开关电源保护电路

开关电源保护电路 程伟，李定宣 (合肥三宇电器技术研究所，安徽 合肥 230088） 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100A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R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（D～11 D）和限流电阻R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41 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R，开关电源处于正常运1行状态。 图1 采用晶闸管和限流电阻组成的软启动电路 和限流电阻R构成的防浪涌电流电路。电源接通瞬间，输入电压经整流（D～D） 图2是采用继电器K1114和限流电阻R对滤波电容器C充电，防止接通瞬间的浪涌电流，同时辅助电源V经电阻R对并接于继电11cc2器K线包的电容器C充电，当C上的电压达到继电器K的动作电压时，K动作，其触点K闭合而旁路限122111.1流电阻R，电源进入正常运行状态。限流的延迟时间取决于时间常数（RC），通常选取为0.3～0.5s。为122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。 图2 采用继电器K和限流电阻构成的软启动电路 1 图3 替代RC的延迟电路 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 为欠压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比较器，N为过压比较器，调整R可以调节过、欠压的动作阈值。N为过热比较器，R为负温度系数的1.211.3T热敏电阻，它与R构成分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面，温度升高时，R阻值下降，适当选取7TR的阻值，使N在设定的温度阈值动作。N用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器71.31.4 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。 图4 过压、欠压、过热保护电路 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，R～R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13 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5 三相四线制的缺相保护电路 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， R、R用于调节缺相保护亦可用高电平封锁PWM信号。这种缺相保护电路采用光耦隔离强电，安全可靠，P1P2动作阈值。 图6 三相三线制的缺相保护电路 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μs至几十μs。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I，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c 用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降V，因为管压降含有短路电流信息，过流时V增大，且基本上cece为线性关系，检测过流时的V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。 ce 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0V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7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs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5V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1Hz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。 V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 图7是利用IGBT过流时ce 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V不ce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V，通过比较器IC输出接至EXB841的脚D116，其目的是为了消除V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D1 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7 采用IGBT过流时V增大的原理进行保护 ce 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IC的同相输入端，与反相端的基准电压进行比1 较，IC的输出送至具有正反馈的比较器IC，其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚10。不过流时，12 VV，V为高电平，C充电使V>V，IC输出高电平（大于1.4V），关闭PWM控制电路。因无驱ArefB3Cref2 动信号，IGBT关闭，而电源停止工作，电流传感器无电流流过，使V>t，可保证电源进入睡眠状态。正反馈电阻R保证IC只有高、低电平两2172种状态，D，R，C充放电电路，保证IC输出不致在高、低电平之间频繁变化，即IGBT不致频繁开通、关5132 断而损坏。 (a) 电路原理图 (b) PWM控制电路的输出驱动波形图 图8 利用电流传感器进行过流检测的IGBT保护电路 ）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 图9是利用IGBT（V1 载短路（或IGBT因其它故障过流）时，V的V增大，V门极驱动电流经R，R分压器使V导通，IGBT栅1ce3233极电压由V所限制而降压，限制IGBT峰值电流幅度，同时经RC延迟使V导通，送去软关断信号。另一D3532方面，在短路时经电流传感器检测短路电流，经比较器IC输出的高电平使V导通进行降栅压，V导通进行132软关断。 图9 综合过流保护电路 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。 图10 不导通，V，V导通，输出负驱动电压。驱动输入 正常工作状态，驱动输入信号为低电平时，光耦IC413信号为高电平时，光耦IC导通，V截止而V导通，输出正驱动电压，功率开关管V工作在正常开关状态。4124发生短路故障时，IGBT集电极电压增大，由于V增大，比较器IC输出高电平，V导通，IGBT实现软降栅ce15压，降栅压幅度由稳压管VD决定，软降栅压时间由RC形成2μs。同时IC输出的高电平经R对C进行充261172 电，当C上电压达到稳压管VD的击穿电压时，V导通并由RC形成约3μs的软关断栅压，软降栅压至软24693 关断栅压的延迟时间由时间常数RC决定，通常选取在5～15μs。 72 V导通时，V经CR电路流过基极电流而导通约20μs，在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间，57410 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。 V导通时，光耦IC导通，时基电路IC的触发脚2获得负触发信号，555输出脚3输出高电平，V导7529 通，IC被封锁，封锁时间由定时元件RC决定（约1.2s），使工作频率降至1Hz以下，驱动器的输出信3155 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

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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。 作者简介 程伟（1963－），工程师，主要从事电子技术在工程设备中的应用。 李定宣（1940－），高级工程师，主要从事电力电子技术的研究与应用。