开关电源常用的几种保护电路

评估开关电源的质量指标应该是以安全性、牢靠性为榜首原则。在电气技能指标满意正常运用请求的条件下,为使电源在恶劣环境及突发毛病状况下安全牢靠地作业,有必要规划多种维护电路,比方防浪涌的软启动,防过压、欠压、过热、过流、短路、缺持平维护电路。开关电源常用的几种维护电路如下:

1、防浪涌软启动电路

开关电源的输入电路大都选用电容滤波型整流电路,在进线电源合闸刹那间,因为电容器上的初始电压为零,电容器充电刹那间会构成很大的浪涌电流,特别是大功率开关电源,选用容量较大的滤波电容器,使浪涌电流达100A以上。在电源接通刹那间如此大的浪涌电流,重者往往会致使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。上述景象均会构成开关电源无法正常作业,为此简直一切的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路,以确保电源正常而牢靠运转。

选用晶闸管V和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。在电源接通刹那间,输入电压经整流桥(D1~D4)和限流电阻R1对电容器C充电,约束浪涌电流。当电容器C充电到约80%额外电压时,逆变器正常作业。经主变压器辅佐绕组发作晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R1,开关电源处于正常运转状况。

选用继电器K1和限流电阻R1构成的防浪涌电流电路。电源接通刹那间,输入电压经整流(D1~D4)和限流电阻R1对滤波电容器C1充电,防止接通刹那间的浪涌电流,一起辅佐电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K1线包的电容器C2充电,当C2上的电压到达继电器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,电源进入正常运转状况。限流的推迟时刻取决于时刻常(R2C2),一般挑选为0.3~0.5s。为了进步推迟时刻的准确性及防止继电器动作颤动振动,推迟电路可选用图3所示电路代替RC推迟电路。

2、过压、欠压及过热维护电路

进线电源过压及欠压对开关电源构成的损害,首要表如今器材因接受的电压及电流应力超出正常运用的规模而损坏,一起因电气功能指标被损坏而不能满意请求。因而对输入电源的上限和下限要有所约束,为此选用过压、欠压维护以进步电源的牢靠性和安全性。

温度是影响电源设备牢靠性的最重要因素。依据有关材料剖析标明,电子元器材温度每增加2℃,牢靠性下降10%,温升50℃时的作业寿数只需温升25℃时的1/6,为了防止功率器材过热构成损坏,在开关电源中亦需要设置过热维护电路。

仅用一个4对比器LM339及几个分立元器材构成的过压、欠压、过热维护电路。取样电压能够直接从辅佐操控电源整流滤波后取得,它反映输入电源电压的改变,对比器共用一个基准电压,N1.1为欠压对比器,N1.2为过压对比器,调整R1能够调理过、欠压的动作阈值。N1.3为过热对比器,RT为负温度系数的热敏电阻,它与R7构成分压器,紧贴于功率开关器材IGBT的表面,温度增加时,RT阻值下降,恰当挑选R7的阻值,使N1.3在设定的温度阈值动作。N1.4用于外部毛病应急关机,当其正向端输入低电平时,对比器输出低电平封闭PWM驱动信号。因为4个对比器的输出端是并联的,无论是过压、欠压、过热任何一种毛病发作,对比器输出低电平,封闭驱动信号使电源停止作业,完结维护。如将电路稍加改变,亦可使对比器输出高电平封闭驱动信号。

3、缺相维护电路

因为电网本身原因或电源输入接线不牢靠,开关电源有时会呈现缺相运转的状况,且掉相运转不易被及时发现。当电源处于缺相运转时,整流桥某一臂无电流,而其它臂会严峻过流构成损坏,一起使逆变器作业呈现异常,因而有必要对缺相进行维护。检查电网缺相一般选用电流互感器或电子缺相检查电路。因为电流互感器检查本钱高、体积大,故开关电源中一般选用电子缺相维护电路。图5是一个简略的电子缺相维护电路。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点电位举高,光耦输出高电平,经对比器进行对比,输出低电平,封闭驱动信号。对比器的基准可调,以便调理缺相动作阈值。该缺相维护适用于三相四线制,而不适用于三相三线制。电路稍加改变,亦可用高电平封闭PWM信号。

一种用于三相三线制电源缺相维护电路,A、B、C缺任何一相,光耦器输出电平低于对比器的反相输入端的基准电压,对比器输出低电平,封闭PWM驱动信号,封闭电源。对比器输入极性稍加改变,亦可用高电平封闭PWM信号。这种缺相维护电路选用光耦阻隔强电,安全牢靠,RP1、RP2用于调理缺相维护动作阈值。

4、短路维护

开关电源同其它电子设备相同,短路是最严峻的毛病,短路维护是不是牢靠,是影响开关电源牢靠性的重要因素。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、电流容量大及管压下降的特色,是现在中、大功率开关电源最普遍运用的电力电子开关器材。IGBT能够接受的短路时刻取决于它的饱和压降和短路电流的巨细,一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不只使短路接受时刻缩短,并且使关断时电流下降率di/dt过大,因为漏感及引线电感的存在,致使IGBT集电极过电压,该过电压可在器材内部发作擎住效应使IGBT确定失效,一起高的过电压会使IGBT击穿。因而,当呈现短路过流时,有必要采纳有用的维护措施。为了完结IGBT的短路维护,则有必要进行过流检查。适用IGBT过流检查的办法,一般是选用霍尔电流传感器直接检查IGBT的电流Ic,然后与设定的阈值对比,用对比器的输出去操控驱动信号的关断;或许选用直接电压法,检查过流时IGBT的电压降Vce,因为管压降富含短路电流信息,过流时Vce增大,且基本上为线性关系,检查过流时的Vce并与设定的阈值进行对比,对比器的输出操控驱动电路的关断。在短路电流呈现时,为了防止关断电流的di/dt过大构成过电压,致使IGBT确定无效和损坏,以及为了下降电磁搅扰,一般选用软降栅压和软关断归纳维护技能。在检查到过流信号后首先是进入降栅维护程序,以下降毛病电流的幅值,延伸IGBT的短路接受时刻。在降栅动作后,设定一个固定推迟时刻用以判别毛病电流的真实性,如在推迟时刻内毛病不见则栅压主动康复,如毛病依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。因为在降栅压程序期间集电极电流已减小,故软关断时不会呈现过大的短路电流下降率和过高的过电压。选用软降栅压及软关断栅极驱动维护,使毛病电流的幅值和下降率都能受到约束,过电压下降,IGBT的电流、电压运转轨道能确保在安全区内。

