Защита от токов короткого замыкания

 

Схема подключения резистора R_ш, свободная от указанных недостатков, приведена на рис. 8.2. В ней в цепь протекания якорного тока двигателя включён SENSE MДП – транзистор. Он постоянно открыт (вход IN драйвера IR2121 подключён к +20В) и потери мощности минимальные. На дополнительном выводе (SENSE) протекает ток, пропорциональный основному (коэффициент понижения K_п –справочный параметр).

 

Рис. 8.1. Схема защиты от токов к.з. на базе SENSE – МДП транзистора (VT5)

Микросхема IR2121 (драйвер нижнего ключа мостовой схемы) оснащена довольно сложной схемой защиты силового транзистора от перегрузки по току (I_кз). Уменьшенный в K_п ток транзистора измеряется шунтом R_ш и через делитель напряжения (резисторы R_2,R₃ ) (R_ш, R_2,R₃ совместно определяют ток срабатывания защиты), поступает на вход CS. Ёмкость C₃ предназначена для подавления высокочастотных помех. Если напряжение на входе CS > 0.23 В, то внутри драйвера включается компаратор напряжения, который переводит микросхему в режим стабилизации стокового тока VT5 на уровне:

^.

за счёт регулирования напряжения на затворе транзистора VT5.

Одновременно с этим запускается схема формирования задержки времени выключения питания затвора мощного ключа. Длительность этой задержки определяется временем заряда конденсатора C₁ от 0 до 1.8 В под действием постоянного тока I_зар = 0.1 мА.

Время задержки рассчитывается по формуле:

 

^. (8.1)

По истечении этой задержки силовой транзистор на этом цикле коммутации (в течение периода T) запирается. В следующем цикле всё повторяется.

Ток короткого замыкания определим из следующей формулы:

 

Исходя из технических данных двигателя, нужно выбрать VT по параметрам:

 

I_{К max} (I_{С max})=1,3∙ I_пуск=1,3∙4,26 ³ 5,54 A

U_{КЭ max} (U_{СИ max})=1,25U_Н∙К=1,25∙110∙1,8 ³ 248 B.

Выбираем SENSE МДП транзистор BUK7109-250AIE, параметры

 

которого приведены в таблице 8.1.1

 

Таблица 8.1.1

Название (фирма производитель)*	Макс.рабочее напряж. сток-истока Vds (B)	Сопротивление сток-исток в открытом состоянии при напряжении затвора Vg=10В Rdson max (мОм)	Ток стока при Ткорп=25°C Id (А)	Заряд затвора Qg (нК)	Рассеивающая мощность при Ткорп=25°C Pd (Вт)	Абсолютное макс. напряжение затвора Vgs max (В)	Время задержки вкл./выкл. td(on) / td(off) (нс)	Время нарастания/спада тока стока (при условиях как для времени задержки) tR / tF (нс)	Тепловое сопротивление переход-корпус ТJC	Ток затвора статический IG СТ. (нА)
BUK7109-250AIE (NXP)				VDS=60V VGS=10V ID=25A		±20	35/185 VDS=30V RL=1.2Ω VGS=10V RG=10Ω	108/100	0.55 К/Вт	±1000
VGS = 20В K0 = ID / ISENSE = 500

 

Выбираем драйвер IR2121, параметры которого приведены в таблице 8.1.2

 

Таблица 8.1.2.

Название	Напряже-ние управляемого ключа	Выходное напряжение VHO / VLO,В {VO,В}	Напряжение питания VCC,В	Логическое входное напряжение (типы логических входов) VIN,В	Выходные токи +/-IOUT,А	Входные токи +/-IIN,мкА	Время задержки вкл./выкл. td(on)/td(off),нс	Время нараста-ния/спада tR/tF,нс
IR2121	-	{-0.6...25.3}	12...18	-0.3...25.3 (IN)	+1/-2	+4.5/-1	150/150	43/26

 

Для упрощения расчётов желательно выберем SENSE МДП транзисторы, в которых коэффициент K_п не зависящий от величины резистора подключаемого к его дополнительным электродам, это лучший вариант. С этой же целью выбирают такую величину R_ш1 , чтобы выполнялось соотношение для тока короткого замыкания (I_к.з.):

_.

С другой стороны U_ш должно удовлетворять условию не срабатывания защиты от пускового тока:

 

U_ш1 = < 0.23.

 

Так как K_п не зависит от величины R_ш, то просто решается уравнение:

_. (8.2)

 

Так как Kп не зависит от величины R_ш1, то его значение определяется как:

 

Возьмем резистор номиналом по ГОСТ 15 Ом и мощностью рассеивания 0,125 Вт;

Величину R₃ и С₃ выбирают исходя из требований к фильтрации высокочастотных помех.

Номинал ёмкости C₁ рассчитывают по равенству (8.1), а t_зад задают в диапазоне, чтобы минимизировать величину мощности рассеивания VT5 и не увеличивать площадь радиатора: 0≤ t_зад ≤0.1 t_{и max}.

Исходя из выражения 8.1 найдем значение С1:

 

Берем значение емкости С₁ по гост, номиналом C₁ = 2,2 нФ;

Рассчитаем площадь радиатора для SENSE – транзистора:

Для этого сначала найдем падение напряжения на открытом ключе, как это было в первой части курсового проекта:

Рис.8.2. Справочная зависимость I_си=f(t˚C)

Отмечая на ней пусковой ток двигателя, определяем, что в транзисторе необходимо поддерживать максимальную температуру Т₃˚С(Т₃ = 173 ˚С).

 

 

Рис.8.3.Справочная зависимость R_си=f(T˚C)

 

Тогда окончательная величина R_си для дальнейших расчётов равна:

 

 

а напряжение открытого ключа:

 

.

 

Далее найдем выделяющуюся мощность на транзисторе за период коммутации мощных ключей:

 

.

 

где – максимальный ток стока мощного транзистора в пусковом режиме

(I_пус) = 4,26 А;

для SENSE – транзистора,

Тогда рассчитаем мощность потерь транзистора:

 

Так как полученное значение мощности для SENSE – транзистора получилось меньше 1 Вт, то для него не нужно рассчитывать радиатор, так как он обеспечит теплоотвод за счет своих габаритов.