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電阻，將需要保護的電壓值轉換成電流值，并將該電流值送到集電極，與參考電流比較，即可得到信號，用于控制保護是否啟動。 過流可以保護，漏電好像是過流的極限狀態，但此時因為漏電，輸出電流沒有了。 此時可以用中間限流電阻值來控制最大輸出功率，并實現漏電保護。
常見電源保護電路分析
評價開關電源的質量指標應以安全可靠為第一原則。 在電氣技術指標滿足正常使用要求的情況下，為了使電源在惡劣環境和突發故障下安全可靠地工作，需要設計多種保護電路，如防浪涌軟啟動等、防缺相、欠壓、過熱、過流、短路、缺相保護電路。 開關電源中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多采用電容檢測式檢測電路。 當進來的電源立即跳閘時，由于電容器上的初始電流為零，因此電容器充電時會立即產生很大的浪涌電壓，特別是對于大功率開關電源。 較大的混頻電容使浪涌電壓超過100A。 接通電源時如此大的浪涌電壓往往會導致輸入繼電器燒斷或行程開關觸點燒壞，檢測橋會因過流而損壞； 輕的也會導致空氣開關無法關閉。 上述現象都會導致開關電源無法正常工作，因此幾乎所有的開關電源都配備了軟啟動電路，以避免浪涌電壓，以保證電源的正常可靠工作。
圖1是由二極管V和限流內阻R1組成的防浪涌電壓電路。 電源接通后，輸入電流立即通過檢測橋（D1~D4）和限流內阻R1對電容C充電，以限制浪涌電壓。 當電容器C充電至額定電流的80%左右時，逆變器正常工作。 通過主變壓器的輔助定子形成二極管的觸發信號，使二極管導通，限流內阻R1漏泄，開關電源處于正常工作狀態。
圖1采用二極管和限流內阻組成的軟啟動電路
圖2是由保險絲K1和限流內電阻R1組成的防浪涌電壓電路。 上電后立即檢測輸入電流（D1~D4），限流內阻R1對混頻電容C1充電，避免上電后立即產生浪涌電壓。 同時，輔助電源Vcc通過內阻R2對保險絲K1線組的電容C2進行充電。 當C2上的電流達到熔斷器K1的工作電流時，K1動作，其觸點K1.1閉合并旁路限流內阻R1，電源進入正常工作狀態。 限流延時時間取決于時間常數（R2C2），一般選0.3～0.5s。 為了提高延時時間的準確度，避免保險絲動作時的振動，延時電路可以采用圖3所示的電路來代替RC延時電路。
圖2是由保險絲K1和限流內阻組成的軟啟動電路
圖3 延遲電路代替RC
2、過壓、欠壓、過熱保護電路
進線電源缺相、欠壓對開關電源造成的危害主要表現為電流、電壓偏轉超過正常使用范圍而導致元器件損壞，同時，電氣性能指標被破壞，不能滿足要求。 因此必須限制輸入電源的上下限，因此采用缺相和欠壓保護來提高電源的可靠性和安全性。
室溫是影響供電設備可靠性的最重要因素。 據有關數據分析，溫度每下降2℃，電子元件的可靠性就提高10%，而溫度升高50℃時的工作壽命僅為溫度升高時的1/6。 25°C。 在開關電源中還需要設置過熱保護電路。
圖4 缺相、欠壓、過熱保護電路
圖4是僅由一個4比較器LM339和幾個分立元件組成的缺相、欠壓和過熱保護電路。 采樣電流經檢測檢測后可直接從輔助控制電源獲取。 它反映了輸入電源電流的變化。 比較器共享參考電流。 N1.1為欠壓比較器，N1.2為缺相比較器。 調節R1可以調節過壓、欠壓動作閾值。 N1.3為過熱比較器，RT為負空氣溫度系數的熱內阻，它與R7組成分壓器電流過大會短路嗎，緊貼功率開關元件IGBT表面，當溫度下降時，RT阻值上升，適當選擇R7電阻使N1.3在設定的溫度閾值下動作。 N1.4用于因外部故障而緊急停機。 當正端輸入低電平時，比較器輸出低電平，阻斷PWM驅動信號。 由于四個比較器的輸出端并聯，無論出現缺相、欠壓、過熱等故障，比較器都會輸出低電平，并封鎖驅動信號，停止驅動。電源實現保護。 如果電路稍加改變，比較器也可以輸出高電平來阻斷驅動信號。
3、缺相保護電路
