開關(guān)電源常用的幾種保護(hù)電路

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯開關(guān)電源常用的幾種保護(hù)電路 評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是以平安性、牢靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)滿意正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障狀況下平安牢靠地工作，必需設(shè)計(jì)多種愛護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等愛護(hù)電路。開關(guān)電源常用的幾種愛護(hù)電路如下：1、防浪涌軟啟動(dòng)電路開關(guān)電源的輸入電路大都采納電容濾波型整流電路，在進(jìn)線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會(huì)形成很大的浪涌電流，特殊是大功率開關(guān)電源，采納容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達(dá)100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)

2、致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘。上述現(xiàn)象均會(huì)造成開關(guān)電源無法正常工作，為此幾乎全部的開關(guān)電源都設(shè)置了防止流涌電流的軟啟動(dòng)電路，以保證電源正常而牢靠運(yùn)行。圖1是采納晶閘管V和限流電阻R1組成的防浪涌電流電路。在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋（D1D4）和限流電阻R1對電容器C充電，限制浪涌電流。當(dāng)電容器C充電到約80額定電壓時(shí)，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器幫助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管導(dǎo)通并短路限流電阻R1，開關(guān)電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)。圖1 采納晶閘管和限流電阻組成的軟啟動(dòng)電路圖2是采納繼電器K1和限流電阻R1構(gòu)成的防浪涌電流電路。電源接通瞬

3、間，輸入電壓經(jīng)整流（D1D4）和限流電阻R1對濾波電容器C1充電，防止接通瞬間的浪涌電流，同時(shí)幫助電源Vcc經(jīng)電阻R2對并接于繼電器K1線包的電容器C2充電，當(dāng)C2上的電壓達(dá)到繼電器K1的動(dòng)作電壓時(shí)，K1動(dòng)作，其觸點(diǎn)K1.1閉合而旁路限流電阻R1，電源進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。限流的延遲時(shí)間取決于時(shí)間常（R2C2），通常選取為0.30.5s。為了提高延遲時(shí)間的精確性及防止繼電器動(dòng)作抖動(dòng)振蕩，延遲電路可采納圖3所示電路替代RC延遲電路。圖2 采納繼電器K1和限流電阻構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路圖3 替代RC的延遲電路2、過壓、欠壓及過熱愛護(hù)電路進(jìn)線電源過壓及欠壓對開關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流

4、應(yīng)力超出正常使用的范圍而損壞，同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿意要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采納過壓、欠壓愛護(hù)以提高電源的牢靠性和平安性。溫度是影響電源設(shè)備牢靠性的最重要因素。依據(jù)有關(guān)資料分析表明，電子元器件溫度每上升2，牢靠性下降10，溫升50時(shí)的工作壽命只有溫升25時(shí)的1/6，為了避開功率器件過熱造成損壞，在開關(guān)電源中亦需要設(shè)置過熱愛護(hù)電路。圖4 過壓、欠壓、過熱愛護(hù)電路圖4是僅用一個(gè)4比較器LM339及幾個(gè)分立元器件構(gòu)成的過壓、欠壓、過熱愛護(hù)電路。取樣電壓可以直接從幫助掌握電源整流濾波后取得，它反映輸入電源電壓的變化，比較器共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓，N1.1為欠壓比較器，N1

5、.2為過壓比較器，調(diào)整R1可以調(diào)整過、欠壓的動(dòng)作閾值。N1.3為過熱比較器，RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與R7構(gòu)成分壓器，緊貼于功率開關(guān)器件IGBT的表面，溫度上升時(shí)，RT阻值下降，適當(dāng)選取R7的阻值，使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動(dòng)作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機(jī)，當(dāng)其正向端輸入低電平常，比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于4個(gè)比較器的輸出端是并聯(lián)的，無論是過壓、欠壓、過熱任何一種故障發(fā)生，比較器輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電源停止工作，實(shí)現(xiàn)愛護(hù)。如將電路稍加變動(dòng)，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。3、缺相愛護(hù)電路由于電網(wǎng)自身緣由或電源輸入接線不行靠，開關(guān)電源有時(shí)會(huì)消失缺相運(yùn)行的狀況，且掉

6、相運(yùn)行不易被準(zhǔn)時(shí)發(fā)覺。當(dāng)電源處于缺相運(yùn)行時(shí)，整流橋某一臂無電流，而其它臂會(huì)嚴(yán)峻過流造成損壞，同時(shí)使逆變器工作消失特別，因此必需對缺相進(jìn)行愛護(hù)。檢測電網(wǎng)缺相通常采納電流互感器或電子缺相檢測電路。由于電流互感器檢測成本高、體積大，故開關(guān)電源中一般采納電子缺相愛護(hù)電路。圖5是一個(gè)簡潔的電子缺相愛護(hù)電路。三相平衡時(shí)，R1R3結(jié)點(diǎn)H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)缺相時(shí)，H點(diǎn)電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進(jìn)行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。比較器的基準(zhǔn)可調(diào)，以便調(diào)整缺相動(dòng)作閾值。該缺相愛護(hù)適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。圖5 三相四線制的缺相愛護(hù)

