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开关电源保护原理解说


摘要:为使开关电源在恶劣环境及突发故障状况下安全可靠,提出了几种 实用的保护电路,并对电路的工作原理进行了详尽分析。 关键词:开关电源;保护电路;可靠性 1引言 评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技 术指标满足正常使用要求的条件下,为使电源在恶劣环境及突发故障情况 下安全可靠地工作,必须设计多种保护电路,比如防浪涌的软启动,防过 压、欠压、过热、过流、

短路、缺相等保护电路。 2开关电源常用的几种保护电路 2. 1 防 浪 涌 软 启 动 电 路 开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路,在进线电源合闸瞬 间,由于电容器上的初始电压为零,电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电 流,特别是大功率开关电源,采用容量较大的滤波电容器,使浪涌电流达 100 A 以 上 。 在 电 源 接 通 瞬 间 如 此 大 的 浪 涌 电 流 , 重 者 往 往 会 导 致 输 入 熔 断 器烧断或合闸开关的触点烧坏,整流桥过流损坏;轻者也会使空气开关合 不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作,为此几乎所有的开关 电源都设置了防止流涌电流的软启动电路,以保证电源正常而可靠运行。 图 1 是 采 用 晶 闸 管 V 和 限 流 电 阻 R1 组 成 的 防 浪 涌 电 流 电 路 。 在 电 源 接 通 瞬 间 , 输 入 电 压 经 整 流 桥 ( D1~ D4) 和 限 流 电 阻 R1 对 电 容 器 C 充 电 , 限 制 浪 涌 电 流 。 当 电 容 器 C 充 电 到 约 80% 额 定 电 压 时 , 逆 变 器 正 常 工 作 。 经 主 变 压 器 辅 助 绕 组 产 生 晶 闸 管 的 触 发 信 号 , 使 晶 闸 管 导 通 并 短 路 限 流 电 阻 R1, 开关电源处于正常运行状态。

图 2 是 采 用 继 电 器 K1 和 限 流 电 阻 R1 构 成 的 防 浪 涌 电 流 电 路 。 电 源 接 通 瞬 间 , 输 入 电 压 经 整 流 ( D1~ D4) 和 限 流 电 阻 R1 对 滤 波 电 容 器 C1 充 电 , 防 止 接 通 瞬 间 的 浪 涌 电 流 , 同 时 辅 助 电 源 Vcc 经 电 阻 R2 对 并 接 于 继 电 器 K1 线 包 的 电 容 器 C2 充 电 , 当 C2 上 的 电 压 达 到 继 电 器 K1 的 动 作 电 压 时 , K1 动 作 , 其 触 点 K1.1 闭 合 而 旁 路 限 流 电 阻 R1, 电 源 进 入 正 常 运 行 状 态 。 限 流 的 延 迟 时 间 取 决 于 时 间 常 数 ( R2C2) , 通 常 选取 为 0.3~ 0.5 s。 为 了 提 高 延 迟 时 间 的准确性及防止继电器动作抖动振荡,延迟电路可采用图3所示电路替代 RC 延 迟 电 路 。

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2. 2 过 压 、 欠 压 及 过 热 保 护 电 路 进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害,主要表现在器件因承受的电 压及电流应力超出正常使用的范围而损坏,同时因电气性能指标被破坏而 不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制,为此采用过 压、欠压保护以提高电源的可靠性和安全性。 温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明,电子 元 器 件 温 度 每 升 高 2 ℃ , 可 靠 性 下 降 10% , 温 升 50 ℃ 时 的 工 作 寿 命 只 有 温 升 25 ℃ 时 的 1/6, 为 了 避 免 功 率 器 件 过 热 造 成 损 坏 , 在 开 关 电 源 中 亦 需 要 设 置过热保护电路。 图 4 是 仅 用 一 个 4 比 较 器 LM339 及 几 个 分 立 元 器 件 构 成 的 过 压 、 欠 压 、 过 热 保护电路。取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得,它反映输 入 电 源 电 压 的 变 化 , 比 较 器 共 用 一 个 基 准 电 压 , N1.1 为 欠 压 比 较 器 , N1.2 为 过 压 比 较 器 , 调 整 R1 可 以 调 节 过 、 欠 压 的 动 作 阈 值 。 N1.3 为 过 热 比 较 器 , RT 为 负 温 度 系 数 的 热 敏 电 阻 , 它 与 R7 构 成 分 压 器 , 紧 贴 于 功 率 开 关 器 件 IGBT 的 表 面 , 温 度 升 高 时 , RT 阻 值 下 降 , 适 当 选 取 R7 的 阻 值 , 使 N1.3 在 设 定 的 温 度 阈 值 动 作 。 N1.4 用 于 外 部 故 障 应 急 关 机 , 当 其 正 向 端 输 入 低 电 平 时 , 比 较 器 输 出 低 电 平 封 锁 PWM 驱 动 信 号 。 由 于 4 个 比 较 器 的 输 出 端 是 并联的,无论是过压、欠压、过热任何一种故障发生,比较器输出低电 平,封锁驱动信号使电源停止工作,实现保护。如将电路稍加变动,亦可 使比较器输出高电平封锁驱动信号。

