開關(guān)電源過流、短路保護(hù)原理
過流漏電似乎是一個(gè)原理。 通過在輸出端串接一個(gè)測(cè)量電阻，將需要保護(hù)的電壓值轉(zhuǎn)換成電流值，并將該電流值送到集電極，與參考電流比較，即可得到信號(hào)，用于控制保護(hù)是否啟動(dòng)。 過流可以保護(hù)，漏電好像是過流的極限狀態(tài)，但此時(shí)因?yàn)槁╇?，輸出電流沒有了。 此時(shí)可以用中間限流電阻值來(lái)控制最大輸出功率，并實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。
常見電源保護(hù)電路分析
評(píng)價(jià)開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)以安全可靠為第一原則。 在電氣技術(shù)指標(biāo)滿足正常使用要求的情況下，為了使電源在惡劣環(huán)境和突發(fā)故障下安全可靠地工作，需要設(shè)計(jì)多種保護(hù)電路，如防浪涌軟啟動(dòng)等、防缺相、欠壓、過熱、過流、短路、缺相保護(hù)電路。 開關(guān)電源中常用的幾種保護(hù)電路如下：
1、防浪涌軟啟動(dòng)電路
開關(guān)電源的輸入電路大多采用電容檢測(cè)式檢測(cè)電路。 當(dāng)進(jìn)來(lái)的電源立即跳閘時(shí)，由于電容器上的初始電流為零，因此電容器充電時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生很大的浪涌電壓，特別是對(duì)于大功率開關(guān)電源。 較大的混頻電容使浪涌電壓超過100A。 接通電源時(shí)如此大的浪涌電壓往往會(huì)導(dǎo)致輸入繼電器燒斷或行程開關(guān)觸點(diǎn)燒壞，檢測(cè)橋會(huì)因過流而損壞； 輕的也會(huì)導(dǎo)致空氣開關(guān)無(wú)法關(guān)閉。 上述現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源無(wú)法正常工作，因此幾乎所有的開關(guān)電源都配備了軟啟動(dòng)電路，以避免浪涌電壓，以保證電源的正?？煽抗ぷ?。
圖1是由二極管V和限流內(nèi)阻R1組成的防浪涌電壓電路。 電源接通后，輸入電流立即通過檢測(cè)橋（D1~D4）和限流內(nèi)阻R1對(duì)電容C充電，以限制浪涌電壓。 當(dāng)電容器C充電至額定電流的80%左右時(shí)，逆變器正常工作。 通過主變壓器的輔助定子形成二極管的觸發(fā)信號(hào)，使二極管導(dǎo)通，限流內(nèi)阻R1漏泄，開關(guān)電源處于正常工作狀態(tài)。
圖1采用二極管和限流內(nèi)阻組成的軟啟動(dòng)電路
圖2是由保險(xiǎn)絲K1和限流內(nèi)電阻R1組成的防浪涌電壓電路。 上電后立即檢測(cè)輸入電流（D1~D4），限流內(nèi)阻R1對(duì)混頻電容C1充電，避免上電后立即產(chǎn)生浪涌電壓。 同時(shí)，輔助電源Vcc通過內(nèi)阻R2對(duì)保險(xiǎn)絲K1線組的電容C2進(jìn)行充電。 當(dāng)C2上的電流達(dá)到熔斷器K1的工作電流時(shí)，K1動(dòng)作，其觸點(diǎn)K1.1閉合并旁路限流內(nèi)阻R1，電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 限流延時(shí)時(shí)間取決于時(shí)間常數(shù)（R2C2），一般選0.3～0.5s。 為了提高延時(shí)時(shí)間的準(zhǔn)確度，避免保險(xiǎn)絲動(dòng)作時(shí)的振動(dòng)，延時(shí)電路可以采用圖3所示的電路來(lái)代替RC延時(shí)電路。
圖2是由保險(xiǎn)絲K1和限流內(nèi)阻組成的軟啟動(dòng)電路
圖3 延遲電路代替RC
2、過壓、欠壓、過熱保護(hù)電路
進(jìn)線電源缺相、欠壓對(duì)開關(guān)電源造成的危害主要表現(xiàn)為電流、電壓偏轉(zhuǎn)超過正常使用范圍而導(dǎo)致元器件損壞，同時(shí)，電氣性能指標(biāo)被破壞，不能滿足要求。 因此必須限制輸入電源的上下限，因此采用缺相和欠壓保護(hù)來(lái)提高電源的可靠性和安全性。
