Устройство защиты цепей питания постоянного тока от короткого замыкания

Авторы патента:

H02H3/087 - для цепей постоянного тока

Владельцы патента RU 2778553:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в силовой электронике для повышения надежности работы цепей питания постоянного тока напряжением 310 В при работе на индуктивную нагрузку. Технический результат достигается за счет того, что в схеме прототипа драйвер «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% превосходящим быстродействие прототипа. Кроме того, устройство способно защитить цепи питания постоянного тока напряжением до 1000 В от короткого замыкания при работе на активную нагрузку. 1 ил.

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.

Устройство защиты от короткого замыкания в цепях питания постоянного тока, содержащее датчик тока, операционный усилитель, компаратор и силовой MOSFET транзистор, отличающееся тем, что при работе на индуктивную нагрузку силовым высоковольтным MOSFET транзистором управляет симметричный триггер, собранный на высоковольтных MOSFET транзисторах, симметричным триггером управляет транзистор в ключевом режиме, на который подаётся сигнал с датчика тока после усиления операционным усилителем и однопороговой оцифровки компаратором, при этом симметричный триггер связан с силовым высоковольтным MOSFET транзистором через бустер на MOSFET транзисторах, параллельно каждому MOSFET транзистору симметричного триггера включена цепь из резистора и светодиода.

Похожие патенты:

Твердотельный коммутатор // 2764865

Изобретение относится к электронной технике и может быть использован для коммутации силовых электрических цепей постоянного тока, управления нагрузками, защиты источников электроэнергии и цепей от перегрузок и коротких замыканий. Твердотельный коммутатор содержит узел ключа, датчик тока, трансформатор и аналого-цифровой преобразователь, а также в него дополнительно введены преобразователь напряжения, узел драйвера ключа, компаратор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), микропроцессорная система, два усилителя, генератор ШИМ сигнала, контроллер последовательного интерфейса, термодатчик, драйвер интерфейса, узел ограничения напряжения, а структура устройства сокращена до одного канала коммутации.

Устройство защиты от короткого замыкания // 2760360

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в силовой электронике. Технический результат заключается в повышении надежности работы и защиты силовых MOSFET транзисторов в цепях питания постоянного тока напряжением 310 В от токов короткого замыкания.

Устройство защиты электромашинного обратимого преобразователя // 2702105

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в релейной защите судовых электроустановок от внутренних коротких замыканий (к.з.). Техническим результатом решения является расширение области применения - возможность применения для защиты от внутренних к.з.

Система защиты от аварийных режимов тяговых электродвигателей постоянного тока // 2695780

Использование: в области электротехники для защиты электрических тяговых двигателей постоянного тока электровоза от аварийных режимов работы, возникающих при коротких замыканиях и бросках напряжения в контактной сети. Технический результат - защита цепей от перегрузок за счет использования в частях электрических цепей, находящихся в широком диапазоне электрических потенциалов по отношению к общему проводу постоянного тока, в частности, в качестве быстродействующего выключателя в электровозах постоянного тока, а также обеспечение гальванической развязки защищенной цепи при возникновении аварийной ситуации.

Способ получения выявительного признака апериодического процесса изменения тока и датчик выявительного признака апериодического процесса изменения тока // 2690668

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетях постоянного тока, например, для защиты от токов короткого замыкания. Технический результат заключается в повышении быстродействия защиты.

Защита источника питания, содержащего ряд батарей, соединенных параллельно, от внешнего короткого замыкания // 2667014

Изобретение относится к схеме защиты аккумуляторов от внешнего короткого замыкания. Электроустановка содержит прерыватель и источник напряжения постоянного тока.

Защита в переходном режиме для мультитерминальной hdvc сети // 2664711

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат, заключающийся в обеспечении селективной работы сети, достигается за счет того, что способ содержит этап измерения DC-напряжения смещения Ud, имеющего полярность и значение, этап определения того, существует ли неисправность короткого замыкания, путем сравнения DC-напряжения смещения Ud с пороговым напряжением смещения Ut и этап идентификации типа неисправности на основании полярности и значения DC-напряжения смещения Ud.

Устройство обнаружения перегрузки // 2623456

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение надежности восстановления системы постоянного тока после обнаружения перегурузки.

Твердотельный коммутатор и контроллер нагрузки // 2596620

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и безотказности устройства.

Силовой переключатель постоянного напряжения // 2584096

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах переключения силовых линий постоянного напряжения. Переключатель 100 постоянного напряжения содержит по меньшей мере один прерыватель 120 и коммутаторное устройство, подключенное параллельно прерывателю, при этом коммутаторное устройство содержит конденсаторную схему, состоящую из параллельно соединенных по меньшей мере двух конденсаторных ветвей.