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2. 3 缺 相 保 护 电 路 由于电网自身原因或电源输入接线不可靠,开关电源有时会出现缺相运行 的情况,且掉相运行不易被及时发现。当电源处于缺相运行时,整流桥某 一臂无电流,而其它臂会严重过流造成损坏,同时使逆变器工作出现异 常,因此必须对缺相进行保护。检测电网缺相通常采用电流互感器或电子 缺相检测电路。由于电流互感器检测成本高、体积大,故开关电源中一般 采用电子缺相保护电路。图5是一个简单的电子缺相保护电路。三相平衡 时 , R1~ R3 结 点 H 电 位 很 低 , 光 耦 合 输 出 近 似 为 零 电 平 。 当 缺 相 时 , H 点 电位抬高,光耦输出高电平,经比较器进行比较,输出低电平,封锁驱动 信号。比较器的基准可调,以便调节缺相动作阈值。该缺相保护适用于三 相四线制,而不适用于三相三线制。电路稍加变动,亦可用高电平封锁 PWM 信 号 。

图 6 是 一 种 用 于 三 相 三 线 制 电 源 缺 相 保 护 电 路 , A、 B、 C 缺 任 何 一 相 , 光 耦 器输出电平低于比较器的反相输入端的基准电压,比较器输出低电平,封 锁 PWM 驱 动 信 号 , 关 闭 电 源 。 比 较 器 输 入 极 性 稍 加 变 动 , 亦 可 用 高 电 平 封 锁 PWM 信 号 。 这 种 缺 相 保 护 电 路 采 用 光 耦 隔 离 强 电 , 安 全 可 靠 , RP1、 RP2 用于调节缺相保护动作阈值。

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2. 4 短 路 保 护 开关电源同其它电子装置一样,短路是最严重的故障,短路保护是否可 靠 , 是 影 响 开 关 电 源 可 靠 性 的 重 要 因 素 。 IGBT( 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 ) 兼 有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量 大及管压降低的特点,是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子 开 关 器 件 。 IGBT 能 够 承 受 的 短 路 时 间 取 决 于 它 的 饱 和 压 降 和 短 路 电 流 的 大 小 , 一 般 仅 为 几 μ s 至 几 十 μ s。 短 路 电 流 过 大 不 仅 使 短 路 承 受 时 间 缩 短 , 而 且 使 关 断 时 电 流 下 降 率 di/dt 过 大 , 由 于 漏 感 及 引 线 电 感 的 存 在 , 导 致 IGBT 集 电 极 过 电 压 , 该 过 电 压 可 在 器 件 内 部 产 生 擎 住 效 应 使 IGBT 锁 定 失 效 , 同 时 高 的 过 电 压 会 使 IGBT 击 穿 。 因 此 , 当 出 现 短 路 过 流 时 , 必 须 采 取 有 效 的 保护措施。 为 了 实 现 IGBT 的 短 路 保 护 , 则 必 须 进 行 过 流 检 测 。 适 用 IGBT 过 流 检 测 的 方 法 , 通 常 是 采 用 霍 尔 电 流 传 感 器 直 接 检 测 IGBT 的 电 流 Ic, 然 后 与 设 定 的 阈 值比较,用比较器的输出去控制驱动信号的关断;或者采用间接电压法, 检 测 过 流 时 IGBT 的 电 压 降 Vce, 因 为 管 压 降 含 有 短 路 电 流 信 息 , 过 流 时 Vce 增 大 , 且 基 本 上 为 线 性 关 系 , 检 测 过 流 时 的 Vce 并 与 设 定 的 阈 值 进 行 比 较,比较器的输出控制驱动电路的关断。 在 短 路 电 流 出 现 时 , 为 了 避 免 关 断 电 流 的 di/dt 过 大 形 成 过 电 压 , 导 致 IGBT 锁定无效和损坏,以及为了降低电磁干扰,通常采用软降栅压和软关断综 合保护技术。在检测到过流信号后首先是进入降栅保护程序,以降低故障 电 流 的 幅 值 , 延 长 IGBT 的 短 路 承 受 时 间 。 在 降 栅 动 作 后 , 设 定 一 个 固 定 延 迟时间用以判断故障电流的真实性,如在延迟时间内故障消失则栅压自动 恢 复 , 如 故 障 仍 然 存 在 则 进 行 软 关 断 程 序 , 使 栅 压 降 至 0 V 以 下 , 关 断 IGBT 的驱动信号。由于在降栅压程序阶段集电极电流已减小,故软关断时不会 出现过大的短路电流下降率和过高的过电压。采用软降栅压及软关断栅极 驱 动 保 护 , 使 故 障 电 流 的 幅 值 和 下 降 率 都 能 受 到 限 制 , 过 电 压 降 低 , IGBT 的电流、电压运行轨迹能保证在安全区内。 在设计降栅压保护电路时,要正确选择降栅压幅度和速度,如果降栅压幅 度 大 ( 比 如 7. 5 V) , 降 栅 压 速 度 不 要 太 快 , 一 般 可 采 用 2μ s 下 降 时 间 的 软 降栅压,由于降栅压幅度大,集电极电流已经较小,在故障状态封锁栅极 可 快 些 , 不 必采 用 软关 断 ; 如 果 降栅 压 幅度 较 小 ( 比 如 5 V以 下) , 降 栅 速 度可快些,而封锁栅压的速度必须慢,即采用软关断,以避免过电压发

