開關電源保護電路

摘要：為使開關電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障狀況下安全可靠，提出了幾種實用的保護電路，并對電路的工作原理進行了詳盡分析。

關鍵詞：開關電源；保護電路；可靠性

1 引言

評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術指標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，必須設計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。

2 開關電源常用的幾種保護電路

2.1 防浪涌軟啟動電路

開關電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會形成很大的浪涌電流，特別是大功率開關電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會導致輸入熔斷器燒斷或合閘開關的觸點燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會使空氣開關合不上閘。上述現(xiàn)象均會造成開關電源無法正常工作，為此幾乎所有的開關電源都設置了防止流涌電流的軟啟動電路，以保證電源正常而可靠運行。

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對電容器C充電，限制浪涌電流。當電容器C充電到約80％額定電壓時，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，使晶閘管導通并短路限流電阻R₁，開關電源處于正常運行狀態(tài)。

圖1 采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟動電路

圖2是采用繼電器K₁和限流電阻R₁構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對濾波電容器C₁充電，防止接通瞬間的浪涌電流，同時輔助電源V_cc經(jīng)電阻R₂對并接于繼電器K₁線包的電容器C₂充電，當C₂上的電壓達到繼電器K₁的動作電壓時，K₁動作，其觸點K_1.1閉合而旁路限流電阻R₁，電源進入正常運行狀態(tài)。限流的延遲時間取決于時間常數(shù)（R₂C₂），通常選取為0.3～0.5s。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，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和限流電阻構成的軟啟動電路

圖3 替代RC的延遲電路

2.2 過壓、欠壓及過熱保護電路

進線電源過壓及欠壓對開關電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流應力超出正常使用的范圍而損壞，同時因電氣性能指標被破壞而不能滿足要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過壓、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性。

溫度是影響電源設備可靠性的最重要因素。根據(jù)有關資料分析表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％，溫升50℃時的工作壽命只有溫升25℃時的1/6，為了避免功率器件過熱造成損壞，在開關電源中亦需要設置過熱保護電路。

圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元器件構成的過壓、欠壓、過熱保護電路。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，比較器共用一個基準電壓，N_1.1為欠壓比較器，N_1.2為過壓比較器，調(diào)整R₁可以調(diào)節(jié)過、欠壓的動作閾值。N_1.3為過熱比較器，R_T為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與R₇構成分壓器，緊貼于功率開關器件IGBT的表面，溫度升高時，R_T阻值下降，適當選取R₇的阻值，使N_1.3在設定的溫度閾值動作。N_1.4用于外部故障應急關機，當其正向端輸入低電平時，比較器輸出低電平封鎖PWM驅動信號。由于4個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，封鎖驅動信號使電源停止工作，實現(xiàn)保護。如將電路稍加變動，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅動信號。

圖4 過壓、欠壓、過熱保護電路

2.3 缺相保護電路

由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠，開關電源有時會出現(xiàn)缺相運行的情況，且掉相運行不易被及時發(fā)現(xiàn)。當電源處于缺相運行時，整流橋某一臂無電流，而其它臂會嚴重過流造成損壞，同時使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此必須對缺相進行保護。檢測電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測電路。由于電流互感器檢測成本高、體積大，故開關電源中一般采用電子缺相保護電路。圖5是一個簡單的電子缺相保護電路。三相平衡時，R₁～R₃結點H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當缺相時，H點電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進行比較，輸出低電平，封鎖驅動信號。比較器的基準可調(diào)，以便調(diào)節(jié)缺相動作閾值。該缺相保護適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。

圖5 三相四線制的缺相保護電路

圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護電路，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電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅動信號，關閉電源。比較器輸入極性稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。這種缺相保護電路采用光耦隔離強電，安全可靠，R_P1、R_P2用于調(diào)節(jié)缺相保護動作閾值。

圖6 三相三線制的缺相保護電路

2.4 短路保護

開關電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠，是影響開關電源可靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應晶體管輸入阻抗高、驅動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，是目前中、大功率開關電源最普遍使用的電力電子開關器件。IGBT能夠承受的短路時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間縮短，而且使關斷時電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在，導致IGBT集電極過電壓，該過電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。

為了實現(xiàn)IGBT的短路保護，則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流I_c，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅動信號的關斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降V_ce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時V_ce增大，且基本上為線性關系，檢測過流時的V_ce并與設定的閾值進行比較，比較器的輸出控制驅動電路的關斷。

