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开关电源的掩护电路剖析
泉源:深圳英拓展电子有限公司 宣布工夫:2014-9-10 点击:4039 次

  评价开关电源的质量目标应该因此宁静性、牢靠性为第一准绳[1、2、3]。在电气技能目标满意正常利用要求的条件下,为使电源在恶劣情况及突发妨碍状况下宁静牢靠地事情,必需设计多种掩护电路,好比防浪涌的软启动,防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相称掩护电路。同时,在统一开关电源电路中,设计多种掩护电路的互相联系关系和应留意的题目也要惹起充足的器重。

2 防浪涌软启动电路 

  开关电源的输出电路多数接纳电容滤波型整流电路,在进线电源合闸刹时,由于电容器上的初始电压为零,电容器充电刹时会构成很大的浪涌电流,分外是大功率开关电源,接纳容量较大的滤波电容器,使浪涌电流达100A以上。在电源接通刹时云云大的浪涌电流,重者每每会招致输出熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏,整流桥过流破坏;轻者也会使氛围开关合不上闸[4]。上述征象均会形成开关电源无法正常事情,为此简直一切的开关电源都设置了避免流涌电流的软启动电路,以包管电源正常而牢靠运转。防浪涌软启动电路通常有晶闸管掩护法和继电器掩护法两大类。

  (1) 晶闸管掩护法

  图1是接纳晶闸管V和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。在电源接通刹时,输出电压经整流桥(D1~D4)和限流电阻R1对电容器C充电,限定浪涌电流。当电容器C充电到约80%额外电压时,逆变器正常事情。经主变压器帮助绕组发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转形态。

图1  接纳晶闸管和限流电阻构成的防浪涌电流电路


  (2) 继电器掩护法

图2 接纳继电器K和限流电阻R1组成的防浪涌电流电路   图3 替换R2C2耽误电路


  图2是接纳继电器K和限流电阻R1组成的防浪涌电流电路。电源接通刹时,输出电压经整流(D1~D4)和限流电阻R1对滤波电容器C1充电,避免接通刹时的浪涌电流,同时帮助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K线包的电容器C2充电,当C2上的电压到达继电器K的举措电压时,K举措,其触点K1.1闭合而旁路限流电阻R1,电源进入正常运转形态。限流的耽误工夫取决于工夫常数(R2C2),通常选取为0.3~0.5s。为了进步耽误工夫的正确性及避免继电器举措发抖振荡,耽误电路可接纳图3所示电路替换R2C2耽误电路。

3 过压、欠压及过热掩护电路 

  进线电源过压及欠压对开关电源形成的危害,次要体现在器件因接受的电压及电流才能凌驾正常利用的范畴而破坏,同时因电气功能目标被毁坏而不克不及满意要求。因而对输出电源的下限和上限要有所限定,为此接纳过压、欠压掩护以进步电源的牢靠性和宁静性。 

  温度是影响电源设置装备摆设牢靠性的最紧张要素。依据有关材料剖析标明[5],电子元器件温度每降低2℃,牢靠性降落10%,温升50℃时的事情寿命只要温升25℃时的1/6,为了制止功率器件过热形成破坏,在开关电源中亦必要设置过热掩护电路。 

图4  过压、欠压、过热掩护电路


  图4是仅用一个4比力器LM339及几个分立元器件组成的过压、欠压、过热掩护电路。取样电压可以间接从帮助控制电源整流滤波后获得,它反应输出电源电压的变革,比力器共用一个基准电压,N1.1为欠压比力器,N1.2为过压比力器,调解R1可以调治过、欠压的举措阈值。N1.3为过热比力器,RT为负温度系数的热敏电阻,它与R7组成分压器,紧贴于功率开关器件IGBT的外表,温度降低时,RT阻值降落,得当选取R7的阻值,使N1.3在设定的温度阈值举措。N1.4用于内部妨碍应急关机,当其正向端输出低电平常,比力器输入低电平封闭PWM驱动信号。由于4个比力器的输入端是并联的,无论是过压、欠压、过热任何一种妨碍产生,比力器输入低电平,封闭驱动信号使电源中止事情,完成掩护。如将电路稍加变化,亦可使比力器输入高电平封闭驱动信号。

