【導(dǎo)讀】電路中經(jīng)常會(huì)通過(guò)較大的電流，這就造成了電路中存在很多不確定的因素。為了避免這些因素對(duì)電路或者重要器件的損傷，保護(hù)電路應(yīng)運(yùn)而生。保護(hù)電路在逆變電源這種經(jīng)常需要進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換的器件中顯得尤為重要。本篇文章就將為大家介紹逆變電源中的幾種重要的保護(hù)電路設(shè)計(jì)，并針對(duì)其原理進(jìn)行較為詳細(xì)的分析和講解。
防反接保護(hù)電路
如果逆變器沒(méi)有防反接電路，在輸入電池接反的情況下往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，輕則燒毀保險(xiǎn)絲，重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護(hù)電路主要有三種：反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路，如圖1所示。
圖1
由圖1可以看出，當(dāng)電池接反時(shí)，肖特基二極管D導(dǎo)通，F(xiàn)被燒毀。如果后面是推挽結(jié)構(gòu)的主變換電路，兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管的寄生二極管的也相當(dāng)于和D并聯(lián)，但壓降比肖特基大得多，耐瞬間電流的沖擊能力也低于肖特基二極管D，這樣就避免了大電流通過(guò)MOS管的寄生二極管，從而保護(hù)了兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管。
這種防反接保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)影響效率，但保護(hù)后會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲F，需要重新更換才能恢復(fù)正常工作。
采用繼電器的防反接保護(hù)電路，基本電路如圖2：
圖2
由圖中可以看出，如果電池接反，D反偏，繼電器K的線圈沒(méi)有電流通過(guò)，觸點(diǎn)不能吸合，逆變器供電被切斷。這種防反接保護(hù)電路效果比較好，不會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲F，但體積比較大，繼電器的觸點(diǎn)的壽命有限。
采用MOS管的防反接保護(hù)電路，基本電路如下圖3：
圖3
圖3中D為防反接MOS的寄生二極管，便于分析原理畫(huà)出來(lái)了。當(dāng)電池極性未接反時(shí)，D正偏導(dǎo)通，Q的GS極由電池正極經(jīng)過(guò)F、R1、D回到電池負(fù)極得到正偏而導(dǎo)通。Q導(dǎo)通后的壓降比D的壓降小得多，所以Q導(dǎo)通后會(huì)使D得不到足夠的正向電壓而截至;
當(dāng)電池極性接反時(shí)，D會(huì)由于反偏而截至，Q也會(huì)由于GS反偏而截至，逆變器不能啟動(dòng)。這種防反接保護(hù)電路由于沒(méi)有采用機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)而具有比較長(zhǎng)的使用壽命，也不會(huì)像反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路那樣燒毀保險(xiǎn)絲F.因而得到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是MOS導(dǎo)通時(shí)具有一定的損耗。足夠暢通無(wú)阻地通過(guò)比較大的電流還保持比較低的損耗。
電池欠壓保護(hù)
為了防止電池過(guò)度放電而損壞電池，我們需要讓電池在電壓放電到一定電壓的時(shí)候逆變器停止工作，需要指出的一點(diǎn)是，電池欠壓保護(hù)太靈敏的話會(huì)在啟動(dòng)沖擊性負(fù)載時(shí)保護(hù)。這樣逆變器就難以起動(dòng)這類(lèi)負(fù)載了，尤其在電池電量不是很充足的情況下。請(qǐng)看下面的電池欠壓保護(hù)電路。
可以看出這個(gè)電路由于加入了D1、C1能夠使電池取樣電壓快速建立，延時(shí)保護(hù)。
圖 4
逆變器的過(guò)流短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：
大家知道，逆變器的過(guò)流短路保護(hù)電路在逆變器的安全中是至關(guān)重要的，如果沒(méi)有過(guò)流短路保護(hù)逆變器很可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)流短路而燒毀。
下面先來(lái)分析一下負(fù)載的特性，現(xiàn)實(shí)生活中的負(fù)載大多數(shù)是沖擊性負(fù)載，例如熾燈泡，在冷態(tài)時(shí)的電阻要比點(diǎn)亮?xí)r低很多，像電腦，電視機(jī)等整流性負(fù)載，由于輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流后要用一個(gè)比較大的電容濾波，因而沖擊電流比較大。還有冰箱等電機(jī)感性負(fù)載，電機(jī)從靜止到正常轉(zhuǎn)動(dòng)也需要用電力產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩因而起動(dòng)電流也比較大。
如果我們的逆變器只能設(shè)定一個(gè)能長(zhǎng)期工作的額定輸出功率的話，在起動(dòng)功率大于這個(gè)額定輸出功率的負(fù)載就不能起動(dòng)了，這就需要按照起動(dòng)功率來(lái)配備逆變器了，這顯然是一種浪費(fèi)。實(shí)際中，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)流短路保護(hù)電路時(shí)我們會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)保護(hù)點(diǎn)，額定功率和峰值功率。一般峰值功率設(shè)定為額定功率2-3倍。時(shí)間上額定功率是長(zhǎng)時(shí)間工作不會(huì)保護(hù)的，峰值功率一般只維持到幾秒就保護(hù)了。下面以過(guò)流短路保護(hù)電路為例講解下：
圖5
R5為全橋高壓逆變MOS管源極的高壓電流取樣電阻，我們可以這么理解，高壓電流的大小基本上決定了輸出功率的大小，所以我們用R5檢測(cè)高壓電流的大小。圖5中LM339的兩個(gè)比較器單元我們分別用來(lái)做過(guò)流和短路檢測(cè)。
