保護(hù)電路的工作原理

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。

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。

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。

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)。

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)間常數(shù)(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)。

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。

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。

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)。

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。

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。

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)。