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開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的研究(2)

2011年09月26日 09:56 本站整理 作者:網(wǎng)絡(luò) 用戶評(píng)論(0

3 過(guò)壓、欠壓及過(guò)熱保護(hù)電路

  進(jìn)線電源過(guò)壓及欠壓對(duì)開(kāi)關(guān)電源造成的危害,主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流能力超出正常使用的范圍而損壞,同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。因此對(duì)輸入電源的上限和下限要有所限制,為此采用過(guò)壓、欠壓保護(hù)以提高電源的可靠性和安全性。

  溫度是影響電源設(shè)備可靠性的最重要因素。根據(jù)有關(guān)資料分析表明[5],電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%,溫升50℃時(shí)的工作壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6,為了避免功率器件過(guò)熱造成損壞,在開(kāi)關(guān)電源中亦需要設(shè)置過(guò)熱保護(hù)電路。

 


圖4  過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)電路

  圖4是僅用一個(gè)4比較器LM339及幾個(gè)分立元器件構(gòu)成的過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱保護(hù)電路。取樣電壓可以直接從輔助控制電源整流濾波后取得,它反映輸入電源電壓的變化,比較器共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓,N1.1為欠壓比較器,N1.2為過(guò)壓比較器,調(diào)整R1可以調(diào)節(jié)過(guò)、欠壓的動(dòng)作閾值。N1.3為過(guò)熱比較器,RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,它與R7構(gòu)成分壓器,緊貼于功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的表面,溫度升高時(shí),RT阻值下降,適當(dāng)選取R7的阻值,使N1.3在設(shè)定的溫度閾值動(dòng)作。N1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機(jī),當(dāng)其正向端輸入低電平時(shí),比較器輸出低電平封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于4個(gè)比較器的輸出端是并聯(lián)的,無(wú)論是過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱任何一種故障發(fā)生,比較器輸出低電平,封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電源停止工作,實(shí)現(xiàn)保護(hù)。如將電路稍加變動(dòng),亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4 缺相保護(hù)電路

  由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠,開(kāi)關(guān)電源有時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺相運(yùn)行的情況,且掉相運(yùn)行不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源處于缺相運(yùn)行時(shí),整流橋某一臂無(wú)電流,而其它臂會(huì)嚴(yán)重過(guò)流造成損壞,同時(shí)使逆變器工作出現(xiàn)異常,因此,必須對(duì)缺相進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測(cè)電路。由于電流互感器檢測(cè)成本高、體積大,故開(kāi)關(guān)電源中一般采用電子缺相保護(hù)電路。圖5是一個(gè)簡(jiǎn)單的缺相保護(hù)電路。三相平衡時(shí),R1~R3結(jié)點(diǎn)H電位很低,光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)缺相時(shí),H點(diǎn)電位抬高,光耦輸出高電平,經(jīng)比較器進(jìn)行比較,輸出低電平,封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。比較器的基準(zhǔn)可調(diào),以便調(diào)節(jié)缺相動(dòng)作閾值。該缺相保護(hù)適用于三相四線制,而不適用于三相三線制。電路稍加變動(dòng),亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。

 


圖5 三相四線制的缺相保護(hù)電路

  圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護(hù)電路,A、B、C缺任何一相,光耦器輸出電平低于比較器的反相輸入端的基準(zhǔn)電壓,比較器輸出低電平,封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動(dòng),亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。這種缺相保護(hù)電路采用光耦隔離強(qiáng)電,安全可靠,RP1、RP2用于調(diào)節(jié)缺相保護(hù)動(dòng)作閾值。

 

 

圖6 三相三線制的缺相保護(hù)電路

5 短路保護(hù)

  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(絕緣柵雙極型晶體管)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)電源最普遍使用的電力電子開(kāi)關(guān)器件[6]。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μs至幾十μs。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 過(guò)大,由于漏感及引線電感的存在,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ⅲ^(guò)流時(shí)Vce增大,且基本上為線性關(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 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(shí)間的軟降柵壓,由于降柵壓幅度大,集電極電流已經(jīng)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(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。下面是幾種IGBT短路保護(hù)的實(shí)用電路及工作原理。

  (1)利用IGBT的Vce設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路

 


圖7  采用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)

  圖7是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)的電路,用于專用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷,并具有內(nèi)部延遲功能,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的集電極電壓監(jiān)視腳6,而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1,通過(guò)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(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。

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