原理分析：開關(guān)電源保護(hù)電路

摘要：為使開關(guān)電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障狀況下安全可靠，提出了幾種實(shí)用的保護(hù)電路，并對(duì)電路的工作原理進(jìn)行了詳盡分析。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；保護(hù)電路；可靠性

1 引言

評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標(biāo)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(jì)多種保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流、短路、缺相等保護(hù)電路。

2 開關(guān)電源常用的幾種保護(hù)電路

2.1 防浪涌軟啟動(dòng)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(jìn)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(huì)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(dá)100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，整流橋過(guò)流損壞；輕者也會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘。上述現(xiàn)象均會(huì)造成開關(guān)電源無(wú)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(dòng)電路，以保證電源正常而可靠運(yùn)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(duì)電容器C充電，限制浪涌電流。當(dāng)電容器C充電到約80％額定電壓時(shí)，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(hào)，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(yùn)行狀態(tài)。

圖1 采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟動(dòng)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(duì)濾波電容器C1充電，防止接通瞬間的浪涌電流，同時(shí)輔助電源Vcc經(jīng)電阻R2對(duì)并接于繼電器K1線包的電容器C2充電，當(dāng)C2上的電壓達(dá)到繼電器K1的動(dòng)作電壓時(shí)，K1動(dòng)作，其觸點(diǎn)K1.1閉合而旁路限流電阻R1，電源進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。限流的延遲時(shí)間取決于時(shí)間常（R2C2），通常選取為0.3～0.5s。為了提高延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性及防止繼電器動(dòng)作抖動(dòng)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K1和限流電阻構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路

圖3 替代RC的延遲電路

2.2 過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱保護(hù)電路

進(jìn)線電源過(guò)壓及欠壓對(duì)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(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過(guò)壓、欠壓保護(hù)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℃，可靠性下降10％，溫升50℃時(shí)的工作壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6，為了避免功率器件過(guò)熱造成損壞，在開關(guān)電源中亦需要設(shè)置過(guò)熱保護(hù)電路。

圖4 過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)電路

圖4是僅用一個(gè)4比較器LM339及幾個(gè)分立元器件構(gòu)成的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)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(gè)基準(zhǔn)電壓，N1.1為欠壓比較器，N1.2為過(guò)壓比較器，調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)過(guò)、欠壓的動(dòng)作閾值。N1.3為過(guò)熱比較器，RT為負(fù)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(shí)，RT阻值下降，適當(dāng)選取R7的阻值，使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動(dòng)作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機(jī)，當(dāng)其正向端輸入低電平時(shí)，比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于4個(gè)比較器的輸出端是并聯(lián)的，無(wú)論是過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱任何一種故障發(fā)生，比較器輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電源停止工作，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。如將電路稍加變動(dòng)，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.3 缺相保護(hù)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(shí)會(huì)出現(xiàn)缺相運(yùn)行的情況，且掉相運(yùn)行不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源處于缺相運(yùn)行時(shí)，整流橋某一臂無(wú)電流，而其它臂會(huì)嚴(yán)重過(guò)流造成損壞，同時(shí)使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此必須對(duì)缺相進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測(cè)電路。由于電流互感器檢測(cè)成本高、體積大，故開關(guān)電源中一般采用電子缺相保護(hù)電路。圖5是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子缺相保護(hù)電路。三相平衡時(shí)，R1～R3結(jié)點(diǎn)H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)缺相時(shí)，H點(diǎn)電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進(jìn)行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。比較器的基準(zhǔn)可調(diào)，以便調(diào)節(jié)缺相動(dòng)作閾值。該缺相保護(hù)適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。

圖5 三相四線制的缺相保護(hù)電路

圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護(hù)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(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。這種缺相保護(hù)電路采用光耦隔離強(qiáng)電，安全可靠，RP1、RP2用于調(diào)節(jié)缺相保護(hù)動(dòng)作閾值。

