Veľké napäťové špičky sú bežné v napájacích obvodoch, najmä počas ich zapínania. Zapínané zariadenia sú avšak vystavené veľkým špičkám aj pri zapínaní a aj pri vypínaní, a preto je potrebné pamätať aj na obvody pre potlačenie napäťových špičiek ako na ich ochranu pred nežiadúcimi javmi.

Ochranné obvody

Ochranný obvod je nevyhnutnou súčasťou obvodu na konverziu energie. Ochranné obvody sa používajú v napájacích obvodoch pre širokú škálu aplikácií vrátane redukcie alebo eliminácie napäťových alebo prúdových špičiek, obmedzovania dV/dt alebo dI/dt, znižovania elektromagnetického rušenia (EMI), znižovania strát spôsobených spínacími operáciami, tvarovania záťažových čiar a prenosu výkonových strát do rezistorov alebo užitočných záťaží.

Zapnutie zariadienia "natvrdo" vystavuje spínač samotný napätiu a prúdu, ktorý spôsobuje vysoké straty vznikajúce pri spínaní. Prítomnosť parazitnej kapacity a parazitnej indukčnosti toto zaťaženie ešte viac zvyšuje. Celková parazitná kapacita pozostáva z rozptýlenej kapacity a prechodovej kapacity, zatiaľ čo celková parazitná indukčnosť pozostáva z vedenia a indukčnosti v dôsledku rozloženia obvodu. Používanie dobrých postupov pri návrhu rozloženia obvodu preto účinne pomáha minimalizovať parazitnú indukčnosť.

Hoci sa elektronické obvody motorových pohonov, štartérov lámp, meničov výkonu a ďalších výkonových zariadení môžu líšiť, avšak väčšina z nich má spoločnú konfiguráciu -  spínač-dióda-induktor siete a vlnové formy. Najčastejšie obvody sú buck, boost, buck-boost a invertorové siete. Výkonové elektronické obvody, ktoré zdieľajú spoločnú spínač-dióda-induktor sieť, majú rovnaké požiadavky na ochranné obvody, keďže správanie základného obvodu je identické.

Existuje mnoho typov ochranných návrhov, ale najbežnejšie sú ochranné obvody s rezistorom-kondenzátorom (RC) a rezistorom-kondenzátorom-diódou (RCD). Rezistor-kondenzátor ochranný obvod pomáha potláčať špičkové napätie a minimalizovať zvonenie. V porovnaní s RC ochrannými obvodmi majú RCD ochranné obvody ďalšie výhody. Okrem obmedzovania špičkového napätia pomáha tento obvod tiež znižovať straty v obvode a zabezpečuje lepšie záťažové čiary. Nevýhodou je, že prítomnosť diódy cez rezistor spôsobuje, že efektívna hodnota rezistencie je nulová, keď sa kondenzátor nabíja.

Väčšina dnešných vysokonapäťových invertorových obvodov používa IGBT ako spínacie zariadenia. IGBT majú nižšie straty pri prúdení a zaberajú menšiu plochu čipu v porovnaní s MOSFET, čo z nich robí lepšiu voľbu pre aplikácie s "tvrdým" spínaním. Výrazné zvýšenie spínacích strát pri vysokých frekvenciách robí IGBT moduly nevhodné pre aplikácie presahujúce 20 kHz. Keďže IGBT môžu spínať vysoké prúdy v krátkych časových rámcoch, sú vystavené potenciálne škodlivým napäťovým prechodom, a preto si vyžadujú dodatočné ochranné obvody. Pridaním ochranného kondenzátora sa cez IGBT odvádza induktívny prúd, čím sa chráni spínač.

RC (rezistor-kondenzátor) ochranné obvody sa používajú väčšinou v nízkovýkonových a strednovýkonových aplikáciách. Pri vysokovýkonových aplikáciách tieto obvody vykazujú nadmerné straty, čo ich robí nevhodnými pre takéto použitia. Naopak, RCD (rezistor-kondenzátor-dióda) ochranné obvody sú vhodné pre stredné a vysoké prúdy. Bežne sa používajú na ochranu rôznych spínacích zariadení vrátane IGBT modulov. Pri vysokoprúdových aplikáciách sa RC ochranné obvody používajú hlavne na sekundárne tlmenie.

Kondenzátory pre ochranu proti prechodným javom

Ochranné obvody sú vystavené veľkému zaťaženiu, a preto je dôležité zvoliť komponenty, ktoré takéto podmienky vydržia. Typy kondenzátorov, ktoré sa bežne používajú v ochranných aplikáciách, zahŕňajú fóliové a keramické kondenzátory. Zatiaľ čo plastové fóliové kondenzátory sa môžu používať pre vysokovýkonové aj nízkovýkonové obvody, keramické kondenzátory sa používajú hlavne v nízkovýkonových aplikáciách.

Kondenzátory používané v ochranných obvodoch sú vystavené vysokým hodnotám dV/dt a extrémne vysokým hodnotám špičkového a efektívneho prúdu. Tieto obvody vyžadujú kondenzátory, ktoré dokážu odolávať prúdovým špičkám s vysokými špičkovými a efektívnymi hodnotami. Charakteristiky polypropylénových fóliových kondenzátorov ich robia vhodnými pre ochranné aplikácie.

Fóliové kondenzátory pre ochranné aplikácie

Väčšina ochranných kondenzátorov je navrhnutá z polypropylénového materiálu. Výkonové charakteristiky tohto materiálu s nízkymi stratami ho robia vhodným pre návrh kondenzátorov na použitie v nízkych aj vysokých pulzných aplikáciách. Vlastnosti fóliového kondenzátora sú významne závislé od použitej technológie konštrukcie.

