中心議題：

• 開關電源保護電路的研究

解決方案：

• 防浪湧軟啟動電路設計
• 過壓
  、欠壓及過熱保護電路設計
• 缺相保護電路設計
• 短路保護設計

1引言

評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環境及突發故障 情況下安全可靠地工作，必須設計多種保護電路，比如防浪湧的軟啟動，防過壓、欠壓
、過熱、過流
、短路、缺相等保護電路。同時，在同一開關電源電路中，設計 多種保護電路的相互關聯和應注意的問題也要引起足夠的重視。

2 防浪湧軟啟動電路

開kai關guan電dian源yuan的de輸shu入ru電dian路lu大da都dou采cai用yong電dian容rong濾lv波bo型xing整zheng流liu電dian路lu，在zai進jin線xian電dian源yuan合he閘zha瞬shun間jian，由you於yu電dian容rong器qi上shang的de初chu始shi電dian壓ya為wei零ling

，電dian容rong器qi充chong電dian瞬shun間jian會hui形xing成cheng很hen大da的de浪lang湧yong電dian流liu
，特te別bie是shi大da 功率開關電源
，采用容量較大的濾波電容器
，使浪湧電流達100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪湧電流，重者往往會導致輸入熔斷器燒斷或合閘開關的觸點燒 壞，整流橋過流損壞
；輕者也會使空氣開關合不上閘。上述現象均會造成開關電源無法正常工作
，為此幾乎所有的開關電源都設置了防止流湧電流的軟啟動電 路，以保證電源正常而可靠運行。防浪湧軟啟動電路通常有晶閘管保護法和繼電器保護法兩大類。

(1) 晶閘管保護法

圖1是采用晶閘管V和限流電阻R1組成的防浪湧電流電路。在電源接通瞬間，輸入電壓經整流橋（D1～D4）和限流電阻R1對電容器C充電，限製浪湧 電流。當電容器C充電到約80%額定電壓時
，逆變器正常工作。經主變壓器輔助繞組產生晶閘管的觸發信號
，使晶閘管導通並短路限流電阻R1，開關電源處於正 常運行狀態。

(2)繼電器保護法

圖2是采用繼電器K和限流電阻R1構成的防浪湧電流電路。電源接通瞬間
，輸入電壓經整流（D1～D4）和限流電阻R1對濾波電容器C1充電
，防止接 通瞬間的浪湧電流，同時輔助電源Vcc經電阻R2對並接於繼電器K線包的電容器C2充電，當C2上的電壓達到繼電器K的動作電壓時，K動作，其觸點 K1.1閉合而旁路限流電阻R1
，電源進入正常運行狀態。限流的延遲時間取決於時間常數（R2C2）
，通常選取為0.3～0.5s。為了提高延遲時間的準 確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用圖3所示電路替代R2C2延遲電路。

3 過壓
、欠壓及過熱保護電路

進(jin)線(xian)電(dian)源(yuan)過(guo)壓(ya)及(ji)欠(qian)壓(ya)對(dui)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)造(zao)成(cheng)的(de)危(wei)害(hai)，主(zhu)要(yao)表(biao)現(xian)在(zai)器(qi)件(jian)因(yin)承(cheng)受(shou)的(de)電(dian)壓(ya)及(ji)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)超(chao)出(chu)正(zheng)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)範(fan)圍(wei)而(er)損(sun)壞(huai)，同(tong)時(shi)因(yin)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)被(bei)破(po)壞(huai)而(er)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)的(de)上(shang)限(xian)和(he)下(xia)限(xian)要(yao)有(you)所(suo)限(xian)製(zhi)
，為(wei)此(ci)采(cai)用(yong)過(guo)壓(ya)
、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性。

溫度是影響電源設備可靠性的最重要因素。根據有關資料分析表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%
，溫升50℃時的工作壽命隻有溫升25℃時的1/6
，為了避免功率器件過熱造成損壞，在開關電源中亦需要設置過熱保護電路。

圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元器件構成的過壓、欠壓、過熱保護電路。取樣電壓可以直接從輔助控製電源整流濾波後取得
，它反映輸入電 源電壓的變化，比較器共用一個基準電壓，N1.1為欠壓比較器
，N1.2為過壓比較器，調整R1可以調節過
、欠壓的動作閾值。N1.3為過熱比較器
，RT 為負溫度係數的熱敏電阻，它與R7構成分壓器
，緊貼於功率開關器件IGBT的表麵，溫度升高時，RT阻值下降，適當選取R7的阻值，使N1.3在設定的溫 度閾值動作。N1.4用於外部故障應急關機，當其正向端輸入低電平時，比較器輸出低電平封鎖PWM驅動信號。由於4個比較器的輸出端是並聯的

