высоковольтных MOSFET транзисторах STW12N120K5 ускоряет включение и выключение силового MOSFET транзистора STW12N150K5 VT5; при появлении импульса ЭДС-самоиндукции при работе на индуктивную нагрузку Rн транзистор VT5 закрывается и ЭДС на его стоке уходит на массу G1 по цепи «паразитных» емкостей транзисторов VT5, VT7, резистор R4 и светодиод HL1 без повреждения схемы; с помощью кнопки SB и транзистора VT1 IRF840 осуществляют перезапуск триггера после срабатывания защиты в случае короткого замыкания в нагрузке Rн или «выбросов» ЭДС-самоиндукции; световую индикацию работы триггера обеспечивают светодиоды HL1 и HL2. В результате измерения частотных характеристик прототипа и предлагаемого устройства было обнаружено, что быстродействие разработанного устройства на 25% превосходит быстродействие прототипа.