在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關斷電流的di/dt過大形成過電壓，導致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斷綜合保護技術。在檢測到過流信號后首先是進入降柵保護程序，以降低故障電流的幅值，延長IGBT的短路承受時間。在降柵動作后，設定一個固定延遲時間用以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消失則柵壓自動恢復，如故障仍然存在則進行軟關斷程序，使柵壓降至0V以下，關斷IGBT的驅動信號。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關斷時不會出現(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斷柵極驅動保護，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、電壓運行軌跡能保證在安全區(qū)內(nèi)。

在設計降柵壓保護電路時，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，不必采用軟關斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V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)進行短路保護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除后即恢復正常工作。

下面介紹幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。

圖7是利用IGBT過流時V_ce增大的原理進行保護的電路，用于專用驅動器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動作。含有IGBT過流信息的V_ce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復二極管V_D1，通過比較器IC₁輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除V_D1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過流，驅動器EXB841的低速切斷電路慢速關斷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V_ce增大的原理進行保護

圖8是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC₁的同相輸入端，與反相端的基準電壓進行比較，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，V_AV_ref，V_B=0.2V，V_CV_ref，IC₂輸出低電平，PWM控制器正常工作。當出現(xiàn)過流時，電流傳感器檢測的整流電壓升高，V_A>V_ref，V_B為高電平，C₃充電使V_C>V_ref，IC₂輸出高電平（大于1.4V），關閉PWM控制電路。因無驅動信號，IGBT關閉，而電源停止工作，電流傳感器無電流流過，使V_AV_ref，V_B=0.2V，C₃經(jīng)R₁放電，當C₃放電到使V_CV_ref時，IC₂又輸出低電平，電源重新進入工作狀態(tài)，如果過流繼續(xù)存在，保護電路又回復到原來的限流保護工作狀態(tài)，反復循環(huán)使PWM控制電路的輸出驅動波形處于間隔輸出狀態(tài)，如圖8(b)所示波形。電位器R_P1調(diào)整比較器過流動作閾值。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驅動信號關閉時間t₂>>t₁，可保證電源進入睡眠狀態(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、關斷而損壞。

(a) 電路原理圖

(b) PWM控制電路的輸出驅動波形圖

圖8 利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路

圖9是利用IGBT（V₁）過流集電極電壓檢測和電流傳感器檢測的綜合保護電路，電路工作原理是：負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，V₁的V_ce增大，V₃門極驅動電流經(jīng)R₂，R₃分壓器使V₃導通，IGBT柵極電壓由V_D3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時經(jīng)R₅C₃延遲使V₂導通，送去軟關斷信號。另一方面，在短路時經(jīng)電流傳感器檢測短路電流，經(jīng)比較器IC₁輸出的高電平使V₃導通進行降柵壓，V₂導通進行軟關斷。

圖9 綜合過流保護電路

圖10是應用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理，采用軟降柵壓、軟關斷及降低工作頻率保護技術的短路保護電路。

圖10

正常工作狀態(tài)，驅動輸入信號為低電平時，光耦IC₄不導通，V₁，V₃導通，輸出負驅動電壓。驅動輸入信號為高電平時，光耦IC₄導通，V₁截止而V₂導通，輸出正驅動電壓，功率開關管V₄工作在正常開關狀態(tài)。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓增大，由于V_ce增大，比較器IC₁輸出高電平，V₅導通，IGBT實現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD₂決定，軟降柵壓時間由R₆C₁形成2μs。同時IC₁輸出的高電平經(jīng)R₇對C₂進行充電，當C₂上電壓達到穩(wěn)壓管VD₄的擊穿電壓時，V₆導通并由R₉C₃形成約3μs的軟關斷柵壓，軟降柵壓至軟關斷柵壓的延遲時間由時間常數(shù)R₇C₂決定，通常選取在5～15μs。

V₅導通時，V₇經(jīng)C₄R₁₀電路流過基極電流而導通約20μs，在降柵壓保護后將輸入驅動信號閉鎖一段時間，不再響應輸入端的關斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關斷過電壓，使驅動電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個完整的降柵壓和軟關斷保護過程。

V₇導通時，光耦IC₅導通，時基電路IC₂的觸發(fā)腳2獲得負觸發(fā)信號，555輸出腳3輸出高電平，V₉導通，IC₃被封鎖，封鎖時間由定時元件R₁₅C₅決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅動器的輸出信號將工作在所謂的“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)進行短路保護導致熱積累而造成IGBT損壞。只要故障消失，電路又能恢復到正常工作狀態(tài)。

3 結語

開關電源保護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，保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。驗收技術指標時，應對保護功能進行驗證。

開關電源的保護方案和電路結構具有多樣性，但對具體電源裝置而言，應選擇合理的保護方案和電路結構，以使得在故障條件下真正有效地實現(xiàn)保護。

文中所述的保護電路可以靈活組合使用，以簡化電路結構和降低成本。