開關電源常用的幾種保護電路

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯開關電源常用的幾種保護電路 評價開關電源的質(zhì)量指標應當是以平安性、牢靠性為第一原則。在電氣技術指標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，必需設計多種愛護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等愛護電路。開關電源常用的幾種愛護電路如下：1、防浪涌軟啟動電路開關電源的輸入電路大都采納電容濾波型整流電路，在進線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會形成很大的浪涌電流，特殊是大功率開關電源，采納容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會導

2、致輸入熔斷器燒斷或合閘開關的觸點燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會使空氣開關合不上閘。上述現(xiàn)象均會造成開關電源無法正常工作，為此幾乎全部的開關電源都設置了防止流涌電流的軟啟動電路，以保證電源正常而牢靠運行。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。當電容器C充電到約80額定電壓時，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，使晶閘管導通并短路限流電阻R1，開關電源處于正常運行狀態(tài)。圖1 采納晶閘管和限流電阻組成的軟啟動電路圖2是采納繼電器K1和限流電阻R1構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C2上的電壓達到繼電器K1的動作電壓時，K1動作，其觸點K1.1閉合而旁路限流電阻R1，電源進入正常運行狀態(tài)。限流的延遲時間取決于時間常（R2C2），通常選取為0.30.5s。為了提高延遲時間的精確性及防止繼電器動作抖動振蕩，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和限流電阻構成的軟啟動電路圖3 替代RC的延遲電路2、過壓、欠壓及過熱愛護電路進線電源過壓及欠壓對開關電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流

4、應力超出正常使用的范圍而損壞，同時因電氣性能指標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、欠壓愛護以提高電源的牢靠性和平安性。溫度是影響電源設備牢靠性的最重要因素。依據(jù)有關資料分析表明，電子元器件溫度每上升2，牢靠性下降10，溫升50時的工作壽命只有溫升25時的1/6，為了避開功率器件過熱造成損壞，在開關電源中亦需要設置過熱愛護電路。圖4 過壓、欠壓、過熱愛護電路圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元器件構成的過壓、欠壓、過熱愛護電路。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，比較器共用一個基準電壓，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、欠壓的動作閾值。N1.3為過熱比較器，RT為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與R7構成分壓器，緊貼于功率開關器件IGBT的表面，溫度上升時，RT阻值下降，適當選取R7的阻值，使N1.3在設定的溫度閾值動作。N1.4用于外部故障應急關機，當其正向端輸入低電平常，比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)動信號。由于4個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)動信號使電源停止工作，實現(xiàn)愛護。如將電路稍加變動，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動信號。3、缺相愛護電路由于電網(wǎng)自身緣由或電源輸入接線不行靠，開關電源有時會消失缺相運行的狀況，且掉

6、相運行不易被準時發(fā)覺。當電源處于缺相運行時，整流橋某一臂無電流，而其它臂會嚴峻過流造成損壞，同時使逆變器工作消失特別，因此必需對缺相進行愛護。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，故開關電源中一般采納電子缺相愛護電路。圖5是一個簡潔的電子缺相愛護電路。三相平衡時，R1R3結點H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當缺相時，H點電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動信號。比較器的基準可調(diào)，以便調(diào)整缺相動作閾值。該缺相愛護適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。圖5 三相四線制的缺相愛護

7、電路圖6是一種用于三相三線制電源缺相愛護電路，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電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅(qū)動信號，關閉電源。比較器輸入極性稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。這種缺相愛護電路采納光耦隔離強電，平安牢靠，RP1、RP2用于調(diào)整缺相愛護動作閾值。圖6 三相三線制的缺相愛護電路4、短路愛護開關電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴峻的故障，短路愛護是否牢靠，是影響開關電源牢靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動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，是目前中、大功率開關電源最普遍使用的電力電子

8、開關器件。IGBT能夠承受的短路時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間縮短，而且使關斷時電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在，導致IGBT集電極過電壓，該過電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當消失短路過流時，必需實行有效的愛護措施。為了實現(xiàn)IGBT的短路愛護，則必需進行過流檢測。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，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去掌握驅(qū)動信號的關斷；或者采納間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，由于管壓

9、降含有短路電流信息，過流時Vce增大，且基本上為線性關系，檢測過流時的Vce并與設定的閾值進行比較，比較器的輸出掌握驅(qū)動電路的關斷。在短路電流消失時，為了避開關斷電流的di/dt過大形成過電壓，導致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斷綜合愛護技術。在檢測到過流信號后首先是進入降柵愛護程序，以降低故障電流的幅值，延長IGBT的短路承受時間。在降柵動作后，設定一個固定延遲時間用以推斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消逝則柵壓自動恢復，如故障仍舊存在則進行軟關斷程序，使柵壓降至0V以下，關斷IGBT的驅(qū)動信號。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關斷時不會

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斷柵極驅(qū)動愛護，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、電壓運行軌跡能保證在平安區(qū)內(nèi)。在設計降柵壓愛護電路時，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，不必采納軟關斷；假如降柵壓幅度較小（比如5V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)進行短路愛護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞

11、，采納降柵壓愛護即可不必在一次短路愛護馬上封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的愛護方法，故障消退后即恢復正常工作。下面介紹幾種IGBT短路愛護的有用電路及工作原理。圖7是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行愛護的電路，用于專用驅(qū)動器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消退干擾產(chǎn)生的誤動作。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)動器EXB841的低速切斷電路慢速關斷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Vce增大的原理進行愛護圖8是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT愛護電路，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓進行比較，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，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)動波形圖圖8 利用電

13、流傳感器進行過流檢測的IGBT愛護電路當消失過流時，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），關閉PWM掌握電路。因無驅(qū)動信號，IGBT關閉，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C3放電到使VCVref時，IC2又輸出低電平，電源重新進入工作狀態(tài)，假如過流連續(xù)存在，愛護電路又回復到原來的限流愛護工作狀態(tài)，反復循環(huán)使PWM掌握電路的輸出驅(qū)動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)動信號關閉時間t2t1，可保證電源進入睡眠狀態(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、關斷而損壞。圖8 利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT愛護電路圖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電路，電路工作原理是：負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，V1的Vce增大，V3門極驅(qū)動電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時經(jīng)R5C3延遲使V2導通，送去軟關斷信號。另一方面，

15、在短路時經(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導通進行降柵壓，V2導通進行軟關斷。圖9 綜合過流愛護電路圖10是應用檢測IGBT集電極電壓的過流愛護原理，采納軟降柵壓、軟關斷及降低工作頻率愛護技術的短路愛護電路。圖10正常工作狀態(tài)，驅(qū)動輸入信號為低電平常，光耦IC4不導通，V1，V3導通，輸出負驅(qū)動電壓。驅(qū)動輸入信號為高電平常，光耦IC4導通，V1截止而V2導通，輸出正驅(qū)動電壓，功率開關管V4工作在正常開關狀態(tài)。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓增大，由于Vce增大，比較器IC1輸出高電平，V5導通，IGBT實現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2打算，軟降柵壓時間由R6C1形成2s。（V7導通時，光耦IC5導通，時基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負觸發(fā)信號，555輸出腳3輸出高電平，V9導通，IC3被封鎖，封鎖時間由定時元件R15C5打算（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動器的輸出信號將工作在所謂的“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