開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)分析

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關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；過(guò)流保護(hù)

1開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)研究方案

1.1基于繼電器電源過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

繼電器作為一種過(guò)電控制器件是開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。繼電器就是將電路中多余的電流儲(chǔ)存和變化的電器，通過(guò)這樣的控制系統(tǒng)可以很好的保護(hù)電路中電流的大小，起到自動(dòng)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換電路的作用。繼電器在使用過(guò)程中往往和光電隔離器、達(dá)林頓管一起使用，這樣可以加強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源保護(hù)裝置的保護(hù)效果。當(dāng)光電隔離器和繼電器一起使用時(shí)主要是針對(duì)開(kāi)關(guān)管的漏級(jí)電流達(dá)到2A的時(shí)候，自動(dòng)停止脈寬輸出，保護(hù)電路核心芯片和器件的目的。因此電阻需選擇高精度的電阻，這樣能準(zhǔn)確的保證電流一旦超過(guò)2A光電隔離器就迅速接通保護(hù)電路，同樣一旦電流降低到2A以下，脈寬又會(huì)重新啟動(dòng)恢復(fù)自動(dòng)供電，電源重新正常工作?；谶_(dá)林頓管和繼電器的過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)與光電隔離器的效果差不多同樣也是阻斷電流過(guò)大的情況出現(xiàn)，雖然本次設(shè)計(jì)采用繼電器作為開(kāi)斷器件，存在著開(kāi)斷速度慢，對(duì)電流的沖擊存在影響但是仍然具有可靠、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1.2基于IGBT的Vce過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行的保護(hù)電路，用于專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好的完成降柵極電壓和軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延時(shí)功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過(guò)流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極，而是經(jīng)快恢復(fù)二極管VD1，通過(guò)比較器U1B輸出接至EXB841的6腳，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(cè)的準(zhǔn)確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅(qū)動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。

2短路保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴(yán)重的故障，短路保護(hù)是否可靠，是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的重要因素。IGBT兼有場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，是目前中、大功率開(kāi)關(guān)電源普遍使用的開(kāi)關(guān)器件。IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾微妙至幾十微妙。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率di/dt過(guò)大，由于漏感及引線(xiàn)電感的存在，導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓，該過(guò)電壓可使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用IGBT過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏餍畔?，過(guò)流時(shí)Vce增大，且基本上為線(xiàn)性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無(wú)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(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。在設(shè)計(jì)降柵壓保護(hù)電路時(shí)，要正確選擇柵壓下降幅度和速度，如果柵壓下降幅度大，柵壓下降速度不易過(guò)快，一般可采用2us下降時(shí)間的軟降柵壓，由于柵壓下降幅度大，集電極電流較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果柵壓下降幅度較小，降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過(guò)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(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護(hù)即可不必在一次短路保護(hù)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(hù)方法，故障消除后即恢復(fù)正常工作。

2.1過(guò)載保護(hù)電路

開(kāi)關(guān)電源所帶的負(fù)載輸出電壓是有限的，因此如果發(fā)生輸出一側(cè)所帶負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源設(shè)計(jì)的所允許的最大電流時(shí)，就需要在開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)電路加入過(guò)載保護(hù)裝置了，從而進(jìn)一步保護(hù)電路不被大電流損害的目的。設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)電路時(shí)首先是運(yùn)用了一個(gè)兩級(jí)運(yùn)算放大器作為主體，第一階段使用一種特殊的差動(dòng)放大電路，電阻值可以設(shè)置在1k左右不需要設(shè)置得很大，這樣保證電壓輸入的平穩(wěn)，第二階段的電阻值升高到324k，這時(shí)電壓就會(huì)升高輸出高電平，這樣的設(shè)計(jì)一旦出現(xiàn)同一方向的輸入電壓高于參考電壓就出觸發(fā)OCP信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。通過(guò)這樣的過(guò)載保護(hù)電路方法電阻值可根據(jù)檢測(cè)到的輸出電流改變，可變電阻器的大小主要有負(fù)載極值控制。過(guò)載保護(hù)電路得到廣泛運(yùn)用主要是因?yàn)樵诓煌碾娫串a(chǎn)品中，過(guò)載保護(hù)點(diǎn)有可能會(huì)不一樣，可變電阻可以很好的將保護(hù)電路運(yùn)用到不同的電源產(chǎn)品中。只需改變過(guò)載保護(hù)點(diǎn)就可以廣泛的運(yùn)用過(guò)載保護(hù)電路了。

2.2過(guò)電壓保護(hù)電路

輸出過(guò)電壓保護(hù)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。特別對(duì)輸出為5V的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō),它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時(shí),開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)三極管突然損壞,輸出電壓就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值,瞬時(shí)造成器件被擊穿。常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。最簡(jiǎn)單的過(guò)電壓保護(hù)電路如圖4所示，當(dāng)輸出電壓過(guò)高時(shí),穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出端短路造成過(guò)電流,通過(guò)保險(xiǎn)絲或電路保護(hù)器將輸入切斷,保護(hù)負(fù)載。這種電路的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開(kāi)通時(shí)間，約為5～10us。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓是固定的,溫度系數(shù)大,動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外,穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性,型號(hào)相同但過(guò)電壓起動(dòng)值卻各不相同,給調(diào)試帶來(lái)了困難。

3結(jié)語(yǔ)

本文充分介紹了電源過(guò)流電路設(shè)計(jì)方案和特點(diǎn)以及一些常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)方法，供電路設(shè)計(jì)者參考尋找出更加適合開(kāi)關(guān)電源過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)的方案來(lái)充分保護(hù)過(guò)流電路。近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用廣泛，因此在對(duì)開(kāi)關(guān)電源過(guò)流電路保護(hù)設(shè)計(jì)中要進(jìn)行高要求的可靠性研究來(lái)保證開(kāi)關(guān)電源的可靠性。一旦開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)了故障，保護(hù)電路可以保護(hù)電源故障不對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行更進(jìn)一步的損傷，如果電源保護(hù)裝置一旦出現(xiàn)故障就會(huì)引起電子產(chǎn)品的進(jìn)一步損壞甚至更嚴(yán)重的后果，因此過(guò)流保護(hù)功能一定要完善。

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作者：呂祥 韓耀鋒 郭建 張博倫 孫強(qiáng) 郭俊超 侯風(fēng)乾 李龍?bào)J 單位：西安應(yīng)用光學(xué)研究所