室溫是影響供電設(shè)備可靠性的最重要因素。 據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析，溫度每下降2℃，電子元件的可靠性就提高10%，而溫度升高50℃時(shí)的工作壽命僅為溫度升高時(shí)的1/6。 25°C。 在開關(guān)電源中還需要設(shè)置過熱保護(hù)電路。
圖4 缺相、欠壓、過熱保護(hù)電路
圖4是僅由一個(gè)4比較器LM339和幾個(gè)分立元件組成的缺相、欠壓和過熱保護(hù)電路。 采樣電流經(jīng)檢測(cè)檢測(cè)后可直接從輔助控制電源獲取。 它反映了輸入電源電流的變化。 比較器共享參考電流。 N1.1為欠壓比較器，N1.2為缺相比較器。 調(diào)節(jié)R1可以調(diào)節(jié)過壓、欠壓動(dòng)作閾值。 N1.3為過熱比較器，RT為負(fù)空氣溫度系數(shù)的熱內(nèi)阻，它與R7組成分壓器電流過大會(huì)短路嗎，緊貼功率開關(guān)元件IGBT表面，當(dāng)溫度下降時(shí)，RT阻值上升，適當(dāng)選擇R7電阻使N1.3在設(shè)定的溫度閾值下動(dòng)作。 N1.4用于因外部故障而緊急停機(jī)。 當(dāng)正端輸入低電平時(shí)，比較器輸出低電平，阻斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 由于四個(gè)比較器的輸出端并聯(lián)，無(wú)論出現(xiàn)缺相、欠壓、過熱等故障，比較器都會(huì)輸出低電平，并封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，停止驅(qū)動(dòng)。電源實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 如果電路稍加改變，比較器也可以輸出高電平來(lái)阻斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
3、缺相保護(hù)電路
由于電網(wǎng)本身或電源輸入接線不可靠的原因，開關(guān)電源有時(shí)會(huì)出現(xiàn)過壓運(yùn)行，且缺相運(yùn)行不易被及時(shí)檢測(cè)到。 當(dāng)電源處于相線運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)橋的一臂無(wú)電壓，而另一臂會(huì)因嚴(yán)重過流而損壞，同時(shí)逆變器也會(huì)工作異常，因此相線必須受到保護(hù)。 檢查電網(wǎng)相線一般采用電壓互感器或電子相線測(cè)量電路。 由于電壓互感器的檢查成本昂貴且體積龐大，因此開關(guān)電源中通常使用電子過壓保護(hù)電路。 圖5是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子過壓保護(hù)電路。 單相平衡時(shí)，R1～R3的節(jié)點(diǎn)H電位很低，晶閘管的輸出近似為零電平。 當(dāng)發(fā)生過壓時(shí)，H點(diǎn)電位上升，晶閘管輸出高電平，經(jīng)比較器比較，輸出低電平，阻斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 比較器的基極可調(diào)，方便調(diào)整過壓動(dòng)作閾值。 該過壓保護(hù)適用于單相四線制，不適用于單相三線制。 電路稍作改動(dòng)，也可以用高電平封鎖PWM信號(hào)。
圖5 單相四線制過壓保護(hù)電路
圖6是單相三線電源的過壓保護(hù)電路。 若A、B、C任意相缺相，則晶閘管的輸出電平高于比較器反相輸入端的參考電流，比較器的輸出電平為低電平。 ，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉電源。 稍微改變比較器的輸入極性，也可以通過高電平來(lái)封鎖PWM信號(hào)。 這些過壓保護(hù)電路采用晶閘管隔離微弱電流，安全可靠。 RP1和RP2用于調(diào)節(jié)過壓保護(hù)動(dòng)作閾值。
圖6 單相三線制過壓保護(hù)電路
