Занимаясь разработкой силовой схемы трехфазного инвертора, я столкнулся с необходимостью обеспечить надежную защиту силовых IGBT-транзисторов от возможных перегрузок и КЗ (при экспериментах всякое возможно), так как это наиболее дорогостоящие элементы схемы. Основная проблема - выбор подходящего датчика тока. Даже в схеме, рассчитанной на относительно небольшую мощность нагрузки (трехфазный двигатель киловатт около трех), действуют импульсные токи значительных величин, измерение которых не простая задача. Требования, предъявляемые к быстродействию защиты довольно жесткие, поэтому подходить спустя рукава к решению проблемы я не стал. Элементы для защищиты транзисторов, уже имеются в схеме (см. схему управления трехфазным инвертором), остается лишь подобрать подходящий датчик тока.
В силовой схеме я решил применить транзисторы IRG4PSH71KD (Uкэ <= 1300В, максимальный импульсный ток коллектора 156А, длительный повторяющийся 42А). Стоимость 6 таких транзисторов около 700 рублей, так что задуматься об их защите стоит. IGBT-транзистор выдерживает ток КЗ в течение примерно 10 мкс, так что схема защиты должна обнаружить недопустимое превышение тока в цепи инвертора (около 80-100А) и запереть транзисторы менее, чем за 10 мкс (лучше значительно менее).
Идея применить шунт для контроля тока инвертора была отвергнута. В самом деле: следует рассчитывать, что нормальный уровень импульсов тока в схеме может достигать 40А, среднее значение тока так же может достигать этого значения. Для надежного срабатывания компаратора уровень напряжения, снимаемого с шунта при КЗ, должен быть не менее 2-2,5В. Отсюда следует, что при токе 100А (порог защиты) на шунте должно падать не менее 2В, значит его сопротивление должно быть 0,02 Ом. В номинальном режиме при среднем токе 40А на шунте будет рассеиваться мощность около 32 Вт. Проволочные резисторы типа ПЭВ не подходят для этой цели, т.к. имеют значительную индуктивность, а лишних индуктивностей в силовых импульсных схемах следует избегать. Спаять параллельно 50 штук МЛТ-шек по 1 Ом? По-моему, не реально. Взять короткий отрезок толстой проволоки с высоким удельным сопротивлением? А где его взять? Выдрать шунт из старого тестера? Использовать медный проводник расчетного сечения? А чем проконтролировать его сопротивление? В общем, от шунта пришлось отказаться.
Датчики тока фирмы LEM - вот был бы идеальный вариант... Если бы не их цена. Датчик тока 50А стоит более 500 рублей, да еще попробуйте его купить (в одном экземпляре)! К тому же эти датчики требуют двуполярного питания ±12…24В, что тоже неудобно.
Можно попытаться сделать датчик на основе магнитного усилителя, но его расчет и изготовление довольно сложны, да и габариты будут немаленькими.
Остается практически единственный вариант - сделать собственный аналог датчика LEM :-). В принципе, это всего-навсего означает - применить датчик Холла. Так как для целей защиты достаточно датчика порогового типа (наподобие триггера Шмидта), то я решил остановиться на магнитоуправляемом ключе К1116КП9, тем более что он как раз нашелся среди запасов. Микросхема эта представляет собой трехвыводный пластмассовый прямоугольничек 4,5х4,5 мм и толщиной 1,5 мм, зона наибольшей чувствительности к магнитному полю находится ближе к одному из углов. Судя по информации интернет-магазина Платан, приобретение этих или аналогичных микросхем не должно вызвать трудностей. Достоинством датчика является полная гальваническая развязка, что для многих применений очень важно.
Какие-либо расчеты не выполнялись умышленно, т.к. магнитные свойства подручных материалов радиолюбителю неизвестны, а поиск специальных - затруднен. Было решено провести экспериментальную проверку микросхемы на пригодность.
