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[!--downpath--]開關電源過流、短路保護原理
過流漏電似乎是一個原理，通過在輸出端串接一個測量阻值，將須要保護的電壓值轉化為電流值，將此電流值送入集電極，與基準電流比較，即可得出一個訊號，拿來控制保護是否啟動。過流都可以保護了，那漏電似乎就是過流的極限狀態，只是此時因為漏電，輸出電流沒有了，這時顆配合中級的的限流阻值控制最大輸出功率，就可實現漏電保護。
常見電源保護電路解析
評價開關電源的質量指標應當是以安全性、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，例如防浪涌的軟啟動，防缺相、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。開關電源常用的幾種保護電路如下：
1、防浪涌軟啟動電路
開關電源的輸入電路大都采用電容檢波型檢波電路怎么防止電流過大，在進線電源跳閘頓時，因為電容器上的初始電流為零，電容器充電頓時會產生很大的浪涌電壓，非常是大功率開關電源，采用容量較大的混頻電容器，使浪涌電壓達100A以上。在電源接通頓時這么大的浪涌電壓，重者常常會引起輸入繼電器燒斷或跳閘開關的觸點燒毀，檢波橋過流損毀；輕者也會使空氣開關合不上閘。上述現象均會導致開關電源未能正常工作，因此幾乎所有的開關電源都設置了避免流涌電壓的軟啟動電路，以保證電源正常而可靠運行。
圖1是采用二極管V和限流內阻R1組成的防浪涌電壓電路。在電源接通頓時，輸入電流經檢波橋（D1～D4）和限流內阻R1對電容器C充電，限制浪涌電壓。當電容器C充電到約80％額定電流時，逆變器正常工作。經主變壓器輔助定子形成二極管的觸發訊號，使二極管導通并漏電限流內阻R1，開關電源處于正常運行狀態。
圖1采用二極管和限流內阻組成的軟啟動電路
圖2是采用熔斷器K1和限流內阻R1構成的防浪涌電壓電路。電源接通頓時，輸入電流經檢波（D1～D4）和限流內阻R1對混頻電容器C1充電，避免接通頓時的浪涌電壓，同時輔助電源Vcc經內阻R2對并接于熔斷器K1線包的電容器C2充電，當C2上的電流達到熔斷器K1的動作電流時，K1動作，其觸點K1.1閉合而旁路限流內阻R1，電源步入正常運行狀態。限流的延后時間取決于時間常（R2C2），一般選定為0.3～0.5s。為了提升延后時間的確切性及避免熔斷器動作晃動振蕩，延后電路可采用圖3所示電路取代RC延后電路。
圖2采用熔斷器K1和限流內阻構成的軟啟動電路
圖3代替RC的延后電路
2、過壓、欠壓及過熱保護電路
進線電源缺相及欠壓對開關電源導致的害處，主要表現在元件因承受的電流及電壓撓度超出正常使用的范圍而受損，同時因電氣性能指標被破壞而不能滿足要求。因而對輸入電源的上限和下限要有所限制，因此采用缺相、欠壓保護以提升電源的可靠性和安全性。
室溫是影響電源設備可靠性的最重要誘因。按照有關資料剖析表明，電子元元件氣溫每下降2℃，可靠性增長10％，溫升50℃時的工作壽命只有溫升25℃時的1/6，為了防止功率元件過熱導致受損，在開關電源中亦須要設置過熱保護電路。
圖4缺相、欠壓、過熱保護電路
圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元元件構成的缺相、欠壓、過熱保護電路。采樣電流可以直接從輔助控制電源檢波檢波后取得，它反映輸入電源電流的變化，比較器共用一個基準電流，N1.1為欠壓比較器，N1.2為缺相比較器，調整R1可以調節過、欠壓的動作閥值。N1.3為過熱比較器，RT為負氣溫系數的熱敏內阻，它與R7構成份壓器，貼近于功率開關元件IGBT的表面，氣溫下降時，RT電阻升高，適當選定R7的電阻，使N1.3在設定的氣溫閥值動作。N1.4用于外部故障應急死機，當其正向端輸入低電平時，比較器輸出低電平封鎖PWM驅動訊號。因為4個比較器的輸出端是并聯的，無論是缺相、欠壓、過熱任何一種故障發生，比較器輸出低電平，封鎖驅動訊號使電源停止工作，實現保護。如將電路稍加變動，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅動訊號。
3、缺相保護電路