開關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴(yán)重的故障，短路保護(hù)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(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率di/dt過(guò)大，由于漏感及引線電感的存在，導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，該過(guò)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(shí)高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用IGBT過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏餍畔ⅲ^(guò)流時(shí)Vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無(wú)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(hù)技術(shù)。在檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵保護(hù)程序，以降低故障電流的幅值，延長(zhǎng)IGBT的短路承受時(shí)間。在降柵動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間用以判斷故障電流的真實(shí)性，如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消失則柵壓自動(dòng)恢復(fù)，如故障仍然存在則進(jìn)行軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關(guān)斷時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的短路電流下降率和過(guò)高的過(guò)電壓。采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過(guò)電壓降低，IGBT的電流、電壓運(yùn)行軌跡能保證在安全區(qū)內(nèi)。

在設(shè)計(jì)降柵壓保護(hù)電路時(shí)，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2μs下降時(shí)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(guò)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(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護(hù)即可不必在一次短路保護(hù)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(hù)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(hù)的實(shí)用電路及工作原理。

圖7是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)的電路，用于專用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841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(dòng)作。含有IGBT過(guò)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(fù)二極管VD1，通過(guò)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(cè)的準(zhǔn)確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅(qū)動(dòng)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(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)

圖8是利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路，電流傳感器（SC）初級(jí)（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過(guò)流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(guò)流時(shí)，VAVref，VB=0.2V，VCVref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。

當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，電流傳感器檢測(cè)的整流電壓升高，VA>Vref，VB為高電平，C3充電使VC>Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無(wú)電流流過(guò)，使VAVref，VB=0.2V，C3經(jīng)R1放電，當(dāng)C3放電到使VCVref時(shí)，IC2又輸出低電平，電源重新進(jìn)入工作狀態(tài)，如果過(guò)流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又回復(fù)到原來(lái)的限流保護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使PWM控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)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(guò)流動(dòng)作閾值。電容器C3經(jīng)D5快速充電，經(jīng)R1慢速放電，只要合理地選擇R1，C3的參數(shù)，使PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉時(shí)間t2>>t1，可保證電源進(jìn)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(guān)斷而損壞。

(a) 電路原理圖

圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路圖9是利用IGBT（V1）過(guò)流集電極電壓檢測(cè)和電流傳感器檢測(cè)的綜合保護(hù)電路，電路工作原理是：負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過(guò)流）時(shí)，V1的Vce增大，V3門極驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3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(shí)經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。另一方面，在短路時(shí)經(jīng)電流傳感器檢測(cè)短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進(jìn)行降柵壓，V2導(dǎo)通進(jìn)行軟關(guān)斷。

圖9 綜合過(guò)流保護(hù)電路

圖10是應(yīng)用檢測(cè)IGBT集電極電壓的過(guò)流保護(hù)原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護(hù)技術(shù)的短路保護(hù)電路。

圖10

正常工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，光耦I(lǐng)C4不導(dǎo)通，V1，V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，光耦I(lǐng)C4導(dǎo)通，V1截止而V2導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，功率開關(guān)管V4工作在正常開關(guān)狀態(tài)。發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電壓增大，由于Vce增大，比較器IC1輸出高電平，V5導(dǎo)通，IGBT實(shí)現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2決定，軟降柵壓時(shí)間由R6C1形成2μs。同時(shí)IC1輸出的高電平經(jīng)R7對(duì)C2進(jìn)行充電，當(dāng)C2上電壓達(dá)到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電壓時(shí)，V6導(dǎo)通并由R9C3形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，軟降柵壓至軟關(guān)斷柵壓的延遲時(shí)間由時(shí)間常數(shù)R7C2決定，通常選取在5～15μs。V5導(dǎo)通時(shí)，V7經(jīng)C4R10電路流過(guò)基極電流而導(dǎo)通約20μs，在降柵壓保護(hù)后將輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖一段時(shí)間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號(hào)，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過(guò)電壓，使驅(qū)動(dòng)電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個(gè)完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護(hù)過(guò)程。

V7導(dǎo)通時(shí)，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)通，時(shí)基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號(hào)，555輸出腳3輸出高電平，V9導(dǎo)通，IC3被封鎖，封鎖時(shí)間由定時(shí)元件R15C5決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)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(lái)的頻率下，連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)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(yǔ)

開關(guān)電源保護(hù)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(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗(yàn)收技術(shù)指標(biāo)時(shí)，應(yīng)對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

開關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，但對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以使得在故障條件下真正有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。文中所述的保護(hù)電路可以靈活組合使用，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)和降低成本。