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生。 为 了 使 电 源 在 短 路 故 障 状 态 不 中 断 工作 , 又 能 避 免 在 原 工 作 频 率 下 连 续 进 行 短 路 保 护 产 生 热 积 累 而 造 成 IGBT 损 坏 , 采 用 降 栅 压 保 护 即 可 不 必 在 一 次 短 路 保 护 立 即 封 锁 电 路 , 而 使 工 作 频 率 降 低 ( 比 如 1 Hz 左 右 ) , 形 成 间 歇 “打嗝”的保护方法,故障消除后即恢复正常工作。 下 面 介 绍 几 种 IGBT 短 路 保 护 的 实 用 电 路 及 工 作 原 理 。 图 7 是 利 用 IGBT 过 流 时 Vce 增 大 的 原 理 进 行 保 护 的 电 路 , 用 于 专 用 驱 动 器 EXB841。 EXB841 内 部 电 路 能 很 好 地 完 成 降 栅 及 软 关 断 , 并 具 有 内 部 延 迟 功 能 , 以 消 除 干 扰 产 生 的 误 动 作 。 含 有 IGBT 过 流 信 息 的 Vce 不 直 接 送 至 EXB841 的 集 电 极 电 压 监 视 脚 6, 而 是 经 快 速 恢 复 二 极 管 VD1, 通 过 比 较 器 IC1 输 出 接 至 EXB841 的 脚 6, 其 目 的 是 为 了 消 除 VD1 正 向 压 降 随 电 流 不 同 而 异,采用阈值比较器,提高电流检测的准确性。如果发生过流,驱动器 EXB841 的 低 速 切 断 电 路 慢 速 关 断 IGBT, 以 避 免 集 电 极 电 流 尖 峰 脉 冲 损 坏 IGBT 器 件 。

图 8 是 利 用 电 流 传 感 器 进 行 过 流 检 测 的 IGBT 保 护 电 路 , 电 流 传 感 器 ( SC) 初 级 ( 1 匝 ) 串 接 在 IGBT 的 集 电 极 电 路 中 , 次 级 感 应 的 过 流 信 号 经 整 流 后 送 至 比 较 器 IC1 的 同 相 输 入 端 , 与 反 相 端 的 基 准 电 压 进 行 比 较 , IC1 的 输 出 送 至 具 有 正 反 馈 的 比 较 器 IC2, 其 输 出 接 至 PWM 控 制 器 UC3525 的 输 出 控 制 脚 10。 不 过 流 时 , VA< Vref, VB=0.2 V, VC< Vref, IC2 输 出 低 电 平 , PWM 控 制 器 正 常 工 作 。 当 出 现 过 流 时 , 电 流 传 感 器 检 测 的 整 流 电 压 升 高 , VA >Vref, VB 为 高 电 平 , C3 充 电 使 VC >Vref, IC2 输 出 高 电 平 ( 大 于 1? 4 V , 关 闭 ) PWM 控 制 电 路 。 因 无 驱 动 信 号 , IGBT 关 闭 , 而 电 源 停 止 工 作 , 电 流 传 感 器 无 电 流 流 过 , 使 VA< Vref, VB=0.2 V, C3 经 R1 放 电 , 当 C3 放 电 到 使 VC< Vref 时 , IC2 又 输 出 低 电 平 , 电 源 重 新 进 入 工 作 状 态 , 如 果 过 流 继 续 存 在 , 保 护 电 路 又 回 复 到 原 来 的 限 流 保 护 工 作 状 态 , 反 复 循 环 使 PWM 控 制 电 路 的 输 出 驱 动 波 形 处 于 间 隔 输 出 状 态 , 如 图 8(b)所 示 波 形 。 电 位 器 RP1 调 整 比 较 器 过 流 动 作 阈 值 。 电 容 器 C3 经 D5 快 速 充 电 , 经 R1 慢 速 放 电 , 只 要 合 理 地 选 择 R1, C3 的 参 数 , 使 PWM 驱 动 信 号 关 闭 时 间 t2? t1 可 保 证 电 源 进 入 睡 眠 状 , 态 。 正 反 馈 电 阻 R7 保 证 IC2 只 有 高 、 低 电 平 两 种 状 态 , D5, R1, C3 充 放 电 电 路 , 保 证 IC2 输 出 不 致 在 高 、 低 电 平 之 间 频 繁 变 化 , 即 IGBT 不 致 频 繁 开 通、关断而损坏。

