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1、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，
2、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100 A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（D1D4）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
3、电阻 R1， 开关电源处于正常运行状态。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 0.5 s。 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 R
4、C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 C,可靠性下降10%,温升50 C时的工作寿命只有温 升25 C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
5、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
6、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 。ir叫12电I!HiA -A4丸兀 灶丼僅押电瑤业赳讪出他人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
7、、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，R1R3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 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
8、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。谢h 三柯三rv机知a帕第护屯站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
9、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p s至几十p 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
10、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
11、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0 V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. 5 V）,降栅压速度不要太快，一般可采用2
12、p 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5 V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（比女口 1 Hz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
13、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
14、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，VAv Vref，VB=0.2 V，VCVref， VB为高电平，C3充电使VC Vref, IC2输出高电平（大于1 口 4 V ,关闭 PWM控制电路。因无驱动信号，
15、IGBT关闭，而电源停止工作，电流传感器 无电流流过，使VAv Vref，VB=0.2 V，C3经R1放电，当C3放 电到使VCv 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 ,
16、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。dlT1曰r1wIII I I FE M控茁电珞的诒也那；厂 喝J 4 打:卜丄儿优护吐殆航 网网电就皆呱腭辽打雄淡检刨舸1仃閒 醉护也殆图 9 是 利 用 IGBT（ V1 ） 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：负载短路（或IGBT因其它故障过流）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
