nbhkdz.com冰点文库

开关电源保护电路

时间:2011-10-28


开关电源保护电路_电源技术概要㈤ 2005-11-24 硬道理电子技术工作室

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 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 1 采用晶闸管和限流电阻组成的软启动电路 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 0.3~0.5s。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。

图 2 采用继电器 K1 和限流电阻构成的软启动电路

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。

开关电源保护电路_电源技术概要㈤ 2005-11-24 硬道理电子技术工作室

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。

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,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 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,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。

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μ s 至几十μ 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 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。

开关电源保护电路_电源技术概要㈤ 2005-11-24 硬道理电子技术工作室

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 2μ 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 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。 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 7 采用 IGBT 过流时 Vce 增大的原理进行保护 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=0.2V,VC<Vref,IC2 输出低电平,PWM 控制器正常工作。当出现过流时,
电流传感器检测的整流电压升高,VA>Vref,VB 为高电平,C3 充电使 VC>Vref,IC2 输 出高电平(大于 1.4V),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=0.2V,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。

(a) 电路原理图

(b)

(b) PWM 控制电路的输出驱动波形图


开关电源保护电路.doc

开关电源保护电路 - 开关电源保护电路 1 引言 评价开关电源的质量指标应该是以

开关电源保护电路_图文.ppt

开关电源保护电路 - 过流保护电路,欠压保护电路,过热保护电路等

开关电源常用的几种保护电路.doc

开关电源常用的几种保护电路 - 评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第

开关电源的保护电路设计_张海燕_图文.pdf

开关电源保护电路设计_张海燕 - 2007 年 10月 DO I

开关电源常用的几种保护电路.doc

开关电源常用的几种保护电路 - 开关电源常用的几种保护电路 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...

开关电源常用保护电路.doc

开关电源常用保护电路 - 开关电源常用保护电路-过热、过流、过压以及软启动保护电路... 开关电源常用保护电路-过热、过流、过压以及软启动 保护电路 1 引言 随着科学...

开关电源常用保护电路.doc

开关电源常用保护电路 - 开关电源常用保护电路-过热、过流、过压以及软启动保护电路 1 引言 随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、 生活的关系日益密切,而...

24V开关电源的几种保护电路.doc

24V开关电源的几种保护电路 - 24V 开关电源常用的几种保护电路 1.防浪涌软启动电路 24V 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, ...

开关电源常用保护电路图及软启动保护电路图.doc

开关电源常用保护电路图及软启动保护电路图 - 开关电源常用保护电路-过热、过流、过压以及软启动保护电路 1 引言 随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、...

开关电源保护电路范例_图文.ppt

开关电源保护电路范例 - §2.3 保护电路 一 过流保护电路 1 过流保护电路

开关电源的保护电路设计_图文.pdf

开关电源保护电路设计 - 2007 年 10月 第 26卷 第 5 期 重庆文

开关电源保护电路实例.doc

开关电源保护电路实例 - 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,

开关电源的过载保护电路设计_图文.pdf

开关电源的过载保护电路设计 - 2009 年 7 月 25 日第 26 卷第 4

直流保护电路.pdf

直流保护电路 - 常用直流开关电源保护电路设计 概述 随着科学技术的发展,电力

数控用开关电源保护电路的实现.doc

数控用开关电源保护电路的实现 开关电源的可靠性直接影响到电子产品系统的可靠性。文

开关电源的保护电路设计_论文.pdf

开关电源的保护电路设计 - 基于开关电源的特点,阐述了开关电源保护系统设计的基本原则和整机保护的措施,介绍了多种实用的开关电源保护电路.

开关电源电路组成及各部分详解.doc

开关电源电路组成及各部分详解 - 开关电源各功能电路详解 一、 二、 三、 四、 五、 六、 七、 八、 九、 开关电源电路组成 输入电路的原理及常见电路 ...

开关电源保护电路的研究 精品_图文.pdf

开关电源保护电路的研究 精品_电子/电路_工程科技_专业资料 暂无评价|0人阅读|0次下载 开关电源保护电路的研究 精品_电子/电路_工程科技_专业资料。 ...

开关电源欠压保护电路的设计.doc

开关电源欠压保护电路的设计 保护电路的设计, 无疑是电源设计中一个非常重要的环节

开关电源中几种过流保护方式.pdf

开关电源中几种过流保护方式 - 开关电源中几种过流保护方式的比较 来源:电源技术应用 作者:杨恒 摘要:在输出短路或过载时对电源或负载进行的保护,即为过电流...