開關(guān)電源常用的幾種保護電路

開關(guān)電源常用的幾種保護電路1引言評價開關(guān)電源的質(zhì)量指標應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。2開關(guān)電源常用的幾種保護電路2.1防浪涌軟啟動電路開關(guān)電源的輸入電路大都采用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，特別是大功率開關(guān)電源，采用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(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會使空氣開關(guān)合不上閘。上述現(xiàn)象均會造成開關(guān)電源無法正常工作，為此幾乎所有的開關(guān)電源都設(shè)置了防止流涌電流的軟啟動電路，以保證電源正常而可靠運行。圖1是采用晶閘管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（D1?D4）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)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管導(dǎo)通并短路限流電阻R1，開關(guān)電源處于正常運行狀態(tài)。D?D?圖1采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟動電路圖2是采用繼電器K1和限流電阻R1構(gòu)成的防浪涌電流電路。電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流（D1?D4）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，同時輔助電源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數(shù)（R2C2），通常選取為0.3?0.5s。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用圖3所示電路替代RC延遲電路。圖2采用繼電器K］和限流電阻構(gòu)成的軟啟動電路43-r2W51圖3替代RC的延遲電路2.2過壓、欠壓及過熱保護電路進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應(yīng)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足要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過壓、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性。溫度是影響電源設(shè)備可靠性的最重要因素。根據(jù)有關(guān)資料分析表明，電子元器件溫度每升高2°C,可靠性下降10%，溫升50°C時的工作壽命只有溫升25°C時的1/6,為了避免功率器件過熱造成損壞，在開關(guān)電源中亦需要設(shè)置過熱保護電路。圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元器件構(gòu)成的過壓、欠壓、過熱保護電路。取樣電壓可以直接從輔助控制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，N1.2為過壓比較器，調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)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(gòu)成分壓器，緊貼于功率開關(guān)器件IGBT的表面，溫度升高時，RT阻值下降，適當選取R7的阻值，使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機，當其正向端輸入低電平時，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)保護。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。圖4過壓、欠壓、過熱保護電路2.3缺相保護電路由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠，開關(guān)電源有時會出現(xiàn)缺相運行的情況，且掉相運行不易被及時發(fā)現(xiàn)。當電源處于缺相運行時，整流橋某一臂無電流，而其它臂會嚴重過流造成損壞，同時使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此必須對缺相進行保護。檢測電網(wǎng)缺相通常采用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)電源中一般采用電子缺相保護電路。圖5是一個簡單的電子缺相保護電路。三相平衡時，叫?R3結(jié)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)節(jié)缺相動作閾值。該缺相保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保護電路圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護電路，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(guān)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。這種缺相保護電路采用光耦隔離強電，安全可靠，RP1、Rp2用于調(diào)節(jié)缺相保護動作閾值。300kfl凸kG"N4W?QjOlpF1IM4OO7-4^—4N25300kfl凸kG"N4W?QjOlpF1IM4OO7-4^—4N25NI1!-Lr==卯nuNl1M393圖6三相三線制的缺相保護電路2.4短路保護開關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠，是影響開關(guān)電源可靠性的重要因素。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(guān)電源最普遍使用的電力電子開關(guān)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us至幾十USo短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關(guān)斷時電流下降率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，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。為了實現(xiàn)IGBT的短路保護，貝y必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常

是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流I,然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出C去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降V,因為管壓降ce含有短路電流信息，過流時V增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時的V并與設(shè)定的閾cece值進行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷。在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(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，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。在檢測到過流信號后首先是進入降柵保護程序，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(shè)定一個固定延遲時間用以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消失則柵壓自動恢復(fù)，如故障仍然存在則進行軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)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(guān)斷時不會出現(xiàn)過大的短路電流下降率和過高的過電壓。采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動保護，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安全區(qū)內(nèi)。在設(shè)計降柵壓保護電路時，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7.5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2us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，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過電壓發(fā)生。為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續(xù)進行短路保護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除后即恢復(fù)正常工作。下面介紹幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。圖7是利用IGBT過流時V增大的原理進行保護的電路，用于專用驅(qū)動器EXB841°EXB841ce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，以消除干擾產(chǎn)生的誤動作。含有IGBT過流信息的V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ceVd1，通過比較器IC誘俞出接至EXB841的腳6,其目的是為了消除YD］正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過流，驅(qū)動器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。圖7采用IGBT過流時V增大的原理進行保護ce圖8是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路，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(yīng)的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC』勺同相輸入端,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控制器UC3525的輸出控制腳10。不過流時，V〈V,V=0.2V,V<V,IC輸出低電平，PWMTOC\o"1-5"\h\zArefB Cref 2控制器正常工作。當出現(xiàn)過流時，電流傳感器檢測的整流電壓升高，V〉V,V為高電平，ArefBC充電使V〉V,IC輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無驅(qū)動信號，IGBT3 Cref 2關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無電流流過，使V<V,V=0.2V,C經(jīng)R放電，當CArefB 3 1 3放電到使V<V時，IC又輸出低電平，電源重新進入工作狀態(tài)，如果過流繼續(xù)存在，保護Cref 2電路又回復(fù)到原來的限流保護工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使PWM控制電路的輸出驅(qū)動波形處于間隔輸出狀態(tài)，如圖8（b）所示波形。電位器R調(diào)整比較器過流動作閾值。電容器C經(jīng)D快速充P1 3 5電，經(jīng)叫慢速放電，只要合理地選擇R1,q的參數(shù)，使pwm驅(qū)動信號關(guān)閉時間12〉>t］，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,q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。（a）電路原理圖

