第二章保護(hù)電路

第二章保護(hù)電路第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（1）電流傳感器檢測(cè)過(guò)流保護(hù)電路*組成電流信號(hào)檢測(cè)電路過(guò)流信號(hào)處理電路封鎖開(kāi)關(guān)脈沖電路*簡(jiǎn)單的保護(hù)方法利用熔斷器，但動(dòng)作慢，不足以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，一般使用由電子元器件構(gòu)成的保護(hù)電路。*電流信號(hào)檢測(cè)電路第2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

②脈沖電流后沿尖峰是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的初級(jí)漏感和引線電感造成的。

①脈沖電流前沿尖峰是由次級(jí)整流二極管的反向恢復(fù)造成的變壓器次級(jí)暫時(shí)短路引起的。*過(guò)流信號(hào)處理電路①過(guò)流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過(guò)流保護(hù)應(yīng)該是不可以自恢復(fù)的。②實(shí)現(xiàn)方式，反饋?zhàn)枣i。

③加兩級(jí)濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。第3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*封鎖開(kāi)關(guān)脈沖電路（2）功率開(kāi)關(guān)管過(guò)流狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別*注意，與截止時(shí)的電壓相區(qū)別。*具有快速、可靠、方便的優(yōu)點(diǎn)。③可自鎖的處理電路把過(guò)流信號(hào)處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號(hào)輸入端即可。*根據(jù)：GTR、GTO、IGBT等的導(dǎo)通壓降是和導(dǎo)通時(shí)通過(guò)的電流有關(guān)的，當(dāng)管子中電流增加時(shí)，其導(dǎo)通壓降也會(huì)明顯上升。*功率MOSFET是阻性負(fù)載，導(dǎo)通壓降也和導(dǎo)通時(shí)的電流有關(guān)。第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路1過(guò)壓、欠壓狀態(tài)的判斷*比較器A用于輸出過(guò)壓判斷。*比較器B用于輸出欠壓判斷。*調(diào)整電阻R1、R2、R3可改變保護(hù)點(diǎn)。、*正常時(shí)，UB=“0”；保護(hù)時(shí)，UB=“1”。上限下限第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2

保護(hù)把過(guò)壓、欠壓判斷電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號(hào)輸入端即可。3小功率電源中的過(guò)壓保護(hù)*利用穩(wěn)壓二極管結(jié)合過(guò)流保護(hù)電路可實(shí)現(xiàn)。*選擇穩(wěn)壓值UZ大于輸出電壓1V左右的穩(wěn)壓二極管，當(dāng)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓被箝位在UZ，同時(shí)產(chǎn)生較大的電流，使過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作。*對(duì)于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三輸入過(guò)壓保護(hù)電路1輸入連續(xù)過(guò)壓保護(hù)（1）基本方法*是在濾波電容后取樣，對(duì)瞬間過(guò)壓不起作用。*利用R6、R5、T1可改變基準(zhǔn)電壓，避免產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。*保護(hù)時(shí)，利用發(fā)出的保護(hù)信號(hào)可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級(jí)DC/DC變換器工作。第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）改進(jìn)方法（2）存在問(wèn)題保護(hù)不徹底，后級(jí)DC/DC變換器雖停止工作，功率開(kāi)關(guān)得到保護(hù)，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過(guò)濾波電容的耐壓值時(shí)，濾波電容會(huì)過(guò)壓擊穿。*在判斷保護(hù)后，發(fā)出保護(hù)信號(hào)同時(shí)，控制繼電器或接觸器動(dòng)作、斷開(kāi)主回路；不過(guò)壓時(shí)，繼電器觸點(diǎn)吸合，不影響正常工作。*特點(diǎn)：①保護(hù)徹底，適合中、大功率電源中應(yīng)用；②電路復(fù)雜，成本高。第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2輸入瞬間過(guò)壓保護(hù)（1）原因（2）保護(hù)方法*電網(wǎng)上電感性負(fù)載的開(kāi)、關(guān)，雷電感應(yīng)等都會(huì)在電網(wǎng)電壓上產(chǎn)生尖峰電壓，有的達(dá)數(shù)千伏。*這些尖峰電壓的能量有強(qiáng)有弱，一般雷電引起的尖峰電壓能量較強(qiáng)，有可能損壞電源。*在輸入端并聯(lián)氧化鋅壓敏電阻。*當(dāng)交流尖峰電壓串入時(shí)，經(jīng)EMI濾波器后，有了一定的衰減；*若衰減后的尖峰仍大于壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值時(shí)，則壓敏電阻的阻值急劇下降，把尖峰能量吸收，電源得到保護(hù)。*要合理選擇壓敏電阻的連續(xù)工作電壓值，一般要高于連續(xù)工作電壓上限的20%左右。第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四軟啟動(dòng)電路

