开关电源保护电路电源技术概要五.docx

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开关电源保护电路电源技术概要五

开关电源保护电路_电源技术概要㈤

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。

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。

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。

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

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

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)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

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VD3所限制而降压,限制IGBT峰值电流幅度,同时经R5C3延迟使V2导通,送去软关断信号。

另一方面,在短路时经电流传感器检测短路电流,经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压,V2导通进行软关断。

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

正常工作状态,驱动输入信号为低电平时,光耦IC4不导通,V1,V3导通,输出负驱动电压。

驱动输入信号为高电平时,光耦IC4导通,V1截止而V2导通,输出正驱动电压,功率开关管V4工作在正常开关状态。

发生短路故障时,IGBT集电极电压增大,由于Vce增大,比较器IC1输出高电平,V5导通,IGBT实现软降栅压,降栅压幅度由稳压管VD2决定,软降栅压时间由R6C1形成2μs。

同时IC1输出的高电平经R7对C2进行充电,当C2上电压达到稳压管VD4的击穿电压时,V6导通并由R9C3形成约3μs的软关断栅压,软降栅压至软关断栅压的延迟时间由时间常数R7C2决定,通常选取在5~15μs。

V5导通时,V7经C4R10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,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。

V7导通时,光耦IC5导通,时基电路IC2的触发脚2获得负触发信号,555输出脚3输出高电平,V9导通,IC3被封锁,封锁时间由定时元件R15C5决定(约1.2s),使工作频率降至1Hz以下,驱动器的输出信号将工作在所谓的“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。

开关电源的保护方案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。

开关电源中几种过流保护方式的比较(转载)

发表于2006-11-2717:

27:

53

 引言

    电源作为一切电子产品的供电设备,除了性能要满足供电产品的要求外,其自身的保护措施也非常重要,如过压、过流、过热保护等。

一旦电子产品出现故障时,如电子产品输入侧短路或输出侧开路时,则电源必须关闭其输出电压,才能保护功率MOSFET和输出侧设备等不被烧毁,否则可能引起电子产品的进一步损坏,甚至引起操作人员的触电及火灾等现象,因此,开关电源的过流保护功能一定要完善。

    1  开关电源中常用的过流保护方式

  过电流保护有多种形式,如图1所示,可分为额定电流下垂型,即フ字型;恒流型;恒功率型,多数为电流下垂型。

过电流的设定值通常为额定电流的110%~130%。

一般为自动恢复型。

  图1中①表示电流下垂型,②表示恒流型,③表示恒功率型。

    

          图1  过电流保护特性

    1.1  用于变压器初级直接驱动电路中的限流电路

  在变压器初级直接驱动的电路(如单端正激式变换器或反激式变换器)的设计中,实现限流是比较容易的。

图2是在这样的电路中实现限流的两种方法。

  图2电路可用于单端正激式变换器和反激式变换器。

图2(a)与图2(b)中在MOSFET的源极均串入一个限流电阻Rsc,在图2(a)中,Rsc提供一个电压降驱动晶体管S2导通,在图2(b)中跨接在Rsc上的限流电压比较器,当产生过流时,可以把驱动电流脉冲短路,起到保护作用。

  图2(a)与图2(b)相比,图2(b)保护电路反应速度更快及准确。

首先,它把比较放大器的限流驱动的门槛电压预置在一个比晶体管的门槛电压Vbe更精确的范围内;第二,它把所预置的门槛电压取得足够小,其典型值只有100mV~200mV,因此,可以把限流取样电阻Rsc的值取得较小,这样就减小了功耗,提高了电源的效率。

    

            (a)晶体管保护

    

            (b)限流比较器保护

    图2  在单端正激式或反激式变换器电路中的限流电路

  当AC输入电压在90~264V范围内变化,且输出同等功率时,则变压器初级的尖峰电流相差很大,导致高、低端过流保护点严重漂移,不利于过流点的一致性。

在电路中增加一个取自+VH的上拉电阻R1,其目的是使S2的基极或限流比较器的同相端有一个预值,以达到高低端的过流保护点尽量一致。

    1.2用于基极驱动电路的限流电路

  在一般情况下,都是利用基极驱动电路把电源的控制电路和开关晶体管隔离开来。

变换器的输出部分和控制电路共地。

限流电路可以直接和输出电路相接,其电路如图3所示。

在图3中,控制电路与输出电路共地。

工作原理如下:

    

          图3  用于多种电源变换器中的限流电路

  电路正常工作时,负载电流IL流过电阻Rsc产生的压降不足以使S1导通,由于S1在截止时IC1=0,电容器C1处于未充电状态,因此晶体管S2也截止。

如果负载侧电流增加,使IL达到一个设定的值,使得ILRsc=Vbe1+Ib1R1,则S1导通,使电容器C1充电,其充电时间常数τ=R2C1,C1上充满电荷后的电压是VC1=Ib2R4+Vbe2。

在电路检测到有过流发生时,为使电容器C1能够快速放电,应当选择R4

    1.3 无功率损耗的限流电路

  上述两种过流保护比较有效,但是Rsc的存在降低了电源的效率,尤其是在大电流输出的情况下,Rsc上的功耗就会明显增加。

图4电路利用电流互感器作为检测元件,就为电源效率的提高创造了一定的条件。

  图4电路工作原理如下:

利用电流互感器T2监视负载电流IL,IL在通过互感器初级时,把电流的变化耦合到次级,在电阻R1上产生压降。

二极管D3对脉冲电流进行整流,经整流后由电阻R2和电容C1进行平滑滤波。

当发生过载现象时,电容器C1两端电压迅速增加,使齐纳管D4导通,驱动晶体管S1导通,S1集电极的信号可以用来作为电源变换器调节电路的驱动信号。

    

          图4  无功耗限流电路

  电流互感器可以用铁氧体磁芯或MPP环型磁芯来绕制,但要经过反复实验,以确保磁芯不饱和。

理想的电流互感器应该达到匝数比是电流比。

通常互感器的Np=1,Ns=NpIpR1/(Vs+VD3)。

具体绕制数据最后还要经过实验调整,使其性能达到最佳状态。

    1.4  用555做限流电路

  图5为555集成时基电路的基本框图。

    图5  555集成时基电路的基本框图

  555集成时基电路是一种新颖的、多用途的模拟集成电路,有LM555,RCA555,5G1555等,其基本性能都是相同的,用它组成的延时电路、单稳态振荡器、多谐振荡器及各种脉冲调制电路,用途十分广泛,也可用于直接变换器的控制电路。

  555时基电路由分压器R1、R2、R3,两个比较器,R-S触发器以及两个晶体管等组成,电路在5~18V范围内均能工作。

分压器提供偏压给比较器1的反相输入端,电压为2Vcc/3,提供给比较器2的同相输入端电压为Vcc/3,比较器的另两个输入端脚2、脚6分别为触发和门限,比较器输出控制R-S触发器,触发器输出供给输出级以及晶体管V1的基极。

当触发器输出置高时,V1导通,接通脚7的放电电路;当触发器输出为低时,V1截止,输出级提供一个低的输出阻抗,并且将触发器输出脉冲反相。

当触发器输出置高时,脚3输出的电压为低电平,触发器输出为低时,脚3输出的电压为高电平。

输出级能够提供的最大电流为200mA,晶体管V2是PNP管,它的发射极接内部基准电压Vr,Vr的取值总是小于电源电压Vcc,因此,若将V2的基极(脚4复位)接到Vcc上,V2的基—射极为反偏,晶体管V2截止。

  图6为用555做限流保护的电路,其工作原理如下:

UC384X与S1及T1组成一个基本的PWM变换器电路。

UC384X系列控制IC有两个闭环控制回路,一个是输出电压Vo反馈至误差放大器,用于同基准电压Vref比较之后产生误差电压(为了防止误差放大器的自激现象产生,直接把脚2对地短接);另一个是变压器初级电感中的电流在T2次级检测到的电流值在R8及C7上的电压,与误差电压进行比较后产生调制脉冲的脉冲信号。

当然,这些均在时钟所设定的固定频率下工作。

UC384X具有良好的线性调整率,能达到0.01%/V;可明显地改善负载调整率;使误差放大器的外电路补偿网络得到简化,稳定度提高并改善了频响,具有更大的增益带宽乘积。

UC384X有两种关闭技术;一是将脚3电压升高超过1V,引起过流保护开关关闭电路输出;二是将脚1电压降到1V以下,使PWM比较器输出高电平,PWM锁存器复位,关闭输出,直到下一个时钟脉冲的到来,将PWM锁存器置位,电路才能重新启动。

电流互感器T2监视着T1的尖峰电流值,当发生过载时,T1的尖峰电流迅速上升,使T2的次级电流上升,经D1整流,R9及C7平滑滤波,送到IC1的脚3,使IC1的脚1电平下降(注意:

接IC1脚1的R3,C4必须接成开环模式,如接成闭环模式则过流时555的脚7放电端无法放电)。

IC1的脚1与IC2的脚6相连接,使IC2的比较器1同相输入端的电压降低,触发器Q输出高电平,V1导通,IC2的脚7放电,使IC1的脚1电平被拉低于1V,则IC1输出关闭,S1因无栅极驱动信号而关闭,使电路得到保护。

若过流不消除,则重复上述过程,IC1重新进入启动、关闭、再启动、再关闭的循环状态,即“打嗝”现象。

而且,过负载期间,重复进行着启振与停振,但停振时间长,启振时间短,因此电源不会过热,这种过负载保护称为周期保护方式(当输入端输入电压变化范围较大时,仍可使高、低端的过流保护点基本相同)。

其振荡周期由555单稳多谐振荡器的RC时间常数τ决定,本例中τ=R1C1,直到过载现象消失,电路才可恢复正常工作。

电流互感器T2的选择同1.3的互感器计算方法。

    

        图6  用555做限流保护电路

    图6电路,可以用在单端反激式或单端正激式变换器中,也可用在半桥式、全桥式或推挽式电路中,只要IC1有反馈控制端及基准电压端即可,当发生过流现象时,用555电路的单稳态特性使电路工作在“打嗝”状态下。

    1.5 几种过流保护方式的比较

    2 结语

  作者经过长期的研发与生产,比较了开关电源中所使用的各种过流保护方法,可以说,几乎没有一种过流保护方式是万能的,只有用555的保护方式性能价格比是较好的。

一般来说,选择何种过流保护方式,都要结合具体的电路变换模式而做出相应的选择。

只有经过认真的分析,大量的实验才能找到最适合的过流保护方式。

保护方式设计的合理、有效,意味着产品的可靠性才可能更高。

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