詳解:功率器件的保護(hù)方法
目前用于電子產(chǎn)品和自動化電子控制設(shè)備及功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)方法有如下幾種:
一、保險絲法
這是一種傳統(tǒng)的保護(hù)方法。保險絲常串接在電路的電源輸入端用以控制整個電路的總電流。其工作原理是靠電路出現(xiàn)故障后增大的故障電流流過保險絲時導(dǎo)致其發(fā)熱升溫自行熔化,以切斷電源供給達(dá)到保護(hù)目的。保險絲法有實施簡單、維護(hù)容易、成本低,保護(hù)時電源切斷徹底等優(yōu)點,所以被廣泛應(yīng)用在目前所有的電子電路和電子設(shè)備中。
不過,由于保險絲中流過的是電路的總電流,單只功率半導(dǎo)體器件中工作電流的變化不足以引起其有效反應(yīng);加之保險絲熔化速度慢,只能在功率半導(dǎo)體器件損壞后或電路惡性短路故障發(fā)生后故障電流成倍增加之后才會熔斷,所以,只能起到防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大的作用,對功率半導(dǎo)體器件起不到保護(hù)作用。
二、檢測主電路電流法
該方法是在主電路電源輸入端串聯(lián)接入檢測元件(檢測電阻、互感器等),通過檢測電路中總電流在檢測元件上的電壓降或電流大小獲得相應(yīng)電流或電壓信號,經(jīng)過電路放大處理,與保護(hù)電路的動作閾值比較,決定保護(hù)與否;保護(hù)通過??保險絲或關(guān)斷電源等方法實現(xiàn)。
該保護(hù)方法由于采用了電子技術(shù),和保險絲法相比其靈敏度和反映速度都得到了提高,不過這種方法依然檢測的是電路的總電流,而故障功率半導(dǎo)體器件的工作電流只是總電流的幾分之一甚至幾十分之一,其變化不足以引起保護(hù)電路有效反應(yīng)。所以該方法總是在故障電流形成之后才有響應(yīng),造成檢測結(jié)果和保護(hù)動作的滯后,根本適應(yīng)不了對功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)要求。所以該保護(hù)方法和保險絲一樣,只能在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)損壞和惡性過流故障發(fā)生后起到防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大的作用。對功率器件的保護(hù)仍無能為力。
三、檢測功率器件工作電流法
這是目前比較常用的功率半導(dǎo)體器件保護(hù)方法,對功率半導(dǎo)體器件有一定的保護(hù)作用。該方法是在被保護(hù)的功率半導(dǎo)體器件工作電流通路中串入檢測元件(電阻或電流互感器等),通過檢測被保護(hù)器件的工作電流在檢測元件上的電流或電壓信號,再經(jīng)電路處理獲得故障信號,通過??保險絲或關(guān)斷電源等方法進(jìn)行保護(hù)。
檢測功率器件工作電流法的工作原理和線路結(jié)構(gòu)與檢測主電路電流法相同,不同的是檢測對象是被保護(hù)器件的工作電流,所以靈敏度比檢測主電路電流法要高,效果也要好。如果該方法是采用電子器件關(guān)斷電流通路來實施保護(hù),就能在管子發(fā)生過流故障后起到一定保護(hù)作用。不過因該方案仍采用檢測電流法,即總是在故障形成、被保護(hù)器件受到高電壓、大電流的沖擊后才能檢測出故障信號然后進(jìn)行保護(hù),仍然造成信號獲取滯后。如果被保護(hù)器件選用的功率余量小或電路故障嚴(yán)重,被保護(hù)器件仍然會立即損壞;若被保護(hù)器件功率余量大而且故障程度不嚴(yán)重時器件一般不會損壞;不過由于故障電流的沖擊仍造成被保護(hù)器件的性能明顯下降、壽命減短,給整機(jī)的性能和可靠性埋下隱患。所以該方法對惡性過流、負(fù)載短路等故障起初幾次有一些保護(hù)效果,但性能仍不理想。實際使用證明,器件經(jīng)過有限幾次故障電流的沖擊就失效了。