4. 短路保護(hù)
開關(guān)電源與其他電子設(shè)備一樣，漏電是最嚴(yán)重的故障，而漏電保護(hù)的可靠性是影響開關(guān)電源可靠性的重要因素。 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率和雙極型晶體管電流低、電流容量大、管電壓升高的特點(diǎn)。 是目前最常用的中大功率開關(guān)電源。 電力電子開關(guān)元件。 IGBT能承受的漏電時(shí)間取決于其飽和壓降和漏電電壓，通常只有幾μs到幾十μs。 過大的漏電壓不僅縮短了漏電耐受時(shí)間，而且使關(guān)斷時(shí)的電壓上升率di/dt過大。 由于漏感和引線電感的存在，會(huì)引起IGBT柵極過流，并且過流可能發(fā)生在元件內(nèi)部。 形成鎖存效應(yīng)使IGBT鎖定無(wú)效，高過流會(huì)導(dǎo)致IGBT擊穿。 因此，當(dāng)出現(xiàn)漏電、過流等情況時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。 為了實(shí)現(xiàn)IGBT的漏電保護(hù)，必須進(jìn)行過流檢查。 檢查IGBT過流的方法一般是利用霍爾電壓傳感器直接測(cè)量IGBT的電壓Ic，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，利用比較器的輸出來(lái)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷; 或者采用間接電流法，測(cè)量過流時(shí)IGBT的壓降Vce，由于管壓降富含漏電壓信息，過流時(shí)Vce下降，且基本呈線性關(guān)系，查看過流時(shí)Vce并進(jìn)行比較通過比較器設(shè)定的閾值，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。 當(dāng)漏電壓出現(xiàn)時(shí)，為了防止截止電壓di/dt過大產(chǎn)生過流，導(dǎo)致IGBT鎖定失效而被破壞，增加電磁干擾，采用軟保護(hù)技術(shù)一般采用降低柵極電壓和軟關(guān)斷。 測(cè)量到過流信號(hào)后，首先進(jìn)入柵極下拉保護(hù)程序，降低故障電壓幅度，延長(zhǎng)IGBT的漏電耐受時(shí)間。 電網(wǎng)跌落動(dòng)作后，設(shè)定固定的延時(shí)時(shí)間來(lái)判斷故障電壓的真實(shí)性。 如果故障在延時(shí)時(shí)間內(nèi)消失，則手動(dòng)恢復(fù)電網(wǎng)電壓。 如果故障仍然存在，將執(zhí)行軟關(guān)斷程序，使柵極電壓降至0V以下，關(guān)閉IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 由于在柵極壓降編程階段基極電壓已經(jīng)降低，因此在軟關(guān)斷期間不會(huì)出現(xiàn)過大的漏電壓上升率和較低的過電流。 采用軟柵極降壓和軟電樞關(guān)斷保護(hù)，可以限制故障電壓的幅值和增長(zhǎng)速度，過電流增大，保證IGBT的電壓和電壓運(yùn)行軌跡處于安全區(qū)域。
在設(shè)計(jì)柵極壓降保護(hù)電路時(shí)，需要正確選擇柵極壓降的幅度和速率。 如果柵極電壓降低的幅度較大(例如7.5V)，則柵極電壓降低的速度不宜太快。 通?？梢圆捎蒙L(zhǎng)時(shí)間為2μs的軟柵極降壓。 ，因?yàn)闁艠O電壓降低的幅度很大，基極電壓已經(jīng)很小，可以更快地阻斷故障狀態(tài)下的載流子，所以為什么要采用軟關(guān)斷； 如果柵極電壓降低的幅度較?。ɡ?V以下），則柵極降低的速度可以快一些，而阻斷柵極電壓的速度必須慢一些，即采用軟關(guān)斷來(lái)防止過流。 為了使電源在漏電故障狀態(tài)下不中斷工作，并避免在原工作頻率下連續(xù)漏電保護(hù)造成熱量積累而造成IGBT損壞，采用柵極降壓保護(hù)可以省去發(fā)生漏電保護(hù)時(shí)立即封鎖電路，并提高工作頻率（例如1Hz左右），產(chǎn)生間歇性“打嗝”保護(hù)方式，待故障清除后恢復(fù)正常工作。
下面介紹幾種IGBT漏電保護(hù)實(shí)用電路及工作原理。