在规划降栅压维护电路时,要准确挑选降栅压起伏和速度,假如降栅压起伏大(比方7.5V),降栅压速度不要太快,一般可选用2μs下降时刻的软降栅压,因为降栅压起伏大,集电极电流已经较小,在毛病状况封闭栅极可快些,不用选用软关断;假如降栅压起伏较小(比方5V以下),降栅速度可快些,而封闭栅压的速度有必要慢,即选用软关断,以防止过电压发作。为了使电源在短路毛病状况不中止作业,又能防止在原作业频率下接连进行短路维护发作热堆集而构成IGBT损坏,选用降栅压维护即可不用在一次短路维护当即封闭电路,而使作业频率下降(比方1Hz摆布),构成间歇“打嗝”的维护办法,毛病消除后即康复正常作业。
下面介绍几种IGBT短路维护的有用电路及作业原理。

运用IGBT过流时Vce增大的原理进行维护的电路,用于专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能极好地完结降栅及软关断,并具有内部推迟功用,以消除搅扰发作的误动作。富含IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监督脚6,而是经迅速康复二极管VD1,经过对比器IC1输出接至EXB841的脚6,其目的是为了消除VD1正向压降随电流不一样而异,选用阈值对比器,进步电流检查的准确性。假如发作过流,驱动器EXB841的低速堵截电路慢速关断IGBT,以防止集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器材。

运用电流传感器进行过流检查的IGBT维护电路,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对比器IC1的同相输入端,与反相端的基准电压进行对比,IC1的输出送至具有正反馈的对比器IC2,其输出接至PWM操控器UC3525的输出操控脚10。不过流时,VA

(a) 电路原理图
 
(b) PWM操控电路的输出驱动波形图

当呈现过流时,电流传感器检查的整流电压增加,VA>Vref,VB为高电平,C3充电使VC>Vref,IC2输出高电平(大于1.4V),封闭PWM操控电路。因无驱动信号,IGBT封闭,而电源停止作业,电流传感器无电流流过,使VA>t1,可确保电源进入睡眠状况。正反馈电阻R7确保IC2只需高、低电平两种状况,D5,R1,C3充放电电路,确保IC2输出不致在高、低电平之间频频改变,即IGBT不致频频注册、关断而损坏。

运用电流传感器进行过流检查的IGBT维护电路图9是运用IGBT(V1)过流集电极电压检查和电流传感器检查的归纳维护电路,电路作业原理是:负载短路(或IGBT因其它毛病过流)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所约束而降压,约束IGBT峰值电流起伏,一起经R5C3推迟使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查短路电流,经对比器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压,V2导通进行软关断。

运用检查IGBT集电极电压的过流维护原理,选用软降栅压、软关断及下降作业频率维护技能的短路维护电路。

正常作业状况,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作业在正常开关状况。发作短路毛病时,IGBT集电极电压增大,因为Vce增大,对比器IC1输出高电平,V5导通,IGBT完结软降栅压,降栅压起伏由稳压管VD2决议,软降栅压时刻由R6C1构成2μs。一起IC1输出的高电平经R7对C2进行充电,当C2上电压到达稳压管VD4的击穿电压时,V6导通并由R9C3构成约3μs的软关断栅压,软降栅压至软关断栅压的推迟时刻由时刻常数R7C2决议,一般挑选在5~15μs。V5导通时,V7经C4R10电路流过基极电流而导通约20μs,在降栅压维护后将输入驱动信号闭锁一段时刻,不再响应输入端的关断信号,以防止在毛病状况下构成硬关断过电压,使驱动电路在毛病存在的状况下能履行一个完好的降栅压和软关断维护过程。

V7导通时,光耦IC5导通,时基电路IC2的触发脚2取得负触发信号,555输出脚3输出高电平,V9导通,IC3被封闭,封闭时刻由守时元件R15C5决议(约1.2s),使作业频率降至1Hz以下,驱动器的输出信号将作业在所谓的“打嗝”状况,防止了发作短路毛病后仍作业在本来的频率下,接连进行短路维护致使热堆集而构成IGBT损坏。只需毛病不见,电路又能康复到正常作业状况。
开关电源维护功用虽属电源设备电气功能请求的附加功用,但在恶劣环境及意外事故条件下,维护电路是不是完善并按预订设置作业,对电源设备的安全性和牢靠性至关重要。检验技能指标时,应对维护功用进行验证。

开关电源的维护计划和电路构造具有多样性,但对详细电源设备而言,应挑选合理的维护计划和电路构造,以使得在毛病条件下真实有用地完结维护。文中所述的维护电路能够灵敏组合运用,以简化电路构造和下降本钱。


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