檢測被保護(hù)器件工作電流法除檢測和保護(hù)滯后外,還存在下列缺陷:
1、由于主電流通路中接有電阻或電流互感器等檢測元件,降低了輸出電壓,使輸出功率下降,電源利用率降低,這在采用低電壓供電的電路中矛盾更突出。2、檢測電阻發(fā)熱量大、散熱困難,易造成整機(jī)溫度升高、工作穩(wěn)定性下降。3、互感器體積大,使用不便;檢測電阻阻值小,要求精度高,導(dǎo)致成本也高。當(dāng)然,采用其它檢測元件同樣存在這個問題。4、保護(hù)電路復(fù)雜,制作困難;一般都是隨機(jī)設(shè)計、通用性差等。
四、并聯(lián)式檢測功率器件電壓法
顧名思義,這種方法就是保護(hù)電路與被保護(hù)功率器件并聯(lián)連接,通過檢測被保護(hù)器件工作時的電壓來獲得信號,根據(jù)電壓情況判斷電路是否出現(xiàn)故障,保護(hù)方法采用就地式保護(hù)方式,即通過強(qiáng)行切斷被保護(hù)功率器件本身的控制信號,迫使其停止工作以實現(xiàn)對其的保護(hù)。(檢測被保護(hù)器件的電壓,直接對被保護(hù)器件實施保護(hù))
由于該方法檢測的是電壓信號,可以在電路出現(xiàn)異常時即時發(fā)現(xiàn)故障,在故障電流還未形成時即進(jìn)行保護(hù),避免了故障電流對器件的沖擊。根據(jù)對實際應(yīng)用電路的測試和長期使用證明,保護(hù)動作時被保護(hù)功率器件的工作電流由正常值減小到零,不存在大電流沖擊,對功率器件的性能壽命無任何影響。所以不怕惡性故障和永久性故障。是一種比較理想的保護(hù)方法。
該保護(hù)方法還有下列特點:1、保護(hù)電路并聯(lián)接入,主工作回路中不串接任何元件,電源利用率高,無熱源。2、檢測對象是被保護(hù)功率器件的工作電壓,所以保護(hù)電路的輸入阻抗高、功耗小,檢測精度高。3、檢測的是被保護(hù)對象本身的工作狀態(tài),保護(hù)又直接施加在被保護(hù)對象上,因此針對性強(qiáng),保護(hù)及時可靠。4、在電路正常時,保護(hù)電路只起監(jiān)視功率半導(dǎo)體器件工作情況的作用,不參與更不影響功率半導(dǎo)體器件的工作,當(dāng)實施保護(hù)時只關(guān)斷故障涉及到的功率器件(當(dāng)然,也可在關(guān)斷被保護(hù)器件的同時切斷單元電路或整個設(shè)備的電源供給),不影響設(shè)備其它部分的工作,這點對很多設(shè)備非常必要。
該保護(hù)電路的不足是:只對被保護(hù)器件的工作狀態(tài)進(jìn)行定性檢測,所以,若用于電壓控制型功率器件,只能對負(fù)載短路和嚴(yán)重過流故障有理想的保護(hù)效果。
五、并聯(lián)式檢測工作壓降法
由于功率半導(dǎo)體器件本身導(dǎo)通電阻的存在,任何情況的過載過流都會引起其飽和壓降或工作壓降的增大,即不管半導(dǎo)體器件的工作狀態(tài)如何,通過其任何大小的電流時器件本身都會有一個對應(yīng)的工作電壓降值;監(jiān)視和監(jiān)測功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通時的電壓降,根據(jù)其電壓降的大小即可判斷過流過載的情況和程度。
該方法的工作原理和連接方法與并聯(lián)式功率器件工作狀態(tài)電壓檢測法相同,所以也具有并聯(lián)式檢測功率半導(dǎo)體器件工作狀態(tài)電壓法的所有優(yōu)點;區(qū)別是該方法對被保護(hù)器件的工作電壓進(jìn)行定量檢測,因而對工作狀態(tài)的測量和故障的判斷更準(zhǔn)確。該方法可以對功率半導(dǎo)體器件的激勵不足、過流過載、負(fù)載短路故障進(jìn)行檢測并實施保護(hù),效果非常理想。