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图 9 是 利 用 IGBT( V1) 过 流 集 电 极 电 压 检 测 和 电 流 传 感 器 检 测 的 综 合 保 护 电 路 , 电 路 工 作 原 理 是 : 负 载 短 路 ( 或 IGBT 因 其 它 故 障 过 流 ) 时 , V1 的 Vce 增 大 , V3 门 极 驱 动 电 流 经 R2, R3 分 压 器 使 V3 导 通 , IGBT 栅 极 电 压 由 VD3 所 限 制 而 降 压 , 限 制 IGBT 峰 值 电 流 幅 度 , 同 时 经 R5C3 延 迟 使 V2 导 通 , 送 去 软 关断信号。另一方面,在短路时经电流传感器检测短路电流,经比较器 IC1 输 出 的 高 电 平 使 V3 导 通 进 行 降 栅 压 , V2 导 通 进 行 软 关 断 。 图 10 是 应 用 检 测 IGBT 集 电 极 电 压 的 过 流 保 护 原 理 , 采 用 软 降 栅 压 、 软 关 断 及降低工作频率保护技术的短路保护电路。 正 常 工 作 状 态 , 驱 动 输 入 信 号 为 低 电 平 时 , 光 耦 IC4 不 导 通 , V1, V3 导 通 , 输 出 负 驱 动 电 压 。 驱 动 输 入 信 号 为 高 电 平 时 , 光 耦 IC4 导 通 , V1 截 止 而 V2 导 通 , 输 出 正 驱 动 电 压 , 功 率 开 关 管 V4 工 作 在 正 常 开 关 状 态 。 发 生 短 路 故 障 时 , IGBT 集 电 极 电 压 增 大 , 由 于 Vce 增 大 , 比 较 器 IC1 输 出 高 电 平 , V5 导 通 , IGBT 实 现 软 降 栅 压 , 降 栅 压 幅 度 由 稳 压 管 VD2 决 定 , 软 降 栅 压 时 间 由 R6C1 形 成 2 μ s。 同 时 IC1 输 出 的 高 电 平 经 R7 对 C2 进 行 充 电 , 当 C2 上 电

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压 达 到 稳 压 管 VD4 的 击 穿 电 压 时 , V6 导 通 并 由 R9C3 形 成 约 3 μ s 的 软 关 断 栅 压 , 软 降 栅 压 至 软 关 断 栅 压 的 延 迟 时 间 由 时 间 常 数 R7C2 决 定 , 通 常 选 取 在 5~ 15 μ s。 V5 导 通 时 , V7 经 C4R10 电 路 流 过 基 极 电 流 而 导 通 约 20 μ s, 在 降 栅 压 保 护 后 将输入驱动信号闭锁一段时间,不再响应输入端的关断信号,以避免在故 障状 态 下 形 成 硬 关 断 过 电 压 , 使 驱 动 电 路 在 故 障 存 在 的 情 况 下 能 执 行 一 个 完整的降栅压和软关断保护过程。

V7 导 通 时 , 光 耦 IC5 导 通 , 时 基 电 路 IC2 的 触 发 脚 2 获 得 负 触 发 信 号 , 555 输 出 脚 3 输 出 高 电 平 , V9 导 通 , IC3 被 封 锁 , 封 锁 时 间 由 定 时 元 件 R15C5 决 定 ( 约 1.2 s) , 使 工 作 频 率 降 至 1 Hz 以 下 , 驱 动 器 的 输 出 信 号 将 工 作 在 所 谓 的“打嗝”状态,避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下,连续进行 短 路 保 护 导 致 热 积 累 而 造 成 IGBT 损 坏 。 只 要 故 障 消 失 , 电 路 又 能 恢 复 到 正 常工作状态。 3结语 开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能,但在恶劣环境 及意外事故条件下,保护电路是否完善并按预定设置工作,对电源装置的 安全性和可靠性至关重要。验收技术指标时,应对保护功能进行验证。 开关电源的保护方案和电路结构具有多样性,但对具体电源装置而言,应 选择合理的保护方案和电路结构,以使得在故障条件下真正有效地实现保 护。 文中所述的保护电路可以灵活组合使用,以简化电路结构和降低成本。

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