因為電網自身緣由或電源輸入接線不可靠，開關電源有時會出現過壓運行的情況，且掉相運行不易被及時發覺。當電源處于相線運行時，檢波橋某一臂無電壓，而其它臂會嚴重過流導致受損，同時使逆變器工作出現異常，因而必須對相線進行保護。檢查電網相線一般采用電壓互感器或電子相線測量電路。因為電壓互感器檢查成本高、體積大，故開關電源中通常采用電子過壓保護電路。圖5是一個簡單的電子過壓保護電路。單相平衡時，R1～R3結點H電位很低，晶閘管合輸出近似為零電平。當過壓時，H點電位抬升，晶閘管輸出高電平，經比較器進行比較怎么防止電流過大，輸出低電平，封鎖驅動訊號。比較器的基準可調，便于調節過壓動作閥值。該過壓保護適用于單相四線制，而不適用于單相三線制。電路稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM訊號。
圖5單相四線制的過壓保護電路
圖6是一種用于單相三線制電源過壓保護電路，A、B、C缺任何一相，晶閘管器輸出電平高于比較器的反相輸入端的基準電流，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅動訊號，關掉電源。比較器輸入極性稍加變動，亦可用高電平封鎖PWM訊號。這些過壓保護電路采用晶閘管隔離弱電，安全可靠，RP1、RP2用于調節過壓保護動作閥值。
圖6單相三線制的過壓保護電路
4、短路保護
開關電源同其它電子裝置一樣，漏電是最嚴重的故障，漏電保護是否可靠，是影響開關電源可靠性的重要誘因。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流、電流容量大及管壓增加的特性，是目前中、大功率開關電源最普遍使用的電力電子開關元件。IGBT能否承受的漏電時間取決于它的飽和壓降和漏電電壓的大小，通常僅為幾μs至幾十μs。漏電電壓過大除了使漏電承受時間減短，并且使關斷時電壓升高率di/dt過大，因為漏感及引線電感的存在，造成IGBT柵極過電流，該過電流可在元件內部形成擎住效應使IGBT鎖定失效，同時高的過電流會使IGBT擊穿。因而，當出現漏電過流時，必須采取有效的保護舉措。為了實現IGBT的漏電保護，則必須進行過流檢查。適用IGBT過流檢查的方式，一般是采用霍爾電壓傳感直接測量IGBT的電壓Ic，之后與設定的閥值比較，用比較器的輸出去控制驅動訊號的關斷；或則采用間接電流法，測量過流時IGBT的電壓降Vce，由于管壓降富含漏電電壓信息，過流時Vce減小，且基本上為線性關系，檢查過流時的Vce并與設定的閥值進行比較，比較器的輸出控制驅動電路的關斷。在漏電電壓出現時，為了防止關斷電壓的di/dt過大產生過電流，造成IGBT鎖定無效和毀壞，以及為了增加電磁干擾，一般采用軟降柵壓和軟關斷綜合保護技術。在測量到過流訊號后首先是步入降柵保護程序，以減少故障電壓的幅值，延長IGBT的漏電承受時間。在降柵動作后，設定一個固定延后時間用以判定故障電壓的真實性，如在延后時間內故障消失則柵壓手動恢復，如故障一直存在則進行軟關斷程序，使柵壓降至0V以下，關斷IGBT的驅動訊號。因為在降柵壓程序階段基極電壓已減少，故軟關斷時不會出現過大的漏電電壓升高率和過低的過電流。采用軟降柵壓及軟關斷電樞驅動保護，使故障電壓的幅值和增長率都能遭到限制，過電流增加，IGBT的電壓、電壓運行軌跡能保證在安全區內。
在設計降柵壓保護電路時，要正確選擇降柵壓幅度和速率，假如降柵壓幅度大（例如7.5V），降柵壓速率不要太快，通常可采用2μs增長時間的軟降柵壓，因為降柵壓幅度大，基極電壓早已較小，在故障狀態封鎖載流子可快些，何必采用軟關斷；假如降柵壓幅度較小（例如5V以下），降柵速率可快些，而封鎖柵壓的速率必須慢，即采用軟關斷，以防止過電流發生。為了使電源在漏電故障狀態不中斷工作，又能避開在原工作頻度下連續進行漏電保護形成熱積累而導致IGBT受損，采用降柵壓保護即可毋須在一次漏電保護立刻封鎖電路，而使工作頻度增加（例如1Hz左右），產生間歇“打嗝”的保護方式，故障清除后即恢復正常工作。
下邊介紹幾種IGBT漏電保護的實用電路及工作原理。
圖7是借助IGBT過流時Vce減小的原理進行保護的電路，用于專用驅動器。內部電路能挺好地完成降柵及軟關斷，并具有內部延后功能，以清除干擾形成的誤動作。富含IGBT過流信息的Vce不直接送至的基極電流監視腳6，而是經快速恢復晶閘管VD1，通過比較器IC1輸出接至的腳6，其目的是為了清除VD1正向壓降隨電壓不同而異，采用閥值比較器，提升電壓測量的確切性。倘若發生過流，驅動器的低速切斷電路慢速關斷IGBT，以防止基極電壓尖峰脈沖毀壞IGBT元件。
圖7采用IGBT過流時Vce減小的原理進行保護
