开关电源保护原理解说.doc

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 。 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 。 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 。 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 s至 几 十 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 2 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 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， VCVref， 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 。 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 s。 同 时 IC1输 出 的 高 电 平 经 R7对 C2进 行 充 电 ， 当 C2上 电 压 达 到 稳 压 管 VD4的 击 穿 电 压 时 ， V6导 通 并 由 R9C3形 成 约 3 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 s。V5导 通 时 ， V7经 C4R10电 路 流 过