開關(guān)電源過流、短路保護(hù)原理
過流短路其實(shí)是一個(gè)原理,通過在輸出端串接一個(gè)檢測(cè)電阻,將需要保護(hù)的電流值轉(zhuǎn)化為電壓值,將此電壓值送入運(yùn)放,與基準(zhǔn)電壓比較,即可得出一個(gè)信號(hào),用來控制保護(hù)是否啟動(dòng)。過流都可以保護(hù)了,那短路其實(shí)就是過流的極限狀態(tài),只是此時(shí)由于短路,輸出電壓沒有了,這時(shí)顆配合初級(jí)的MOSFET的限流電阻控制最大輸出功率,就可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。
常見電源保護(hù)電路解析
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),防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護(hù)電路。開關(guān)電源常用的幾種保護(hù)電路如下:
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、過壓、欠壓及過熱保護(hù)電路
進(jìn)線電源過壓及欠壓對(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熱造成損壞,在開關(guān)電源中亦需要設(shè)置過熱保護(hù)電路。
圖4 過壓、欠壓、過熱保護(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)成的過壓、欠壓、過熱保護(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為過壓比較器,調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)過、欠壓的動(dòng)作閾值。N1.3為過熱比較器,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(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)。
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),整流橋某一臂無電流,而其它臂會(huì)嚴(yán)重過流造成損壞,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。
圖6 三相三線制的缺相保護(hù)電路
4、短路保護(hù)
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(shí)高的過電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此,當(dāng)出現(xiàn)短路過流時(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)行過流檢測(cè)。適用IGBT過流檢測(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)過流時(shí)IGBT的電壓降Vce,因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏餍畔ⅲ^流時(shí)Vce增大,且基本上為線性關(guān)系,檢測(cè)過流時(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(hù)技術(shù)。在檢測(cè)到過流信號(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(dòng)保護(hù),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(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;如果降柵壓幅度較小(比如5V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(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。不過流時(shí),VA《Vref,VB=0.2V,VC《Vref,IC2輸出低電平,PWM控制器正常工作。
(a) 電路原理圖
(b) PWM控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形圖
圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路
當(dāng)出現(xiàn)過流時(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。因無驅(qū)動(dòng)信號(hào),IGBT關(guān)閉,而電源停止工作,電流傳感器無電流流過,使VA《Vref,VB=0.2V,C3經(jīng)R1放電,當(dāng)C3放電到使VC《Vref時(shí),IC2又輸出低電平,電源重新進(jìn)入工作狀態(tài),如果過流繼續(xù)存在,保護(hù)電路又回復(fù)到原來的限流保護(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。
圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路圖9是利用IGBT(V1)過流集電極電壓檢測(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 綜合過流保護(hù)電路
圖10是應(yīng)用檢測(cè)IGBT集電極電壓的過流保護(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。(http://www.diangon.com/版權(quán)所有)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)。
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,以簡化電路結(jié)構(gòu)和降低成本。