由于電網本身或電源輸入接線不可靠的原因，開關電源有時會出現過壓運行，且缺相運行不易被及時檢測到。 當電源處于相線運行時，檢測橋的一臂無電壓，而另一臂會因嚴重過流而損壞，同時逆變器也會工作異常，因此相線必須受到保護。 檢查電網相線一般采用電壓互感器或電子相線測量電路。 由于電壓互感器的檢查成本昂貴且體積龐大，因此開關電源中通常使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的節點H電位很低，晶閘管的輸出近似為零電平。 當發生過壓時，H點電位上升，晶閘管輸出高電平，經比較器比較，輸出低電平，阻斷驅動信號。 比較器的基極可調，方便調整過壓動作閾值。 該過壓保護適用于單相四線制，不適用于單相三線制。 電路稍作改動，也可以用高電平封鎖PWM信號。
圖5 單相四線制過壓保護電路
圖6是單相三線電源的過壓保護電路。 若A、B、C任意相缺相，則晶閘管的輸出電平高于比較器反相輸入端的參考電流，比較器的輸出電平為低電平。 ，封鎖PWM驅動信號，關閉電源。 稍微改變比較器的輸入極性，也可以通過高電平來封鎖PWM信號。 這些過壓保護電路采用晶閘管隔離微弱電流，安全可靠。 RP1和RP2用于調節過壓保護動作閾值。
圖6 單相三線制過壓保護電路
4. 短路保護
開關電源與其他電子設備一樣，漏電是最嚴重的故障，而漏電保護的可靠性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）具有場效應晶體管輸入阻抗高、驅動功率和雙極型晶體管電流低、電流容量大、管電壓升高的特點。 是目前最常用的中大功率開關電源。 電力電子開關元件。 IGBT能承受的漏電時間取決于其飽和壓降和漏電電壓，通常只有幾μs到幾十μs。 過大的漏電壓不僅縮短了漏電耐受時間，而且使關斷時的電壓上升率di/dt過大。 由于漏感和引線電感的存在，會引起IGBT柵極過流，并且過流可能發生在元件內部。 形成鎖存效應使IGBT鎖定無效，高過流會導致IGBT擊穿。 因此，當出現漏電、過流等情況時，必須采取有效的保護措施。 為了實現IGBT的漏電保護，必須進行過流檢查。 檢查IGBT過流的方法一般是利用霍爾電壓傳感器直接測量IGBT的電壓Ic，然后與設定的閾值進行比較，利用比較器的輸出來控制驅動信號的關斷; 或者采用間接電流法，測量過流時IGBT的壓降Vce，由于管壓降富含漏電壓信息，過流時Vce下降，且基本呈線性關系，查看過流時Vce并進行比較通過比較器設定的閾值，比較器的輸出控制驅動電路的關斷。 當漏電壓出現時，為了防止截止電壓di/dt過大產生過流，導致IGBT鎖定失效而被破壞，增加電磁干擾，采用軟保護技術一般采用降低柵極電壓和軟關斷。 測量到過流信號后，首先進入柵極下拉保護程序，降低故障電壓幅度，延長IGBT的漏電耐受時間。 電網跌落動作后，設定固定的延時時間來判斷故障電壓的真實性。 如果故障在延時時間內消失，則手動恢復電網電壓。 如果故障仍然存在，將執行軟關斷程序，使柵極電壓降至0V以下，關閉IGBT的驅動信號。 由于在柵極壓降編程階段基極電壓已經降低，因此在軟關斷期間不會出現過大的漏電壓上升率和較低的過電流。 采用軟柵極降壓和軟電樞關斷保護，可以限制故障電壓的幅值和增長速度，過電流增大，保證IGBT的電壓和電壓運行軌跡處于安全區域。
在設計柵極壓降保護電路時，需要正確選擇柵極壓降的幅度和速率。 如果柵極電壓降低的幅度較大(例如7.5V)，則柵極電壓降低的速度不宜太快。 通常可以采用生長時間為2μs的軟柵極降壓。 ，因為柵極電壓降低的幅度很大，基極電壓已經很小，可以更快地阻斷故障狀態下的載流子，所以為什么要采用軟關斷； 如果柵極電壓降低的幅度較小（例如5V以下），則柵極降低的速度可以快一些，而阻斷柵極電壓的速度必須慢一些，即采用軟關斷來防止過流。 為了使電源在漏電故障狀態下不中斷工作，并避免在原工作頻率下連續漏電保護造成熱量積累而造成IGBT損壞，采用柵極降壓保護可以省去發生漏電保護時立即封鎖電路，并提高工作頻率（例如1Hz左右），產生間歇性“打嗝”保護方式，待故障清除后恢復正常工作。
下面介紹幾種IGBT漏電保護實用電路及工作原理。
圖7是基于IGBT過流時Vce下降原理的保護電路，用于專用驅動器。 內部電路可以很好地完成柵壓降和軟關斷，并具有內部延時功能，消除干擾引起的誤動作。 富含IGBT過流信息的Vce并不是直接送到基極電流監測引腳6，而是通過快恢復晶閘管VD1通過比較器IC1的輸出連接到引腳6。 電壓不同，采用閾值比較器來提高電壓測量的精度。 如果發生過流，驅動器的低速截止電路會緩慢關斷 IGBT，以防止基極電壓尖峰損壞 IGBT 組件。
圖7 利用IGBT過流時降低Vce的原理進行保護