1軟啟動(dòng)

*軟啟動(dòng)是指電源啟動(dòng)時(shí)，其輸出電壓隨時(shí)間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。

*需要軟啟動(dòng)的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開(kāi)始工作時(shí)電容兩端電壓為零，未儲(chǔ)能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導(dǎo)致：

*軟啟動(dòng)時(shí)間，指輸出電壓上升到0.9U0時(shí)所用時(shí)間，一般為幾百毫秒。

①在很短時(shí)間內(nèi)形成很大的充電電流，對(duì)整流二極管、功率開(kāi)關(guān)、電容自身都會(huì)造成嚴(yán)重的過(guò)流沖擊。

②易使過(guò)流或短路保護(hù)動(dòng)作，影響電源的正常啟動(dòng)及使用壽命。第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2軟啟動(dòng)過(guò)程3軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法

*指電源啟動(dòng)時(shí)，使功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈寬從0開(kāi)始緩慢地展寬到額定輸出電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的寬度。

*軟啟動(dòng)可利用電容的充電特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

*供電時(shí)，基準(zhǔn)電壓UREF立刻建立，但電容C的存在，使電壓誤差放大器同相輸入端電壓從零逐漸上升、使PWM脈沖寬度從零開(kāi)始緩慢展寬。

*關(guān)機(jī)時(shí)，電容C通過(guò)電阻R2放電，再次啟動(dòng)時(shí)仍具有軟啟動(dòng)功能。第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5軟啟動(dòng)與輸入浪涌電流抑制電路的關(guān)系

*在輸入濾波電容充電結(jié)束，限流電阻短路后，輸出軟啟動(dòng)電路才開(kāi)始工作。4軟啟動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

*在各種PWM控制芯片里，一般都有軟啟動(dòng)控制電路，只需要在設(shè)置端外接一個(gè)電容即可。*如需要對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)：①X=1時(shí)，三極管導(dǎo)通、無(wú)脈沖輸出；②X=0時(shí)，三極管截止、正常啟動(dòng)工作。第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五過(guò)熱保護(hù)1熱敏電阻2溫度開(kāi)關(guān)§4.4熱回路設(shè)計(jì)

一半導(dǎo)體器件熱設(shè)計(jì)的必要性1器件芯片最高允許結(jié)溫的限制

器件芯片的溫度超過(guò)結(jié)溫，將引起器件電的或熱的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致器件的失效。一般，硅材料在200℃以下，鍺材料在100℃以下。第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二功率開(kāi)關(guān)管損耗計(jì)算1電阻性負(fù)載開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗2半導(dǎo)體器件還要受到溫度變化的限制

半導(dǎo)體芯片是通過(guò)焊劑焊在基座上的，因?yàn)槠浣佑|部分熱膨脹系數(shù)不同，所以外部溫度頻繁變化時(shí)，會(huì)使結(jié)合面材料疲軟，致使兩個(gè)表面分離，最終導(dǎo)致器件的失效。開(kāi)關(guān)管兩端電壓下降和開(kāi)關(guān)管中電流上升是同步的，只是方向相反。開(kāi)通電流上升時(shí)間關(guān)斷電流下降時(shí)間第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2電感性負(fù)載開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗*在開(kāi)關(guān)管截止期間，iC=0、iL=iD，負(fù)載通過(guò)二極管續(xù)流、uce=Ui。*導(dǎo)通時(shí)，iC增加到iL以前，二極管仍導(dǎo)通，uce=Ui，只有經(jīng)過(guò)tvr后iL=ic，二極管截止，uce下降、經(jīng)tvf后下降到零而關(guān)斷。*關(guān)斷時(shí)，iC稍一下降，二極管便開(kāi)始導(dǎo)通、uce經(jīng)很短時(shí)間tvr上升到Ui、電流才開(kāi)始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關(guān)斷。第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗*對(duì)于GTR、GTO、IGBT，Uces有一定的參考值。*對(duì)于MOSFET，一般給出Rds，其損耗為4開(kāi)關(guān)管的截止損耗很小可忽略第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二二極管損耗計(jì)算1二極管的反向恢復(fù)損耗2二極管的通態(tài)損耗3二極管的開(kāi)通損耗二極管的開(kāi)通時(shí)間很短，開(kāi)通損耗可忽略。4二極管的截止損耗二極管的截止漏電流很小，截止損耗可忽略。UDM二極管承受的反向電壓第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三熱的傳輸方式熱的傳輸有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射

