過(guò)流短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法

由于逆變電源在電路中肩負(fù)著直流和交流之間的轉(zhuǎn)換，所以其安全性就顯得尤為重要。如果逆變電源出現(xiàn)短路的情況，那么就有可能出現(xiàn)燒毀的情況，想要有效避免短路情況的發(fā)生，就要充分重視逆變電源中的過(guò)流短保護(hù)電路。本篇文章就將為大家介紹過(guò)流短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)實(shí)生活中的負(fù)載大多數(shù)是沖擊性負(fù)載，例如熾燈泡，在冷態(tài)時(shí)的電阻要比點(diǎn)亮?xí)r低很多，像電腦，電視機(jī)等整流性負(fù)載，由于輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流后要用一個(gè)比較大的電容濾波，因而沖擊電流比較大。還有冰箱等電機(jī)感性負(fù)載，電機(jī)從靜止到正常轉(zhuǎn)動(dòng)也需要用電力產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩因而起動(dòng)電流也比較大。

如果我們的逆變器只能設(shè)定一個(gè)能長(zhǎng)期工作的額定輸出功率的話，在起動(dòng)功率大于這個(gè)額定輸出功率的負(fù)載就不能起動(dòng)了，這就需要按照起動(dòng)功率來(lái)配備逆變器了，這顯然是一種浪費(fèi)。實(shí)際中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)流短路保護(hù)電路時(shí)我們會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)保護(hù)點(diǎn)，額定功率和峰值功率。一般峰值功率設(shè)定為額定功率2-3倍。時(shí)間上額定功率是長(zhǎng)時(shí)間工作不會(huì)保護(hù)的，峰值功率一般只維持到幾秒就保護(hù)了。下面進(jìn)行舉例說(shuō)明：

如圖1所示，R5為全橋高壓逆變MOS管源極的高壓電流取樣電阻，可以這么理解，高壓電流的大小基本上決定了輸出功率的大小，所以用R5檢測(cè)高壓電流的大小。圖1中LM339的兩個(gè)比較器單元我們分別用來(lái)做過(guò)流和短路檢測(cè)。

先看由IC3D及其外圍元件組成的過(guò)流保護(hù)電路，IC3D的8腳設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，由R33、VR4、R56、R54分壓決定其值U8=5* (R33+VR4)/( R33+VR4 +R56+R54)。當(dāng)R5上的電壓經(jīng)過(guò)R24，C17延時(shí)后超過(guò)8腳電壓14腳輸出高電平通過(guò)D7隔離到IC3B的5腳。4腳兼做電池欠壓保護(hù)，正常時(shí) 5腳電壓低于4腳，過(guò)流后5腳電壓高于4腳，2腳輸出高電平控制后級(jí)的高壓MOS關(guān)斷，當(dāng)然也可以控制前級(jí)的MOS一起關(guān)斷。D8的作用是過(guò)流短路或電池欠壓后正反饋鎖定2腳為高電平。

再看IC3C組成的短路保護(hù)電路，原理和過(guò)流保護(hù)差不多，只是延時(shí)的時(shí)間比較短，C19的容量很小，加上LM339的速度很快，可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)在幾個(gè)微秒內(nèi)關(guān)斷，有效地保護(hù)了高壓MOS管的安全。順便說(shuō)的一點(diǎn)是短路保護(hù)點(diǎn)要根據(jù)MOS管的ID，安全區(qū)域和回路雜散電阻等參數(shù)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)電流在ID以內(nèi)，動(dòng)作時(shí)間在30微秒以內(nèi)是比較安全的。

IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)

IGBT作為一種新型的功率器件，具有電壓和電流容量高等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)高于雙極型晶體管而略低于MOS管，因而廣泛地應(yīng)用在各種電源領(lǐng)域里，在中大功率逆變器中也得到廣泛應(yīng)用。

IGBT缺點(diǎn)，一是集電極電流有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(zhǎng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負(fù)的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差，如果像保護(hù)MOS管一樣在很大的短路電流的時(shí)候快速關(guān)斷MOS管極可能在集電極引起很高的DI/DT，使UCE由于引腳和回路雜散電感的影響感應(yīng)出很高的電壓而損壞。

IGBT的短路保護(hù)一般是檢測(cè)CE極的飽和壓降實(shí)現(xiàn)，當(dāng)集電極電流很大或短路時(shí)，IGBT退出飽和區(qū)，進(jìn)入放大區(qū)。上面說(shuō)過(guò)這時(shí)我們不能直接快速關(guān)斷 IGBT，我們可以降低柵極電壓來(lái)減小集電極的電流以延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間的耐量和減小集電極的DI/DT.如果不采取降低柵極電壓來(lái)減小集電極的電流這個(gè)措施的話一般2V以下飽和壓降的IGBT的短路耐量只有5μS;3V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約10-15μS，4-5 V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約是30μS.

還有一點(diǎn)，降柵壓的時(shí)間不能過(guò)快，一般要控制在2μS左右，也就是說(shuō)為了使集電極電流從很大的短路電流降到過(guò)載保護(hù)的1.2-1.5倍一般要控制在2μS 左右，不能過(guò)快，在過(guò)載保護(hù)的延時(shí)之內(nèi)如果短路消失的話是可以自動(dòng)恢復(fù)的，如果依然維持在超過(guò)過(guò)載保護(hù)電流的話由過(guò)載保護(hù)電路關(guān)斷IGBT.

所以IGBT的短路保護(hù)一般是配合過(guò)載保護(hù)的，下面是一個(gè)TLP250增加慢降柵壓的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)的應(yīng)用電路圖：

圖2中電路正常工作時(shí)，ZD1的負(fù)端的電位因D2的導(dǎo)通而使ZD1不足以導(dǎo)通，Q1，截止;D1的負(fù)端為高電平所以Q3也截止。C1未充電，兩端的電位為 0.IGBTQ3短路后退出飽和狀態(tài)，集電極電位迅速上升，D2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，ZD1被擊穿，C2能夠使Q1的開(kāi)通有一小段的延時(shí)，使得Q3導(dǎo)通時(shí)可以有一小段的下降時(shí)間，避免了正常工作時(shí)保護(hù)電路的誤保護(hù)。ZD1被擊穿后Q1由于C2的存在經(jīng)過(guò)一段很短的時(shí)間后延時(shí)導(dǎo)通，C1開(kāi)始通過(guò)R4，Q1充電，D1的負(fù)端電位開(kāi)始下降，當(dāng)D1的負(fù)端電位開(kāi)始下降到D1與Q3be結(jié)的壓降之和時(shí)Q3開(kāi)始導(dǎo)通，Q2、Q4基極電位開(kāi)始下降，Q3的柵極電壓也開(kāi)始下降。當(dāng)C1充電到ZD2的擊穿電壓時(shí)ZD2被擊穿，C1停止充電，降柵壓的過(guò)程也結(jié)束，柵極電壓被鉗位在一個(gè)固定的電平上。 Q3的集電極電流也被降低到一個(gè)固定的水平上。