圖8是通過電壓檢測進行過流檢測的IGBT保護電路。 電壓傳感（SC）的中級（1匝）與IGBT的柵極電路串聯，次級感應出的過流信號經檢測后送至比較。 IC1的同相輸入端與反相端的參考電流進行比較。 IC1的輸出送至正反饋比較器IC2電流過大會短路嗎，其輸出連接至PWM控制器的輸出控制引腳10。 但當有電流流過時，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控制電路輸出驅動波形圖
圖 8 通過電壓檢測進行過流檢查的 IGBT 保護電路
當發生過流時，電壓傳感檢測的檢測電流下降，VA>Vref，VB為高電平，C3充電使VC>Vref，IC2輸出高電平（小于1.4V），PWM控制電路已關閉。 由于沒有驅動信號，IGBT截止，電源停止工作，電壓傳感器無電壓流過，使VA<Vref，VB=0.2V，C3通過R1放電，當C3放電到使VC<Vref，IC2再次輸出低電平，電源重新進入工作狀態。 如果過流繼續存在，保護電路又回到原來的限流保護工作狀態，周而復始，使PWM控制電路的輸出驅動波形處于區間輸出狀態，如圖8（b）所示。 ）顯示波形。 電位器RP1調節比較器過流動作閾值。 電容器C3通過D5快速充電并通過R1緩慢放電。 只要合理選擇R1和C3的參數，在t2>>t1時間內關閉PWM驅動信號，就可以保證電源進入休眠狀態。 正反饋內阻R7保證IC2只有高低電平兩種狀態，D5、R1、C3的充放電電路保證IC2的輸出不會在高低電平之間頻繁變化，即，IGBT不會頻繁地開通和關斷。 破壞。
圖8 通過電壓傳感進行過流測量的IGBT保護電路 圖9是用于IGBT（V1）過流柵極電流測量和電壓傳感檢查的綜合保護電路，該電路的工作原理是：負載漏電（或IGBT由于其他原因）過流故障），V1的Vce下降，V3的柵極驅動電壓經過R2、R3分壓使V3導通，IGBT載流電流經VD3限制降糖，限制IGBT峰值電壓范圍，同時通過R5C3延遲V2的導通并發出軟關斷信號。 另一方面，當漏電發生時，通過電壓傳感器檢測漏電電壓，比較器IC1輸出高電平，使V3導通，降低柵極電壓，使V2導通，實現軟關斷。
圖9 集成過流保護電路
圖10是漏電保護電路，應用測量IGBT柵極電流的過流保護原理，采用軟柵極降壓、軟關斷和提高工作頻率等保護技術。
圖10
正常工作狀態下，驅動輸入信號為低電平時，晶閘管IC4不導通，V1、V3導通，輸出負驅動電流。 當驅動輸入信號為高電平時，晶閘管IC4導通，V1關斷，V2導通，輸出正向驅動電流，功率開關管V4工作在正常開關狀態。 當發生漏電故障時，IGBT的柵極電流減小，由于Vce降低，比較器IC1輸出高電平，V5導通，IGBT實現軟柵壓降。 柵極壓降的大小由穩壓管VD2決定。 按下時間為2μs，由R6C1產生。 同時，IC1輸出的高電平通過R7對C2充電。 當C2上的電流達到穩壓管VD4的擊穿電流時，V6導通，R9C3產生約3μs的軟關斷柵極電壓。 從電網電壓下降到軟關斷電網電壓的延遲時間由時間常數R7C2決定，一般選取5-15μs。 當V5導通時，流經C4R10電路的柵極電壓使V7導通約20μs。 柵極壓降保護后，輸入驅動信號被封鎖一段時間，不再響應輸入端的關斷信號，防止故障狀態的發生。 硬關斷過流使驅動電路能夠在發生故障時執行柵極電壓降低和軟關斷保護的完整過程。
當V7導通時，晶閘管IC5導通，時基電路IC2的觸發腳2得到負觸發信號，555輸出腳3輸出高電平，V9導通，IC3截止，阻塞時間由定時器器件R15C5決定（約1.2s），使工作頻率降低到1Hz以下，驅動器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態，從而阻止其繼續工作漏電故障發生后，在原來的頻率下，持續漏電保護引起的熱量積累導致IGBT損壞。 只要故障消失，電路即可恢復正常工作狀態。
雖然開關電源的保護功能是電源裝置電氣性能所要求的附加功能，但保護電路是否按照預定的設置建立并工作，對于電源裝置的安全可靠來說是非常重要的。在惡劣的環境和意外車禍的情況下。 初次檢查技術指標時，應對保護功能進行驗證。
開關電源的保護方案和電路結構多種多樣，但針對具體的電源裝置，應選擇合理的保護方案和電路結構，以促進故障情況下的保護。 本文所述的保護電路可以靈活組合，以簡化電路結構并增加成本。