4 缺相掩护电路 

  由于电网本身缘故原由或电源输出接线不行靠,开关电源偶然会呈现缺相运转的状况,且失相运转不易被实时发明。当电源处于缺相运转时,整流桥某一臂无电流,而别的臂会严峻过流形成破坏,同时使逆变器事情呈现非常,因而,必需对缺相举行掩护。检测电网缺雷同常接纳电流互感器或电子缺相检测电路。由于电流互感器检测本钱高、体积大,故开关电源中一样平常接纳电子缺相掩护电路。图5是一个复杂的缺相掩护电路。三相均衡时,R1~R3结点H电位很低,光耦合输入类似为零电平。当缺相时,H点电位举高,光耦输入高电平,经比力器举行比力,输入低电平,封闭驱动信号。比力器的基准可调,以便调治缺相举措阈值。该缺相掩护实用于三相四线制,而不实用于三相三线制。电路稍加变化,亦可用高电平封闭PWM信号。

图5 三相四线制的缺相掩护电路


  图6是一种用于三相三线制电源缺相掩护电路,A、B、C缺任何一相,光耦器输入电平低于比力器的反相输出真个基准电压,比力器输入低电平,封闭PWM驱动信号,封闭电源。比力器输出极性稍加变化,亦可用高电平封闭PWM信号。这种缺相掩护电路接纳光耦断绝强电,宁静牢靠,RP1、RP2用于调治缺相掩护举措阈值。

图6  三相三线制的缺相掩护电路


5 短路掩护

  开关电源同别的电子安装一样,短路是最严峻的妨碍,短路掩护能否牢靠,是影响开关电源牢靠性的紧张要素。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)兼有场效应晶体管输出阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压低落的特点,是现在中、大功率开关电源最广泛利用的电力电子开关器件[6]。IGBT可以接受的短路工夫取决于它的饱和压降和短路电流的巨细,一样平常仅为几μs至几十μs。短路电流过大不但使短路接受工夫延长,并且使关断时电流降落率 过大,由于漏感及引线电感的存在,招致IGBT集电极过电压,该过电压可使IGBT锁定生效,同时高的过电压会使IGBT击穿。因而,当呈现短途经流时,必需接纳无效的掩护步伐。 

  为了完成IGBT的短路掩护,则必需举行过流检测。实用IGBT过流检测的办法,通常是接纳霍尔电传播感器间接检测IGBT的电流Ic,然后与设定的阈值比力,用比力器的输入去控制驱动信号的关断;大概接纳直接电压法,检测过流时IGBT的电压降Vce,由于管压降含有短路电流信息,过流时Vce增大,且根本上为线性干系,检测过流时的Vce并与设定的阈值举行比力,比力器的输入控制驱动电路的关断。 

  在短路电流呈现时,为了制止关断电流的 过大构成过电压,招致IGBT锁定有效和破坏,以及为了低落电磁搅扰,通常接纳软降栅压和软关断综合掩护技能。

  在设计降栅压掩护电路时,要准确选择降栅压幅度和速率,假如降栅压幅度大(好比7.5V),降栅压速率不要太快,一样平常可接纳2μs降落工夫的软降栅压,由于降栅压幅度大,集电极电流曾经较小,在妨碍形态封闭栅极可快些,不用接纳软关断;假如降栅压幅度较小(好比5V以下),降栅速率可快些,而封闭栅压的速率必需慢,即接纳软关断,以制止过电压产生。 

  为了使电源在短路妨碍形态不中缀事情,又能制止在原事情频率下一连举行短路掩护发生热积聚而形成IGBT破坏,接纳降栅压掩护即可不用在一次短路掩护立刻封闭电路,而使事情频率低落(好比1Hz左右),构成间歇“打嗝”的掩护办法,妨碍消弭后即规复正常事情。上面是几种IGBT短路掩护的适用电路及事情原理。

