開關電源保護電路設計及分析 2

1、4 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，故開關電源中一般采用電子缺相保護電路。圖5是一個簡單的缺相保護電路。三相平衡時，R1R3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

2、，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。5 短路保護 開關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、

3、大功率開關電源最普遍使用的電力電子開關器件. 6。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 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，則必須進行過流檢測。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Ic，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vc

4、e，因為管壓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，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關斷。 在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關斷電流的 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，通常采用軟降柵壓和軟關斷綜合保護技術(shù)。 在設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，不必采用軟關斷；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，即采用軟關斷，

5、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，故障消除后即恢復正常工作。下面是幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。 (1)利用IGBT的Vce設計過流保護電路圖7是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護的電路，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，以消除干擾產(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

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，其目的是為了消除VD1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斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。 (2)利用電流傳感器設計過流保護電路圖8(a)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控制器UC3525的輸出控制腳10。不

7、過流時，VAVref，VB為高電平，C3充電使VC>Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關閉PWM控制電路。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VA參數(shù)，使PWM驅(qū)動信號關閉時間t2>>t1，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。 (3)綜合過流保護電路 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，V1的Vce

8、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，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。 此外，還可以應用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理，采用軟降柵壓、軟關斷及降低工作頻率保護技術(shù)的短路保護電路7、8，這里不作祥細介紹了，有興趣的讀者請參考文獻1。開關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定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。驗收技術(shù)指標時，應對保護功能進行驗證。 開關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。6 結(jié)束語 開關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定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性