第二章開關(guān)電源保護(hù)電路.ppt

1、2 過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì),（1）電流傳感器檢測過流保護(hù)電路,* 組成,電流信號檢測電路,過流信號處理電路,封鎖開關(guān)脈沖電路,* 簡單的保護(hù)方法,利用熔斷器，但動作慢，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。,* 電流信號檢測電路,脈沖電流后沿尖峰是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的初級漏感和引線電感造成的。,脈沖電流前沿尖峰是由次級整流二極管的反向恢復(fù)造成的變壓器次級暫時(shí)短路引起的。,* 過流信號處理電路,過流一般都是不正?，F(xiàn)象，或者是故障，所以過流保護(hù)應(yīng)該是不可以自恢復(fù)的。,實(shí)現(xiàn)方式，反饋?zhàn)枣i。,加兩級濾波后脈沖電流的前后沿尖峰明顯減小。,* 封鎖開關(guān)脈沖電路,（2）功率開關(guān)管過流狀態(tài)的自動識別,

2、* 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)。,可自鎖的處理電路,把過流信號處理電路的輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號輸入端即可。,* 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)。,二 輸出過壓、欠壓保護(hù)電路,1 過壓、欠壓狀態(tài)的判斷,* 比較器A用于輸出過壓判斷。,* 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,2 保護(hù),把過壓、欠壓判斷電路的

3、輸出加到集成PWM控制器的保護(hù)信號輸入端即可。,3 小功率電源中的過壓保護(hù),* 利用穩(wěn)壓二極管結(jié)合過流保護(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，使過流保護(hù)電路動作。,* 對于瞬間的尖峰干擾，有吸收作用。,三 輸入過壓保護(hù)電路,1 輸入連續(xù)過壓保護(hù),（1）基本方法,* 是在濾波電容后取樣，對瞬間過壓不起作用。,* 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)信號可封鎖PWM脈沖輸出、停止后級DC/DC變換器工作。,（3）改進(jìn)方法,（2）存在問題,保護(hù)不徹底

4、，后級DC/DC變換器雖停止工作，功率開關(guān)得到保護(hù)，但如果輸入電壓繼續(xù)上升超過濾波電容的耐壓值時(shí)，濾波電容會過壓擊穿。,* 在判斷保護(hù)后，發(fā)出保護(hù)信號同時(shí)，控制繼電器或接觸器動作、斷開主回路；不過壓時(shí)，繼電器觸點(diǎn)吸合，不影響正常工作。,* 特點(diǎn)：, 保護(hù)徹底，適合中、大功率電源中應(yīng)用；, 電路復(fù)雜，成本高。,2 輸入瞬間過壓保護(hù),（1）原因,（2）保護(hù)方法,* 電網(wǎng)上電感性負(fù)載的開、關(guān)，雷電感應(yīng)等都會在電網(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

5、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。,四 軟啟動電路,1 軟啟動,* 軟啟動是指電源啟動時(shí)，其輸出電壓隨時(shí)間緩慢增加，變化規(guī)律如圖。,* 需要軟啟動的原因，是由于電源輸出濾波電容較大，開始工作時(shí)電容兩端電壓為零，未儲能；如果輸出電壓突然建立到額定值，將導(dǎo)致：,* 軟啟動時(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。, 在很短時(shí)間內(nèi)形成很大的充電電流，對整流二極管、功率開關(guān)、電容自身都會造成嚴(yán)重的過流沖擊。

6、, 易使過流或短路保護(hù)動作，影響電源的正常啟動及使用壽命。,2 軟啟動過程,3 軟啟動實(shí)現(xiàn)方法,* 指電源啟動時(shí)，使功率開關(guān)管的驅(qū)動脈寬從0開始緩慢地展寬到額定輸出電壓時(shí)所對應(yīng)的寬度。,* 軟啟動可利用電容的充電特性來實(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脈沖寬度從零開始緩慢展寬。,* 關(guān)機(jī)時(shí)，電容C通過電阻R2放電，再次啟動時(shí)仍具有軟啟動功能。,5 軟啟動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，輸出軟啟動電路才開始工作。,4 軟啟動控制電路設(shè)計(jì),* 在各種PWM控制芯片里，一般都有軟

7、啟動控制電路，只需要在設(shè)置端外接一個(gè)電容即可。,* 如需要對其進(jìn)行控制時(shí)：, X=1時(shí)，三極管導(dǎo)通、無脈沖輸出；, X=0時(shí)，三極管截止、正常啟動工作。,五 過熱保護(hù),1 熱敏電阻,2 溫度開關(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。,二 功率開關(guān)管損耗計(jì)算,1 電阻性負(fù)載開關(guān)管的開關(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)，會使結(jié)合面材料疲軟

8、，致使兩個(gè)表面分離，最終導(dǎo)致器件的失效。,開關(guān)管兩端電壓下降和開關(guān)管中電流上升是同步的，只是方向相反。,開通電流上升時(shí)間,關(guān)斷電流下降時(shí)間,2 電感性負(fù)載開關(guān)管的開關(guān)損耗,* 在開關(guān)管截止期間，iC=0、 iL= iD，負(fù)載通過二極管續(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，二極管便開始導(dǎo)通、 uce經(jīng)很短時(shí)間tvr上升到Ui 、電流才開始明顯下降，經(jīng)tif后下降到零而關(guān)斷。,3 開關(guān)管的導(dǎo)通損耗,* 對于GTR、GTO、IGBT ，Uces有

9、一定的參考值。,* 對于MOSFET，一般給出Rds ，其損耗為,4 開關(guān)管的截止損耗,很小可忽略,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 二極管的開通損耗,二極管的開通時(shí)間很短，開通損耗可忽略。,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,三 熱的傳輸方式,熱的傳輸有三種形式：傳導(dǎo)、對流、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)保持不動的過程。,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)體的長度，括號內(nèi)為溫度差。,* K 是材料的導(dǎo)熱率，其量綱為W/cm2

10、 。,* 銅的導(dǎo)熱率為4.01；鋁的導(dǎo)熱率為2.25。,* 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。,* 對流我們都很熟悉，天氣的變化就是一種對流，稱為自然對流。相對的還有強(qiáng)迫對流，就是強(qiáng)迫將被加熱的介質(zhì)帶走熱量。,2 對流,* 被加熱的介質(zhì)變輕，自然上升帶走熱量，稱為自然對流.,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)，對流和輻射可忽略不計(jì)；在高空條件下，對流處于次要地位，主要是傳導(dǎo)和輻射散熱。,四 熱路歐姆定律,1 熱阻,* 表示

11、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,* 一般在說明熱阻時(shí)，要說明從某處到某處的熱阻。,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,3 等效熱路,* 開關(guān)電源中的功率開關(guān)管或整流二極管的等效熱路,* 在散熱系統(tǒng)中，芯片會與外殼、殼與散熱器、殼與環(huán)境有熱交換，其溫度和熱阻分

12、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。,* 該環(huán)路中流動的是熱功率,* 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廠家提供的手冊查找,* 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,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）、 為接觸系數(shù)（cm2）/W、金屬金屬，有硅脂時(shí)為0.5；無硅脂時(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。,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 為流入散熱器的功率（W）,4 散熱器設(shè)計(jì),