，無論是過 壓、欠壓、guorerenheyizhongguzhangfasheng，bijiaoqishuchudidianping，fengsuoqudongxinhaoshidianyuantingzhigongzuo，shixianbaohu。rujiangdianlushaojiabiandong，yikeshibijiaoqishuchugaodianpingfengsuoqudongxinhao。[page]

4 缺相保護電路

youyudianwangzishenyuanyinhuodianyuanshurujiexianbukekao，kaiguandianyuanyoushihuichuxianquexiangyunxingdeqingkuang，qiediaoxiangyunxingbuyibeijishifaxian。dangdianyuanchuyuquexiangyunxingshi
，zhengliuqiaomouyibiwudian 流(liu)，而(er)其(qi)它(ta)臂(bi)會(hui)嚴(yan)重(zhong)過(guo)流(liu)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)
，同(tong)時(shi)使(shi)逆(ni)變(bian)器(qi)工(gong)作(zuo)出(chu)現(xian)異(yi)常(chang)

，因(yin)此(ci)，必(bi)須(xu)對(dui)缺(que)相(xiang)進(jin)行(xing)保(bao)護(hu)。檢(jian)測(ce)電(dian)網(wang)缺(que)相(xiang)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)互(hu)感(gan)器(qi)或(huo)電(dian)子(zi)缺(que)相(xiang)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)。由(you)於(yu)電(dian)流(liu)互(hu) 感器檢測成本高、體積大，故開關電源中一般采用電子缺相保護電路。圖5是一個簡單的缺相保護電路。三相平衡時，R1～R3結點H電位很低，光耦合輸出近似 為零電平。當缺相時，H點dian電dian位wei抬tai高gao，光guang耦ou輸shu出chu高gao電dian平ping
，經jing比bi較jiao器qi進jin行xing比bi較jiao
，輸shu出chu低di電dian平ping
，封feng鎖suo驅qu動dong信xin號hao。比bi較jiao器qi的de基ji準zhun可ke調tiao，以yi便bian調tiao節jie缺que相xiang動dong作zuo閾yu值zhi。該gai缺que相xiang保bao護hu 適用於三相四線製
，而不適用於三相三線製。電路稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。

圖6是一種用於三相三線製電源缺相保護電路，A、B、C缺任何一相
，光耦器輸出電平低於比較器的反相輸入端的基準電壓，比較器輸出低電平，封鎖 PWM驅動信號，關閉電源。比較器輸入極性稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM信號。這種缺相保護電路采用光耦隔離強電，安全可靠,RP1、RP2用於調節 缺相保護動作閾值。

5 短路保護

開關電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠
，是影響開關電源可靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應 晶體管輸入阻抗高、驅動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，是目前中、大功率開關電源最普遍使用的電力電子開關器件。IGBT 能夠承受的短路時間取決於它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關斷時電流下降率 過大，由於漏感及引線電感的存在，導致IGBT集電極過電壓
，該過電壓可使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現短路過流時
， 必須采取有效的保護措施。

為了實現IGBT的短路保護，則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然後與設定 的閾值比較
，用比較器的輸出去控製驅動信號的關斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時Vce增 大
，且基本上為線性關係，檢測過流時的Vce並與設定的閾值進行比較
，比較器的輸出控製驅動電路的關斷。

在短路電流出現時
，為了避免關斷電流的 過大形成過電壓，導致IGBT鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁幹擾，通常采用軟降柵壓和軟關斷綜合保護技術。

在設計降柵壓保護電路時

，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7.5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2μs下降時間的軟降柵 壓
，由於降柵壓幅度大，集電極電流已經較小，在故障狀態封鎖柵極可快些，不必采用軟關斷；如果降柵壓幅度較小（比如5V以下）
，降柵速度可快些，而封鎖柵 壓的速度必須慢
，即采用軟關斷
，以避免過電壓發生。

為了使電源在短路故障狀態不中斷工作
，又能避免在原工作頻率下連續進行短路保護產生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保 護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除後即恢複正常工作。下麵是幾種IGBT短路保護的實用電路及 工作原理。