7、電路圖6是一種用于三相三線制電源缺相愛護(hù)電路，A、B、C缺任何一相，光耦器輸出電平低于比較器的反相輸入端的基準(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。這種缺相愛護(hù)電路采納光耦隔離強(qiáng)電，平安牢靠，RP1、RP2用于調(diào)整缺相愛護(hù)動(dòng)作閾值。圖6 三相三線制的缺相愛護(hù)電路4、短路愛護(hù)開關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴(yán)峻的故障，短路愛護(hù)是否牢靠，是影響開關(guān)電源牢靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點(diǎn)，是目前中、大功率開關(guān)電源最普遍使用的電力電子

8、開關(guān)器件。IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾s至幾十s。短路電流過大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在，導(dǎo)致IGBT集電極過電壓，該過電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)消失短路過流時(shí)，必需實(shí)行有效的愛護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路愛護(hù)，則必需進(jìn)行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采納霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去掌握驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采納間接電壓法，檢測過流時(shí)IGBT的電壓降Vce，由于管壓

9、降含有短路電流信息，過流時(shí)Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出掌握驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。在短路電流消失時(shí)，為了避開關(guān)斷電流的di/dt過大形成過電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采納軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合愛護(hù)技術(shù)。在檢測到過流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵愛護(hù)程序，以降低故障電流的幅值，延長IGBT的短路承受時(shí)間。在降柵動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間用以推斷故障電流的真實(shí)性，如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消逝則柵壓自動(dòng)恢復(fù)，如故障仍舊存在則進(jìn)行軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關(guān)斷時(shí)不會(huì)

10、消失過大的短路電流下降率和過高的過電壓。采納軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)愛護(hù)，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過電壓降低，IGBT的電流、電壓運(yùn)行軌跡能保證在平安區(qū)內(nèi)。在設(shè)計(jì)降柵壓愛護(hù)電路時(shí)，要正確選擇降柵壓幅度和速度，假如降柵壓幅度大（比如7.5V），降柵壓速度不要太快，一般可采納2s下降時(shí)間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采納軟關(guān)斷；假如降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必需慢，即采納軟關(guān)斷，以避開過電壓發(fā)生。為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避開在原工作頻率下連續(xù)進(jìn)行短路愛護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞

11、，采納降柵壓愛護(hù)即可不必在一次短路愛護(hù)馬上封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的愛護(hù)方法，故障消退后即恢復(fù)正常工作。下面介紹幾種IGBT短路愛護(hù)的有用電路及工作原理。圖7是利用IGBT過流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行愛護(hù)的電路，用于專用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消退干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1，通過比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消退VD1正向壓降隨電流不同而異，采納閾值比較器，提高電流檢測的精確性。假如發(fā)

12、生過流，驅(qū)動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避開集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。圖7 采納IGBT過流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行愛護(hù)圖8是利用電流傳感器進(jìn)行過流檢測的IGBT愛護(hù)電路，電流傳感器（SC）初級(jí)（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM掌握器UC3525的輸出掌握腳10。不過流時(shí)，VAVref，VB=0.2V，VCVref，IC2輸出低電平，PWM掌握器正常工作。(a) 電路原理圖(b) PWM掌握電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形圖圖8 利用電

13、流傳感器進(jìn)行過流檢測的IGBT愛護(hù)電路當(dāng)消失過流時(shí)，電流傳感器檢測的整流電壓上升，VAVref，VB為高電平，C3充電使VCVref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM掌握電路。因無驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無電流流過，使VAVref，VB=0.2V，C3經(jīng)R1放電，當(dāng)C3放電到使VCVref時(shí)，IC2又輸出低電平，電源重新進(jìn)入工作狀態(tài)，假如過流連續(xù)存在，愛護(hù)電路又回復(fù)到原來的限流愛護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使PWM掌握電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形處于間隔輸出狀態(tài)，如圖8(b)所示波形。電位器RP1調(diào)整比較器過流淌作閾值。電容器C3經(jīng)D5快速充電，經(jīng)R1慢速放電，只要合理地選

14、擇R1，C3的參數(shù)，使PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉時(shí)間t2t1，可保證電源進(jìn)入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài)，D5，R1，C3充放電電路，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開通、關(guān)斷而損壞。圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過流檢測的IGBT愛護(hù)電路圖9是利用IGBT（V1）過流集電極電壓檢測和電流傳感器檢測的綜合愛護(hù)電路，電路工作原理是：負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過流）時(shí)，V1的Vce增大，V3門極驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導(dǎo)通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時(shí)經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。另一方面，

15、在短路時(shí)經(jīng)電流傳感器檢測短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進(jìn)行降柵壓，V2導(dǎo)通進(jìn)行軟關(guān)斷。圖9 綜合過流愛護(hù)電路圖10是應(yīng)用檢測IGBT集電極電壓的過流愛護(hù)原理，采納軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率愛護(hù)技術(shù)的短路愛護(hù)電路。圖10正常工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為低電平常，光耦I(lǐng)C4不導(dǎo)通，V1，V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為高電平常，光耦I(lǐng)C4導(dǎo)通，V1截止而V2導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，功率開關(guān)管V4工作在正常開關(guān)狀態(tài)。發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電壓增大，由于Vce增大，比較器IC1輸出高電平，V5導(dǎo)通，IGBT實(shí)現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2打算，軟降柵壓時(shí)間由R6C1形成2s。（V7導(dǎo)通時(shí)，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)通，時(shí)基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號(hào)，555輸出腳3輸出高電平，V9導(dǎo)通，IC3被封鎖，封鎖時(shí)間由定時(shí)元件R15C5打算（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避開了發(fā)生短路故障后仍工作在原來的頻率下，連續(xù)進(jìn)