  (1)使用IGBT的Vce设计过流掩护电路

图7  接纳IGBT过流时Vce增大的原理举行掩护


  图7是使用IGBT过流时Vce增大的原理举行掩护的电路,用于公用驱动器EXB841。EXB841外部电路能很好地完成降栅及软关断,并具有外部耽误功效,以消弭搅扰发生的误举措。含有IGBT过流信息的Vce不间接送至EXB841的集电极电压监督脚6,而是经疾速规复二极管VD1,经过比力器IC1输入接至EXB841的脚6,其目标是为了消弭VD1正向压降随电流差别而异,接纳阈值比力器,进步电流检测的正确性。假如产生过流,驱动器EXB841的低速堵截电路慢速关断IGBT,以制止集电极电流尖峰脉冲破坏IGBT器件。

  (2) 使用电传播感器设计过流掩护电路

(a) 使用电传播感器举行过流掩护电路


(b) PWM控制电路的输入驱动波形图

图8 使用电传播感器举行过流掩护


  图8(a)是使用电传播感器举行过流检测的IGBT掩护电路,电传播感器(SC)低级(1匝)串接在IGBT的集电极电路中,次级感到的过流信号经整流后送至比力器IC1的同相输出端,与反相真个基准电压举行比力,IC1的输入送至具有正反应的比力器IC2,其输入接至PWM控制器UC3525的输入控制脚10。不外流时,VA<Vref,VB=0.2V,VC<Vref,IC2输入低电平,PWM控制器正常事情。当呈现过流时,电传播感器检测的整流电压降低,VA>Vref,VB为高电平,C3充电使VC>Vref,IC2输入高电平(大于1.4V),封闭PWM控制电路。因无驱动信号,IGBT封闭,而电源中止事情,电传播感器无电流流过,使VA<Vref,VB=0.2V,C3经R1放电,当C3放电到使VC<Vref时,IC2又输入低电平,电源重新进入事情形态,假如过流持续存在,掩护电路又复兴到原来的限流掩护事情形态,重复循环使PWM控制电路的输入驱动波形处于距离输入形态,如图8(b)所示波形。电位器RP1调解图比力器过活动作阈值。电容器C3经D5疾速充电,经R1慢速放电,只需公道地选择R1,C3重新进入事情的检测IGBT掩护电路的参数,使PWM驱动信号封闭工夫t2>>t1,可包管电源进入就寝形态。正反应电阻R7包管IC2只要高、低电平两种形态,D5,R1,C3充放电电路,包管IC2输入不致在高、低电平之间频仍变革,即IGBT不致频仍守旧、关断而破坏。

  (3) 综合过流掩护电路

  图9是使用IGBT(V1)过流集电极电压检测和电传播感器检测的综合掩护电路,电路事情原理是:负载短路(或IGBT因别的妨碍过流)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所限定而降压,限定IGBT峰值电流幅度,同时经R5C3耽误使V2导通,送去软关断信号。另一方面,在短路时经电传播感器检测短路电流,经比力器IC1输入的高电平使V3导通举行降栅压,V2导通举行软关断。

  别的,还可以使用检测IGBT集电极电压的过流掩护原理,接纳软降栅压、软关断及低落事情频率掩护技能的短路掩护电路[7、8],这里不作祥细介绍了,有兴味的读者请参考文献[1]。开关电源掩护功效虽属电源安装电气功能要求的附加功效,但在恶劣情况及不测变乱条件下,掩护电路能否美满并按预定设置事情,对电源安装的宁静性和牢靠性至关紧张。验收技能目标时,应对掩护功效举行验证。 

  开关电源的掩护方案和电路布局具有多样性,但对详细电源安装而言,应选择公道的掩护方案和电路布局,以使得在妨碍条件下真正无效地完成掩护。

图9  综合过流掩护电路


6 完毕语

  开关电源掩护功效虽属电源安装电气功能要求的附加功效,但在恶劣情况及不测变乱条件下,掩护电路能否美满并按预定设置事情,对电源安装的宁静性和牢靠性至关紧张。验收技能目标时,应对掩护功效举行验证。 

  开关电源的掩护方案和电路布局具有多样性,但对详细电源安装而言,应选择公道的掩护方案和电路布局,以使得在妨碍条件下真正无效地完成掩护。

  开关电源掩护电路设计完成后,必需先对开关电源举行老化实行,再验证种种掩护电路的功效。

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