圖7是基于IGBT過流時(shí)Vce下降原理的保護(hù)電路，用于專用驅(qū)動(dòng)器。 內(nèi)部電路可以很好地完成柵壓降和軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延時(shí)功能，消除干擾引起的誤動(dòng)作。 富含IGBT過流信息的Vce并不是直接送到基極電流監(jiān)測(cè)引腳6，而是通過快恢復(fù)晶閘管VD1通過比較器IC1的輸出連接到引腳6。 電壓不同，采用閾值比較器來(lái)提高電壓測(cè)量的精度。 如果發(fā)生過流，驅(qū)動(dòng)器的低速截止電路會(huì)緩慢關(guān)斷 IGBT，以防止基極電壓尖峰損壞 IGBT 組件。
圖7 利用IGBT過流時(shí)降低Vce的原理進(jìn)行保護(hù)
圖8是通過電壓檢測(cè)進(jìn)行過流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路。 電壓傳感（SC）的中級(jí)（1匝）與IGBT的柵極電路串聯(lián)，次級(jí)感應(yīng)出的過流信號(hào)經(jīng)檢測(cè)后送至比較。 IC1的同相輸入端與反相端的參考電流進(jìn)行比較。 IC1的輸出送至正反饋比較器IC2電流過大會(huì)短路嗎，其輸出連接至PWM控制器的輸出控制引腳10。 但當(dāng)有電流流過時(shí)，VA<Vref，VB=0.2V，VC<Vref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。
(a) 電路原理圖
(b) PWM控制電路輸出驅(qū)動(dòng)波形圖
圖 8 通過電壓檢測(cè)進(jìn)行過流檢查的 IGBT 保護(hù)電路
當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，電壓傳感檢測(cè)的檢測(cè)電流下降，VA>Vref，VB為高電平，C3充電使VC>Vref，IC2輸出高電平（小于1.4V），PWM控制電路已關(guān)閉。 由于沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT截止，電源停止工作，電壓傳感器無(wú)電壓流過，使VA<Vref，VB=0.2V，C3通過R1放電，當(dāng)C3放電到使VC<Vref，IC2再次輸出低電平，電源重新進(jìn)入工作狀態(tài)。 如果過流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又回到原來(lái)的限流保護(hù)工作狀態(tài)，周而復(fù)始，使PWM控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形處于區(qū)間輸出狀態(tài)，如圖8（b）所示。 ）顯示波形。 電位器RP1調(diào)節(jié)比較器過流動(dòng)作閾值。 電容器C3通過D5快速充電并通過R1緩慢放電。 只要合理選擇R1和C3的參數(shù)，在t2>>t1時(shí)間內(nèi)關(guān)閉PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以保證電源進(jìn)入休眠狀態(tài)。 正反饋內(nèi)阻R7保證IC2只有高低電平兩種狀態(tài)，D5、R1、C3的充放電電路保證IC2的輸出不會(huì)在高低電平之間頻繁變化，即，IGBT不會(huì)頻繁地開通和關(guān)斷。 破壞。
圖8 通過電壓傳感進(jìn)行過流測(cè)量的IGBT保護(hù)電路 圖9是用于IGBT（V1）過流柵極電流測(cè)量和電壓傳感檢查的綜合保護(hù)電路，該電路的工作原理是：負(fù)載漏電（或IGBT由于其他原因）過流故障），V1的Vce下降，V3的柵極驅(qū)動(dòng)電壓經(jīng)過R2、R3分壓使V3導(dǎo)通，IGBT載流電流經(jīng)VD3限制降糖，限制IGBT峰值電壓范圍，同時(shí)通過R5C3延遲V2的導(dǎo)通并發(fā)出軟關(guān)斷信號(hào)。 另一方面，當(dāng)漏電發(fā)生時(shí)，通過電壓傳感器檢測(cè)漏電電壓，比較器IC1輸出高電平，使V3導(dǎo)通，降低柵極電壓，使V2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。