圖8是借助電壓傳感進行過流檢查的IGBT保護電路，電壓傳感（SC）中級（1匝）串接在IGBT的柵極電路中，次級感應的過流訊號經檢波后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電流進行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器的輸出控制腳10。不過流時，VA《Vref，VB=0.2V，VC《Vref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。
（a）電路原理圖
（b）PWM控制電路的輸出驅動波形圖
圖8借助電壓傳感進行過流檢查的IGBT保護電路
當出現過流時，電壓傳感檢查的檢波電流下降，VA》Vref，VB為高電平，C3充電使VC》Vref，IC2輸出高電平（小于1.4V），關掉PWM控制電路。因無驅動訊號，IGBT關掉，而電源停止工作，電壓傳感無電壓流過，使VA《Vref，VB=0.2V，C3經R1放電，當C3放電到使VC《Vref時，IC2又輸出低電平，電源重新步入工作狀態，假如過流繼續存在，保護電路又回復到原先的限流保護工作狀態，反復循環使PWM控制電路的輸出驅動波形處于間隔輸出狀態，如圖8（b）所示波形。電位器RP1調整比較器過流動作閥值。電容器C3經D5快速充電，經R1慢速放電，只要合理地選擇R1，C3的參數，使PWM驅動訊號關掉時間t2》》t1，可保證電源步入睡眠狀態。正反饋內阻R7保證IC2只有高、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、關斷而毀壞。
圖8借助電壓傳感進行過流測量的IGBT保護電路圖9是借助IGBT（V1）過流柵極電流測量和電壓傳感檢查的綜合保護電路，電路工作原理是：負載漏電（或IGBT因其它故障過流）時，V1的Vce減小，V3門極驅動電壓經R2，R3分壓器使V3導通，IGBT載流子電流由VD3所限制而降糖，限制IGBT峰值電壓幅度，同時經R5C3延后使V2導通，送去軟關斷訊號。另一方面，在漏電時經電壓傳感檢查漏電電壓，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。
圖9綜合過流保護電路
圖10是應用測量IGBT柵極電流的過流保護原理，采用軟降柵壓、軟關斷及增加工作頻度保護技術的漏電保護電路。
圖10
正常工作狀態，驅動輸入訊號為低電平時，晶閘管IC4不導通，V1，V3導通，輸出負驅動電流。驅動輸入訊號為高電平時，晶閘管IC4導通，V1截至而V2導通，輸出正驅動電流，功率開關管V4工作在正常開關狀態。發生漏電故障時，IGBT柵極電流減小，因為Vce減小，比較器IC1輸出高電平，V5導通，IGBT實現軟降柵壓，降柵壓幅度由穩壓管VD2決定，軟降柵壓時間由R6C1產生2μs。（版權所有）同時IC1輸出的高電平經R7對C2進行充電，當C2上電流達到穩壓管VD4的擊穿電流時，V6導通并由R9C3產生約3μs的軟關斷柵壓，軟降柵壓至軟關斷柵壓的延后時間由時間常數R7C2決定，一般選定在5～15μs。V5導通時，V7經C4R10電路流過柵極電壓而導通約20μs，在降柵壓保護后將輸入驅動訊號閉鎖一段時間，不再響應輸入端的關斷訊號，以防止在故障狀態下產生硬關斷過電流，使驅動電路在故障存在的情況下能執行一個完整的降柵壓和軟關斷保護過程。
V7導通時，晶閘管IC5導通，時基電路IC2的觸發腳2獲得負觸發訊號，555輸出腳3輸出高電平，V9導通，IC3被封鎖，封鎖時間由定時器件R15C5決定（約1.2s），使工作頻度降至1Hz以下，驅動器的輸出訊號將工作在所謂的“打嗝”狀態，防止了發生漏電故障后仍工作在原先的頻度下，連續進行漏電保護造成熱積累而導致IGBT受損。只要故障消失，電路又能恢復到正常工作狀態。
開關電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能，但在惡劣環境及意外車禍條件下，保護電路是否建立并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。初驗技術指標時，應對保護功能進行驗證。
開關電源的保護方案和電路結構具有多樣性，但對具體電源裝置而言，應選擇合理的保護方案和電路結構，以促使在故障條件下真正有效地實現保護。文中所述的保護電路可以靈活組合使用，以簡化電路結構和增加成本。