高頻開關(guān)直流電源的保護(hù)技術(shù)

圖4 簡單的輸出過電壓保護(hù)

圖5 輸出過電壓保護(hù)

輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導(dǎo)通，晶閘管就導(dǎo)通。本電路的動(dòng)作電壓可變，并且動(dòng)作點(diǎn)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)穩(wěn)壓管為7V時(shí)，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結(jié)(BE)電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對(duì)于輸出為(5～5.5)V的直流開關(guān)穩(wěn)壓器來說，其常用的動(dòng)作電壓是(5.5～6)V。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管溫度變化系數(shù)是(-20～-30)mV/℃。因此，溫度變化大的場合保護(hù)電路還會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法。利用比較器輸出狀態(tài)的改變跟相應(yīng)的邏輯電路配合，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。

6 欠電壓保護(hù)

輸出電壓低于規(guī)定值時(shí)，反映了輸入直流電源、開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或者輸出負(fù)載發(fā)生異常。輸入直流電源電壓下降到規(guī)定值之下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓跌落，輸入電流增大，既危及開關(guān)三極管，也危及輸入電源。因此，要設(shè)欠電壓保護(hù)。簡單的欠電壓保護(hù)如圖6所示。

當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時(shí)，穩(wěn)壓管ZD擊穿，晶體管V導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，觸點(diǎn)吸合，開關(guān)穩(wěn)壓器加電。當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管ZD不通，V截止，觸點(diǎn)跳開，開關(guān)穩(wěn)壓器不能工作。開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部由于控制電路失常或者開關(guān)三極管失效，會(huì)使輸出電壓下降，負(fù)載發(fā)生短路也會(huì)使輸出電壓下降。特別在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn)壓器中，欠電壓的保護(hù)是跟過電流保護(hù)緊密相關(guān)的，因而更加重要。實(shí)現(xiàn)方法是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器，如圖7所示。

圖6 輸入欠電壓保護(hù)

圖7 欠壓保護(hù)方框圖

正常時(shí)，比較器沒有輸出，一旦電壓跌落在允許值之下比較器就翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)告警電路。同時(shí)，反饋到開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，使開關(guān)三極管截止或切斷輸入電源。

7 過熱保護(hù)

開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。否則，會(huì)使電路性能變壞，元器件過早失效。因此，在大功率開關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)。

采用溫度繼電器檢測電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時(shí)，溫度繼電器動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的過熱保護(hù)。亦可將溫度繼電器置于開關(guān)三極管的附近，一般大功率管允許的最高管殼溫度是75℃，調(diào)節(jié)溫度整定值為60℃。當(dāng)管殼溫度超過允許值后繼電器就切斷電路，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。半導(dǎo)體熱敏開關(guān)器件“熱晶閘管”，在超溫保護(hù)方面有重要作用，它可以用作溫度指示電路。根據(jù)p型控制柵熱晶閘管的特性，由Rt〔見圖8(a)〕值確定該器件的導(dǎo)通溫度，Rt越大，導(dǎo)通溫度越低。當(dāng)將其放置在功率開關(guān)三極管附近或在電源裝置內(nèi)時(shí)，它能起到溫度指示作用。當(dāng)功率管的管殼溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過允許值時(shí)，熱晶閘管導(dǎo)通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機(jī)告警電路動(dòng)作，保護(hù)開關(guān)穩(wěn)壓器。它亦可以像圖8(b)那樣用作功率晶體管的過熱保護(hù)，晶體開關(guān)管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)管截止，切斷集電極電流，防止過熱。

(a) (b)

圖8 過熱保護(hù)： (a) 采用P型熱晶閘管 ;(b) 采用N型熱晶閘管

8 結(jié)束語

對(duì)一個(gè)給定的開關(guān)穩(wěn)壓電源來說，還應(yīng)從整機(jī)保護(hù)方面考慮以下幾點(diǎn)要求。

(1) 把開關(guān)穩(wěn)壓器中所應(yīng)用的開關(guān)三極管限制在直流安全工作區(qū)域之內(nèi)工作。

(2) 把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術(shù)指標(biāo)之內(nèi)。

(3) 由以上兩點(diǎn)確定了保護(hù)方式之后，再根據(jù)電源裝置的需要來確定告警措施，一般告警措施有聲警和光警兩種。

(4) 電源中加設(shè)了保護(hù)電路之后會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，為此，要求保護(hù)電路本身的可靠性要高，以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高電源本身的MTBF。

(5) 必須全面系統(tǒng)地考慮開關(guān)電源各種保護(hù)措施，確保開關(guān)電源的正常工作和高效率與高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李愛文，現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用[M]，北京:科學(xué)出版社，2000

[2] 何希才，新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]，北京:科學(xué)出版社，2001

作者簡介

劉峰(1974—)男，工程師，東北電力大學(xué)畢業(yè)，研究方向?yàn)樽冸娬?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/直流電源">直流電源系統(tǒng)的集成。■

更多好文：21ic電源