Metallizované fóliové kondenzátory, tiež známe ako kondenzátory s metallizovanými elektródami, majú samoregeneračné vlastnosti, zatiaľ čo kondenzátory s oddelenými fóliovými elektródami ich nemajú. Polypropylénové fóliové kondenzátory sa bežne používajú ako ochranné kondenzátory v nízkopulzných aplikáciách. V porovnaní s nimi majú polypropylénové metallizované fóliové kondenzátory a dvojstranné metallizované fóliové kondenzátory samoregeneračné vlastnosti, čo ich robí vhodnými pre nízke a stredné pulzné aplikácie. Tieto dva typy kondenzátorov sú vhodné na ochranu rôznych spínacích zariadení vrátane tyristorov, FET a IGBT modulov. Niektoré polypropylénové metallizované fóliové kondenzátory sú špeciálne navrhnuté na priame upevnenie na IGBT moduly.

Hybridný kondenzátor s elektródou je kombináciou metallizovanej elektródy a technológie oddelených fólií. Tieto kondenzátory sa používajú v aplikáciách, kde sú kondenzátory vystavené extrémne vysokým prúdovým nárazom, napäťovému zaťaženiu a dV/dt. Hybridné kondenzátory majú samoregeneračné vlastnosti a bežne sa používajú ako ochranné kondenzátory vo vysokopulzných aplikáciách.

Polypropylénové kondenzátory ponúkajú vysokú toleranciu a stabilitu. Zmeny teploty alebo aplikovaného napätia majú minimálny vplyv na výkonové charakteristiky týchto komponentov. Navyše, polypropylénové kondenzátory majú nízky a prakticky lineárny teplotný koeficient. Vysoká stabilita kapacity polypropylénových kondenzátorov ich robí vhodnou voľbou pre ochranné aplikácie.

Ochranné obvody vystavujú komponenty extrémne vysokým napäťovým prechodom a vyžadujú komponenty, ktoré dokážu odolať vysokým napätiam. Polypropylénové kondenzátory môžu odolať vysokým napätiam a sú bežne dostupné s prevádzkovými napäťovými hodnotami 1 kV, 2 kV, 3 kV a viac. Okrem toho ochranné aplikácie vyžadujú komponenty s nízkym ekvivalentným sériovým odporom (ESR) a ekvivalentnou sériovou indukčnosťou (ESL). Polypropylénové kondenzátory majú nízke hodnoty ESR a ESL.

Okrem aplikácií v obvodoch s extrémne vysokými hodnotami špičkového prúdu sú polypropylénové kondenzátory vhodné aj pre spínané napájacie zdroje, obvody s presným časovaním, vysokopulzné vybíjacie obvody, vzorkovacie a držacie obvody a vysokofrekvenčné rezonančné obvody. Tieto kondenzátory sú zvyčajne dostupné ako vývodové komponenty.

Keramické kondenzátory pre ochranné aplikácie

Viacvrstvové keramické kondenzátory (MLCC) majú mnoho aplikácií v dnešných elektronických obvodoch. Tieto pasívne komponenty sú široko rozdelené do troch tried: Trieda I, Trieda II a Trieda III. Kondenzátory triedy I sú navrhnuté z materiálov s nízkym K, ako je zirkonát vápenatý (CaZrO3), zatiaľ čo kondenzátory tried II a III sú založené na materiáloch s vysokým K, ako je titaničitan bárnatý (BaTiO3).

Pretože zirkonát vápenatý (CaZrO3) a oxid titaničitý (TiO3) majú nízku relatívnu permitivitu, vytvárajú kondenzátory s nízkou kapacitou. Tieto kondenzátory na kompenzáciu teploty majú vysokú stabilitu kapacity a sú vhodné pre ochranné aplikácie. Kondenzátory triedy I majú pomerne lineárne teplotné charakteristiky. Zmeny napätia majú minimálny vplyv na charakteristiky týchto kondenzátorov. Navyše, kondenzátory triedy I nepodliehajú starnutiu.

Na rozdiel od polypropylénových fóliových kondenzátorov sa MLC kondenzátory používajú hlavne v nízkovýkonových aplikáciách. Okrem MLC kondenzátorov a fóliových kondenzátorov sa ako ochranné kondenzátory používajú aj sľudové kondenzátory. Tieto kondenzátory majú vysokú stabilitu a nízke induktívne a rezistívne straty. Sľudové kondenzátory sú vhodné pre nízkopulzné aplikácie.

Záver

Spínacie zariadenia produkujú potenciálne škodlivé napäťové špičky, ktoré môžu poškodiť elektronické komponenty. Ochranné obvody sa používajú v napájacích obvodoch na potlačenie škodlivých napäťových prechodov. Okrem obmedzovania napäťových prechodov sa ochranné obvody používajú aj na tvarovanie záťažových čiar, obmedzovanie dV/dt, znižovanie spínacích strát, prenos rozptýlenia výkonu zo spínačov a znižovanie napäťových a prúdových zvonení. Výkonové charakteristiky polypropylénových kondenzátorov ich robia vhodnou voľbou pre ochranné obvody, AC filtrovanie a aplikácie DC-link. Polypropylénové fóliové kondenzátory sú vhodné pre nízkovýkonové aj vysokovýkonové aplikácie. Naopak, keramické a sľudové ochranné kondenzátory sa používajú hlavne v nízkovýkonových zariadeniach. Ochranné kondenzátory sú bežné v invertoroch/meničoch, zváracích zariadeniach, neprerušiteľných zdrojoch napájania (UPS) a obvodoch riadenia motorov.