圖9 集成過流保護(hù)電路
圖10是漏電保護(hù)電路，應(yīng)用測(cè)量IGBT柵極電流的過流保護(hù)原理，采用軟柵極降壓、軟關(guān)斷和提高工作頻率等保護(hù)技術(shù)。
圖10
正常工作狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，晶閘管IC4不導(dǎo)通，V1、V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電流。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，晶閘管IC4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，輸出正向驅(qū)動(dòng)電流，功率開關(guān)管V4工作在正常開關(guān)狀態(tài)。 當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，IGBT的柵極電流減小，由于Vce降低，比較器IC1輸出高電平，V5導(dǎo)通，IGBT實(shí)現(xiàn)軟柵壓降。 柵極壓降的大小由穩(wěn)壓管VD2決定。 按下時(shí)間為2μs，由R6C1產(chǎn)生。 同時(shí)，IC1輸出的高電平通過R7對(duì)C2充電。 當(dāng)C2上的電流達(dá)到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電流時(shí)，V6導(dǎo)通，R9C3產(chǎn)生約3μs的軟關(guān)斷柵極電壓。 從電網(wǎng)電壓下降到軟關(guān)斷電網(wǎng)電壓的延遲時(shí)間由時(shí)間常數(shù)R7C2決定，一般選取5-15μs。 當(dāng)V5導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)C4R10電路的柵極電壓使V7導(dǎo)通約20μs。 柵極壓降保護(hù)后，輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖一段時(shí)間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號(hào)，防止故障狀態(tài)的發(fā)生。 硬關(guān)斷過流使驅(qū)動(dòng)電路能夠在發(fā)生故障時(shí)執(zhí)行柵極電壓降低和軟關(guān)斷保護(hù)的完整過程。
當(dāng)V7導(dǎo)通時(shí)，晶閘管IC5導(dǎo)通，時(shí)基電路IC2的觸發(fā)腳2得到負(fù)觸發(fā)信號(hào)，555輸出腳3輸出高電平，V9導(dǎo)通，IC3截止，阻塞時(shí)間由定時(shí)器器件R15C5決定（約1.2s），使工作頻率降低到1Hz以下，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，從而阻止其繼續(xù)工作漏電故障發(fā)生后，在原來(lái)的頻率下，持續(xù)漏電保護(hù)引起的熱量積累導(dǎo)致IGBT損壞。 只要故障消失，電路即可恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
雖然開關(guān)電源的保護(hù)功能是電源裝置電氣性能所要求的附加功能，但保護(hù)電路是否按照預(yù)定的設(shè)置建立并工作，對(duì)于電源裝置的安全可靠來(lái)說(shuō)是非常重要的。在惡劣的環(huán)境和意外車禍的情況下。 初次檢查技術(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)多種多樣，但針對(duì)具體的電源裝置，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)故障情況下的保護(hù)。 本文所述的保護(hù)電路可以靈活組合，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)并增加成本。