⑹PWM控制電路的輸出驅(qū)動波形圖

圖8利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路圖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保護電路，電路工作原理是：負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，V的V增大，V門極驅(qū)動電流經(jīng)R,1 ce 3 2R3分壓器使V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，同時經(jīng)R5C3延遲使v2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號。另一方面，在短路時經(jīng)電流傳感器檢測短路電流，經(jīng)圖10是應(yīng)用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護技術(shù)的短路保護電路。圖10正常工作狀態(tài)，驅(qū)動輸入信號為低電平時，光耦I(lǐng)C不導(dǎo)通，V,V導(dǎo)通，輸出負驅(qū)動TOC\o"1-5"\h\z4 1 3電壓。驅(qū)動輸入信號為高電平時，光耦I(lǐng)C導(dǎo)通，V截止而V導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動電壓，功率4 1 2開關(guān)管V工作在正常開關(guān)狀態(tài)。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓增大，由于V增大，比4 ce較器iq輸出高電平，v5導(dǎo)通，IGBT實現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管vd2決定，軟降柵壓時間由RC形成2US。同時IC輸出的高電平經(jīng)R對C進行充電，當C上電壓達到穩(wěn)壓6 1 1 7 2 2管VD的擊穿電壓時，V導(dǎo)通并由RC形成約3us的軟關(guān)斷柵壓，軟降柵壓至軟關(guān)斷柵壓的4 6 93延遲時間由時間常數(shù)R7C2決定，通常選取在5?15us。V5導(dǎo)通時，.經(jīng)C4R1°電路流過基極電流而導(dǎo)通約20us，在降柵壓保護后將輸入驅(qū)動信號閉鎖一段時間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過電壓，使驅(qū)動電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護過程。*導(dǎo)通時，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)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，V導(dǎo)通，IC被封鎖，封鎖時間由定時元件RC決定（約1.2s），使工作頻率降9 3 155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)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來的頻率下，連續(xù)進行短路保護導(dǎo)致熱積累而造成IGBT損壞。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。3結(jié)語

開關(guān)電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下，保護電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗收技術(shù)指標時，應(yīng)對保護功能進行驗證。開關(guān)電源的保護方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實現(xiàn)保護。開關(guān)電源常用保護電路-過熱、過流、過壓以及軟啟動保護電路1引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，因此直流開關(guān)電源開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了直流開關(guān)電源?同時隨著許多高新技術(shù)，包括高頻開關(guān)技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智能化技術(shù)、表面安裝技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間?但是由于開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便.為了保護開關(guān)電源自身和負載的安全,根據(jù)了直流開關(guān)電源的原理和特點，設(shè)計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路.2開關(guān)電源的原理及特點2.1工作原理直流開關(guān)電源由輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、控制部分組成?功率轉(zhuǎn)換部分是開關(guān)電源的核心，它對非穩(wěn)定直流進行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能?它主要由開關(guān)三極管和高頻變壓器組成.UiVD圖1畫出了直流開關(guān)電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管V,激勵信號，續(xù)流二極管Vp,儲能電感和濾波電容C組成?實際上，直流開關(guān)電源的核心部分是一個直流變壓器.Ui開關(guān)調(diào)整元件團1開關(guān)調(diào)整元件團1直流開關(guān)電遞原理2.2特點為了適應(yīng)用戶的需求，國內(nèi)外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是通過改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，同時SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進展,在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄?因此直流開關(guān)電源的發(fā)展趨勢是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化.直流開關(guān)電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾，適應(yīng)惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱.由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進國家還有一定的差距，因此直流開關(guān)電源的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價成本較高，3直流開關(guān)電源的保護基于直流開關(guān)電源的特點和實際的電氣狀況,為使直流開關(guān)電源在惡劣環(huán)

境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據(jù)不同的情況設(shè)計了多種保護電路.3.1過電流保護電路在直流開關(guān)電源電路中，為了保護調(diào)整管在電路短路、電流增大時不被燒毀.其基本方法是，當輸出電流超過某一值時，調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動切斷電路電流?如圖2所示，過電流保護電路由三極管BG2和分壓電阻R4、R5組成.電路正常工作時，通過R4與R5的壓作用，使得BG2的基極電位比發(fā)射極電位高,發(fā)射結(jié)承受反向電壓?于是BG2處于截止狀態(tài)（相當于開路）,對穩(wěn)壓電路沒有影響?當電路短路時，輸出電壓為零，BG2的發(fā)射極相當于接地，則BG2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)（相當于短路），從而使調(diào)整管BG1基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止狀態(tài)，切斷電路電流,從而達到保護目的.3.2過電壓保護電路直流開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護?如果開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源（諸如蓄電池和整流器）的電壓如果過高，將導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器件，因此開關(guān)電源中

有必要使用輸入過電壓保護電路?圖3為用晶體管和繼電器所組成的保護電路，在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R,使晶體管T導(dǎo)通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入.輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結(jié)合在一起，構(gòu)成極性保護鑒別與過電壓保護電路.團3輸入過電壓保護電號團3輸入過電壓保護電號3.3軟啟動保護電路開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器?在開機瞬間，濾波電容器會流過很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍.這樣大的浪涌電流會使普通電源開關(guān)的觸點或繼電器的觸點熔化，并使輸入保險絲熔斷?另外，浪涌電流也會損害電容器，使之壽命縮短，過早損壞.為此，開機時應(yīng)該接入一個限流電阻，通過這個限流電阻來對電容器充電?為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機暫態(tài)過程結(jié)束后，用一個繼電器自動短接它，使直流電源直接對開關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關(guān)電源的“軟啟動”電路?如圖4(a)所示￡工)毎啟動電路圖4敦啟動保護電跖*￡工)毎啟動電路圖4敦啟動保護電跖*r-t—,i\-■e5~L5TOI.■1{b〉延遲電陶在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋(D1~D