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 過壓、欠壓,、過熱保護電路

圖4是僅用一個4比較器" title="比較器">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,，緊貼于功率開關器件IGBT的表面,，溫度升高時，RT阻值下降,，適當選取R7的阻值,，使N1.3在設定的溫度閾值動作。N1.4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(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(jié)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(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。

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(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Ic,，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)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,，且基本上為線性關系，檢測過流時的Vce并與設定的閾值進行比較,，比較器的輸出控制驅(qū)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(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(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(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,；如果降柵壓幅度較小（比如5V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

當出現(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）,，關閉PWM控制電路,。因無驅(qū)動信號，IGBT關閉,，而電源停止工作,，電流傳感器無電流流過，使VA>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(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(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IC4不導通,，V1，V3導通,，輸出負驅(qū)動電壓,。驅(qū)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(qū)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Vce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(qū)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(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(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(jié)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(shù)指標時,，應對保護功能進行驗證,。