為使開關(guān)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。
1 引言
評價開關(guān)電源的質(zhì)量指標應(yīng)該是以安全性,、可靠性為第一原則,。在電氣技術(shù)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(shè)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(guān)電源常用的幾種保護電路
2.1 防浪涌軟啟動電路
開關(guān)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(guān)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(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點燒壞,，整流橋過流損壞；輕者也會使空氣開關(guān)合不上閘,。上述現(xiàn)象均會造成開關(guān)電源無法正常工作,，為此幾乎所有的開關(guān)電源都設(shè)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(dāng)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(dǎo)通并短路限流電阻R1，開關(guān)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(gòu)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Vcc經(jīng)電阻R2對并接于繼電器K1線包的電容器C2充電，當(dāng)C2上的電壓達到繼電器K1的動作電壓時,，K1動作,，其觸點K1.1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（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(gòu)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(guān)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(yīng)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(shè)備可靠性的最重要因素,。根據(jù)有關(guān)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(guān)電源中亦需要設(shè)置過熱保護電路,。
圖4 過壓,、欠壓、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(gòu)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，N1.1為欠壓比較器,，N1.2為過壓比較器,，調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)過、欠壓的動作閾值,。N1.3為過熱比較器,，RT為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與R7構(gòu)成分壓器,，緊貼于功率開關(guān)器件IGBT的表面,，溫度升高時，RT阻值下降,，適當(dāng)選取R7的阻值,，使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機,，當(dāng)其正向端輸入低電平時,，比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)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(qū)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(qū)動信號。
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(guān)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(dāng)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(guān)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(jié)點H電位很低,，光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)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(qū)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(qū)動信號,，關(guān)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，RP1,、RP2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(guān)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(guān)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(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)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(guān)電源最普遍使用的電力電子開關(guān)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(guān)斷時電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在,，導(dǎo)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(yīng)使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿,。因此,，當(dāng)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Ic,，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷,；或者采用間接電壓法,，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息,，過流時Vce增大,，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時的Vce并與設(shè)定的閾值進行比較,，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷,。在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過大形成過電壓,，導(dǎo)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(guān)斷綜合保護技術(shù),。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(shè)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(fù)，如故障仍然存在則進行軟關(guān)斷程序,，使柵壓降至0V以下,，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動信號。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小,，故軟關(guān)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(guān)斷柵極驅(qū)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(shè)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(guān)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(guān)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(fù)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Vce增大的原理進行保護的電路，用于專用驅(qū)動器EXB841,。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)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Vce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(fù)二極管VD1,，通過比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1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(qū)動器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)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Vce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(yīng)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,，VA
(a) 電路原理圖
(b) PWM控制電路的輸出驅(qū)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
當(dāng)出現(xiàn)過流時,，電流傳感器檢測的整流電壓升高,，VA>Vref，VB為高電平,，C3充電使VC>Vref,，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路,。因無驅(qū)動信號,，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作,，電流傳感器無電流流過,，使VA
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Vce增大,，V3門極驅(qū)動電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導(dǎo)通,，IGBT柵極電壓由VD3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(dǎo)通,，送去軟關(guān)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(dǎo)通進行降柵壓,，V2導(dǎo)通進行軟關(guān)斷。
圖9 綜合過流保護電路
圖10是應(yīng)用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理,，采用軟降柵壓,、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護技術(shù)的短路保護電路。
圖10
正常工作狀態(tài),，驅(qū)動輸入信號為低電平時，光耦I(lǐng)C4不導(dǎo)通,，V1,，V3導(dǎo)通，輸出負驅(qū)動電壓,。驅(qū)動輸入信號為高電平時,，光耦I(lǐng)C4導(dǎo)通，V1截止而V2導(dǎo)通,，輸出正驅(qū)動電壓,，功率開關(guān)管V4工作在正常開關(guān)狀態(tài)。發(fā)生短路故障時,，IGBT集電極電壓增大,，由于Vce增大，比較器IC1輸出高電平,，V5導(dǎo)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(dāng)C2上電壓達到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電壓時,，V6導(dǎo)通并由R9C3形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓,，軟降柵壓至軟關(guān)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(dǎo)通時,，V7經(jīng)C4R10電路流過基極電流而導(dǎo)通約20μs,，在降柵壓保護后將輸入驅(qū)動信號閉鎖一段時間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號,，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過電壓,，使驅(qū)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(guān)斷保護過程。
V7導(dǎo)通時,，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)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(dǎo)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(qū)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(dǎo)致熱積累而造成IGBT損壞,。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài),。
3 結(jié)語
開關(guān)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(yù)定設(shè)置工作,，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要,。驗收技術(shù)指標時，應(yīng)對保護功能進行驗證,。
開關(guān)電源的保護方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性,，但對具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護方案和電路結(jié)構(gòu),，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(jié)構(gòu)和降低成本,。