先看由IC3D及其外圍元件組成的過(guò)流保護(hù)電路，IC3D的8腳設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，由R33、VR4、R56、R54分壓決定其值U8=5*(R33+VR4)/(R33+VR4+R56+R54)。當(dāng)R5上的電壓經(jīng)過(guò)R24、C17延時(shí)后超過(guò)8腳電壓14腳輸出高電平通過(guò)D7隔離到IC3B的5腳。4腳兼做電池欠壓保護(hù)，正常時(shí)5腳電壓低于4腳，過(guò)流后5腳電壓高于4腳，2腳輸出高電平控制后級(jí)的高壓MOS關(guān)斷，當(dāng)然也可以控制前級(jí)的MOS一起關(guān)斷。D8的作用是過(guò)流短路或電池欠壓后正反饋鎖定2腳為高電平。
再看IC3C組成的短路保護(hù)電路，原理和過(guò)流保護(hù)差不多，只是延時(shí)的時(shí)間比較短，C19的容量很小，加上LM339的速度很快，可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)在幾個(gè)微秒內(nèi)關(guān)斷，有效地保護(hù)了高壓MOS管的安全。順便說(shuō)的一點(diǎn)是短路保護(hù)點(diǎn)要根據(jù)MOS管的ID，安全區(qū)域和回路雜散電阻等參數(shù)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)電流在ID以內(nèi)，動(dòng)作時(shí)間在30微秒以內(nèi)是比較安全的。
IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)
IGBT作為一種新型的功率器件，具有電壓和電流容量高等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)高于雙極型晶體管而略低于MOS管，因而廣泛地應(yīng)用在各種電源領(lǐng)域里，在中大功率逆變器中也得到廣泛應(yīng)用。
IGBT的缺點(diǎn)，一是集電極電流有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(zhǎng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負(fù)的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差，如果像保護(hù)MOS管一樣在很大的短路電流的時(shí)候快速關(guān)斷MOS管極可能在集電極引起很高的DI/DT，使UCE由于引腳和回路雜散電感的影響感應(yīng)出很高的電壓而損壞。
No.5 IGBT的缺點(diǎn)，一是集電極電流有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(zhǎng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負(fù)的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差，如果像保護(hù)MOS管一樣在很大的短路電流的時(shí)候快速關(guān)斷MOS管極可能在集電極引起很高的DI/DT，使UCE由于引腳和回路雜散電感的影響感應(yīng)出很高的電壓而損壞。
IGBT的短路保護(hù)一般是檢測(cè)CE極的飽和壓降實(shí)現(xiàn)，當(dāng)集電極電流很大或短路時(shí)，IGBT退出飽和區(qū)，進(jìn)入放大區(qū)。上面說(shuō)過(guò)這時(shí)我們不能直接快速關(guān)斷IGBT，我們可以降低柵極電壓來(lái)減小集電極的電流以延長(zhǎng)保護(hù)時(shí)間的耐量和減小集電極的DI/DT。如果不采取降低柵極電壓來(lái)減小集電極的電流這個(gè)措施的話2V以下飽和壓降的IGBT的短路耐量只有5μS。3V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約10-15μS，4-5V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約是30μS。
還有一點(diǎn)，降柵壓的時(shí)間不能過(guò)快，一般要控制在2μS左右，也就是說(shuō)為了使集電極電流從很大的短路電流降到過(guò)載保護(hù)的1.2-1.5倍一般要控制在2μS左右，不能過(guò)快，在過(guò)載保護(hù)的延時(shí)之內(nèi)如果短路消失的話是可以自動(dòng)恢復(fù)的，如果依然維持在超過(guò)過(guò)載保護(hù)電流的話由過(guò)載保護(hù)電路關(guān)斷IGBT。
所以IGBT的短路保護(hù)一般是配合過(guò)載保護(hù)的，下面是一個(gè)TLP250增加慢降柵壓的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)的應(yīng)用電路圖：
圖6
圖6中電路正常工作時(shí)，ZD1的負(fù)端的電位因D2的導(dǎo)通而使ZD1不足以導(dǎo)通Q1截止;D1的負(fù)端為高電平所以Q3也截止。C1未充電，兩端的電位為0。IGBTQ3短路后退出飽和狀態(tài)，集電極電位迅速上升，D2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，ZD1被擊穿，C2能夠使Q1的開(kāi)通有一小段的延時(shí)，使得Q3導(dǎo)通時(shí)可以有一小段的下降時(shí)間，避免了正常工作時(shí)保護(hù)電路的誤保護(hù)。ZD1被擊穿后Q1由于C2的存在經(jīng)過(guò)一段很短的時(shí)間后延時(shí)導(dǎo)通，C1開(kāi)始通過(guò)R4、Q1充電，D1的負(fù)端電位開(kāi)始下降，當(dāng)D1的負(fù)端電位開(kāi)始
下降到D1與Q3be結(jié)的壓降之和時(shí)Q3開(kāi)始導(dǎo)通，Q2、Q4基極電位開(kāi)始下降，Q3的柵極電壓也開(kāi)始下降。當(dāng)C1充電到ZD2的擊穿電壓時(shí)ZD2被擊穿，C1停止充電，降柵壓的過(guò)程也結(jié)束，柵極電壓被鉗位在一個(gè)固定的電平上。Q3的集電極電流也被降低到一個(gè)固定的水平上。
本篇文章從防反接、IGBT驅(qū)動(dòng)和短路、電池欠壓等三個(gè)方面講解了逆變電源中保護(hù)電路，通過(guò)對(duì)這三種保護(hù)形勢(shì)的講解，希望能夠幫助大家逆變電源中的保護(hù)電路有進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，從而方便自己的設(shè)計(jì)。
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