*傳導(dǎo)是熱能從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而質(zhì)點(diǎn)保持不動(dòng)的過(guò)程。1傳導(dǎo)

*熱的傳導(dǎo)與電的傳輸相似：上式中的P是熱流功率，A為傳導(dǎo)體的截面積，L為傳導(dǎo)體的長(zhǎng)度，括號(hào)內(nèi)為溫度差。*K

是材料的導(dǎo)熱率，其量綱為W/cm2℃。*銅的導(dǎo)熱率為4.01；鋁的導(dǎo)熱率為2.25。第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

*此式與導(dǎo)體中的電流計(jì)算式相似，所以可以應(yīng)用分析電路的方法分析熱路。

*對(duì)流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對(duì)流，稱為自然對(duì)流。相對(duì)的還有強(qiáng)迫對(duì)流，就是強(qiáng)迫將被加熱的介質(zhì)帶走熱量。2對(duì)流

*被加熱的介質(zhì)變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對(duì)流.第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3輻射

*輻射是借助于電磁波的形式將熱傳輸出去。它與輻射面的表面積、粗糙度和顏色有關(guān)。*三種傳熱方式往往同時(shí)存在，熱傳輸是多維的。

*如，芯片到外殼的熱傳輸主要是傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射可忽略不計(jì)；在高空條件下，對(duì)流處于次要地位，主要是傳導(dǎo)和輻射散熱。四熱路歐姆定律1熱阻

*表示介質(zhì)傳熱的能力，其意義就是單位功耗所引起的溫升，用Rth表示。*熱阻的單位是℃/W*一般在說(shuō)明熱阻時(shí)，要說(shuō)明從某處到某處的熱阻。第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2熱路歐姆定律*根據(jù)熱電相似原理引入熱路的概念

*在熱路中，熱流相當(dāng)于電路中的電流，熱阻相當(dāng)于電路中的電阻，溫度差相當(dāng)于電位差。

*即，當(dāng)熱量從A物體向它周圍的B物體擴(kuò)散，A物體的溫升等于A物體的發(fā)熱功率與從A到B的熱阻的乘積。

*如物體內(nèi)有N個(gè)發(fā)熱點(diǎn)，其熱功率分別為P1、P2…Pn，則引起A處溫升的總功率為第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3等效熱路*開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)管或整流二極管的等效熱路

*在散熱系統(tǒng)中，芯片會(huì)與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分別如圖所示。*

殼與環(huán)境的熱阻要遠(yuǎn)大于殼與散熱器的熱阻，所以前一熱路可等效為后一熱路。*

Tj、TC、TS、Ta分別是芯片、殼、散熱器、環(huán)境溫度。*

Rjc、Rca、Rcs、Rsa分別是芯片到殼、殼到環(huán)境、殼到散熱器、散熱器到環(huán)境的熱阻。第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月*該環(huán)路中流動(dòng)的是熱功率*應(yīng)該注意到該熱路及方程只是穩(wěn)態(tài)時(shí)等效熱路五.外部熱阻的確定方法和散熱器設(shè)計(jì)1芯片到殼的熱阻

*芯片到殼的熱阻可通過(guò)廠家提供的手冊(cè)查找*不提供時(shí)，可用下式計(jì)算Tjm公司給出的最高允許結(jié)溫TC環(huán)境25℃時(shí)最高允許殼溫PCM公司給出的最大允許功耗*一般第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2殼到散熱器的熱阻

*殼到散熱器的熱阻與二者之間的接觸面積及粗糙程度有關(guān)，為接觸熱阻。

*A是接觸面積（cm）、β為接觸系數(shù)（cm2）·℃/W、金屬—金屬，有硅脂時(shí)為0.5；無(wú)硅脂時(shí)為1。*如果二者之間需要加絕緣，可用后式計(jì)算。*其中，K為導(dǎo)熱率，L為墊片厚度，A

為墊片截面積。第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3散熱器到環(huán)境的熱阻

*鋁型材散熱器當(dāng)翼片氣流方向垂直于水平面，光潔表面，黑色氧化時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)公式A

為散熱器的表面面積（cm2）P