Чтобы сформировать вокруг микросхемы магнитное поле, пропорциональное току в проводнике, этот проводник можно либо намотать в виде катушки поверх микросхемы, либо использовать кольцевой магнитный сердечник с разрезом, в который помещается микросхема, а в окно сердечника пропускается провод контролируемой цепи. Намотка - это лишняя индуктивность, что недопустимо, остается второй вариант. В качестве сердечника была взята обычная гайка на 10 с резьбой М6, в ней был сделан радиальный пропил ножовкой (и расширен до 1,5 мм), в котором при помощи термоусадочной трубки была закреплена микросхема. При повторении датчика следует использовать какой-либо клей, например, эпоксидный, но для эксперимента я решил обойтись и без этого. Микросхема отдельно и получившийся датчик показаны на фото. В отверстие гайки вполне можно продеть изолированный провод сечением 4 мм2, что достаточно и для практической схемы, тем более что можно при необходимости расширить отверстие или взять другую гайку :-).
Испытания я проводил по такой методе: заряжал от источника напряжения 100В электролитический конденсатор 47 мкФ 160В, а затем разряжал его на 10 штук параллельно соединенных резисторов в 1 Ом (общее сопротивление 0,1 Ом). В датчик продевался вывод конденсатора, осциллограф фиксировал напряжение на шунте из резисторов и сигнал с выхода микросхемы. Питание датчика я осуществлял от 5 и 15 вольт, в обоих случаях результаты оказались близкими. Осциллограмма одного из экспериментов показана на рисунке. Цена деления по горизонтали - 10 мкс; голубой сигнал - форма тока, цена деления по вертикали 2В на деление, что соответствует 20А/дел.; желтый сигнал - выход датчика (инверсный). Амплитуда сигнала с выхода датчика значения не имеет, т.к. датчик имеет выход с открытым коллектором.
Как видите, датчик получился! Он срабатывает примерно при 80А (проверялось изменением напряжения, до которого заряжался конденсатор), что как раз и надо! Задержка срабатывания - не более 3 мкс, что тоже хорошо. Сигнал имеет цифровые уровни, так что можно использовать его в любых схемах.
При этом датчик даже не пришлось никак настраивать, хотя это возможно путем перемещения микросхемы внутри пропила. В цепях, где нет требований по минимуму индуктивности, можно использовать датчик с навивкой силового проводника на сердечник - при этом его "чувствительность" повысится во столько раз, сколько витков будет намотано (не забывайте только, что уже продетый провод - это первый виток!). Если потребуется наоборот, повысить порог, то можно будет увеличить ширину пропила, увеличив магнитное сопротивление или поместить микросхему в пропил не полностью. Такая подстройка весьма трудоемка, но возможна. Примененная мною микросхема - чувствительна к полярности магнитного поля, поэтому датчик так же получился полярным, но существуют микросхемы, реагирующие только на величину напряженности магнитного поля, это следует учитывать при повторении конструкции. Так же следует помнить, что быстродействие и точность датчика могут ухудшиться из-за намагничивания сердечника (при работе в цепях, где постоянная составляющая тока велика). В схеме инвертора импульсы тока всегда разнополярны, поэтому сердечник намагничиваться не будет, а для других случаев следует использовать подходящие магнитомягкие материалы для сердечника (от испытаний феррита меня остановила невозможность сделать в кольце пропил шириной 1,5 мм - нет подходящего инструмента, но если появится, обязательно попробую).
Использовать такой датчик можно не только в трехфазных инверторах, но и в другой аппаратуре: источниках питания, импульсных сварочных аппаратах (интерес к схемам которых весьма велик), автомобилях (для контроля исправности фар и ламп), промышленности (максимальная токовая защита аппаратуры) и т.п.
Неплохо, датчик Холла можно взять из приводов CD, FDD, HDD и с плат сгоревших вентиляторов, там их не менее 3х штук. Правда потребуется простейший усилитель раз в 50. Применение гайки в качестве м/провода, подходит только для эксперимента. В реальной конструкции все же надо использовать феррит.