圖7是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護的電路，用於專用驅動器EXB841。EXB841內部電路能很好地完成降柵及軟關斷，並具有內部延遲 功能
，以消除幹擾產生的誤動作。含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監視腳6

，而是經快速恢複二極管VD1，通過比較器 IC1輸出接至EXB841的腳6，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，提高電流檢測的準確性。如果發生過流，驅動器 EXB841的低速切斷電路慢速關斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈衝損壞IGBT器件。

圖8(a)是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路

，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中
，次級感應的過流信號經 整流後送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓進行比較
，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控製器UC3525的輸 出控製腳10。不過流時，VAVref，VB為高電平，C3充電使VC>Vref
，IC2輸出高電平（大於1.4V）
，關閉PWM控製電路。因無驅 動信號
，IGBT關閉，而電源停止工作

，電流傳感器無電流流過，使VA參數，使PWM驅動信號關閉時間t2>>t1，可保證電源進入睡眠狀 態。正反饋電阻R7保證IC2隻有高
、低電平兩種狀態，D5，R1
，C3充放電電路
，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開 通、關斷而損壞。

圖9是利用IGBT（V1）過流集電極電壓檢測和電流傳感器檢測的綜合保護電路，電路工作原理是：負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，V1的 Vce增大，V3門極驅動電流經R2，R3分壓器使V3導通，IGBT柵極電壓由VD3所限製而降壓
，限製IGBT峰值電流幅度，同時經R5C3延遲使 V2導通

，送去軟關斷信號。另一方麵，在短路時經電流傳感器檢測短路電流，經比較器IC1輸出的高電平使V3導通進行降柵壓，V2導通進行軟關斷。

此外，還可以應用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理

，采用軟降柵壓
、軟ruan關guan斷duan及ji降jiang低di工gong作zuo頻pin率lv保bao護hu技ji術shu的de短duan路lu保bao護hu電dian路lu。開kai關guan電dian源yuan保bao護hu功gong能neng雖sui屬shu電dian源yuan裝zhuang置zhi電dian氣qi性xing能neng要yao求qiu的de附fu加jia功gong能neng，但dan在zai惡e劣lie環huan境jing及ji意yi外wai事shi故gu條tiao件jian下xia
，保bao護hu電dian路lu是shi否fou完wan善shan並bing按an預yu定ding設she置zhi 工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。驗收技術指標時，應對保護功能進行驗證。

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)和(he)電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)具(ju)有(you)多(duo)樣(yang)性(xing)，但(dan)對(dui)具(ju)體(ti)電(dian)源(yuan)裝(zhuang)置(zhi)而(er)言(yan)，應(ying)選(xuan)擇(ze)合(he)理(li)的(de)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)和(he)電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)
，以(yi)使(shi)得(de)在(zai)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)真(zhen)正(zheng)有(you)效(xiao)地(di)實(shi)現(xian)保(bao)護(hu)。

6 結束語

開kai關guan電dian源yuan保bao護hu功gong能neng雖sui屬shu電dian源yuan裝zhuang置zhi電dian氣qi性xing能neng要yao求qiu的de附fu加jia功gong能neng
，但dan在zai惡e劣lie環huan境jing及ji意yi外wai事shi故gu條tiao件jian下xia
，保bao護hu電dian路lu是shi否fou完wan善shan並bing按an預yu定ding設she置zhi工gong作zuo，對dui電dian源yuan裝zhuang置zhi的de安an全quan性xing和he可ke靠kao性xing至zhi關guan重zhong要yao。驗yan收shou技ji術shu指zhi標biao時shi，應ying對dui保bao護hu功gong能neng進jin行xing驗yan證zheng。

開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)和(he)電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)具(ju)有(you)多(duo)樣(yang)性(xing)，但(dan)對(dui)具(ju)體(ti)電(dian)源(yuan)裝(zhuang)置(zhi)而(er)言(yan)，應(ying)選(xuan)擇(ze)合(he)理(li)的(de)保(bao)護(hu)方(fang)案(an)和(he)電(dian)路(lu)結(jie)構(gou)
，以(yi)使(shi)得(de)在(zai)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)真(zhen)正(zheng)有(you)效(xiao)地(di)實(shi)現(xian)保(bao)護(hu)。

開關電源保護電路設計完成後，必須先對開關電源進行老化實驗
，再驗證各種保護電路的功能。