开关电源保护电路实例模板

摘要:为使开关电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠,提出了多个实用保护电路,并对电路工作原理进行了详尽分析。

评价开关电源质量指标应该是以安全性、可靠性为第一标准。在电气技术指标满足正常使用要求条件下,为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作,必需设计多个保护电路,比如防浪涌软开启,防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路。

2开关电源常见多个保护电路

2.1防浪涌软开启电路

开关电源输入电路大全部采取电容滤波型整流电路,在进线电源合闸瞬间,因为电容器
上初始电压为零,电容器充电瞬间会形成很大浪涌电流,尤其是大功率开关电源,采取容量
较大滤波电容器,使浪涌电流达100A以上。在电源接通瞬间如此大浪涌电流,重者往往
会造成输入熔断器烧断或合闸开关触点烧坏,整流桥过流损坏; 轻者也会使空气开关合不

图1 是采取晶闸管V和限流电阻R1组成防浪涌电流电路。在电源接通瞬间,输入电压经整流桥（D1～D4）和限流电阻R1对电容器C 充电,限制浪涌电流。当电容器C充

电到约80％额定电压时,逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R1,开关电源处于正常运行状态。

图2是采取继电器K1和限流电阻R1组成防浪涌电流电路。电源接通瞬间,输入电压经整流（D1～D4）和限流电阻R1对滤波电容器C1充电,预防接通瞬间浪涌电流,同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K1线包电容器C2充电,当C2上电压达成继电器K1动作电压时,K1动作,其触点K1.1闭合而旁路限流电阻R1,电源进入正常运行状态。限流延迟时间取决于时间常数（R2C2）,通常选择为0.3～0.5s。为了提升延迟时间正确性及预防继电器动作抖动。

进线电源过压及欠压对开关电源造成危害,关键表现在器件因承受电压及电流应力超出正常使用范围而损坏,同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。所以对输入电源上限和下限要有所限制,为此采取过压、欠压保护以提升电源可靠性和安全性。温度是影响电源设备可靠性最关键原因。依据相关资料分析表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10％,温升50℃时工作寿命只有温升25℃时1/6,为了避免功率器件过热造成损坏,在开关电源中亦需要设置过热保护电路。

图4 是仅用一个4比较器LM339及多个分立元器件组成过压、欠压、过热保护电路。

取样电压能够直接从辅助控制电源整流滤波后取得,它反应输入电源电压改变,比较器共用一个基准电压,N1.1为欠压比较器,N1.2为过压比较器,调整R1能够调整过、欠压动作阈值。N1.3为过热比较器,RT为负温度系数热敏电阻,它和R7组成份压器,紧贴于功率开关器件IGBT表面,温度升高时,RT阻值下降,合适选择R7阻值,使N1.3在设定温度阈值动作。N1.4用于外部故障应急关机,当其正向端输入低电平时,比较器输出低电平封锁PWM驱动信号。因为4个比较器输出端是并联,不管是过压、欠压、过热任何一个故障发生,比较器输出低电平,封锁驱动信号使电源停止工作,实现保护。如将电路稍

因为电网本身原因或电源输入接线不可靠,开关电源有时会出现缺相运行情况,且掉相运行不易被立即发觉。当电源处于缺相运行时,整流桥某一臂无电流,而其它臂会严重过流造成损坏,同时使逆变器工作出现异常,所以必需对缺相进行保护。检测电网缺相通常采取电流互感器或电子缺相检测电路。因为电流互感器检测成本高、体积大,故开关电

R3结点H电位很低,光耦合输出近似为零电平。当缺相时,H点电位抬高,光耦输出高电平,经比较器进行比较,输出低电平,封锁驱动信号。比较器基准可调,方便调整缺相动作阈值。该缺相保护适适用于三相四线制,而不适适用于三相三线制。电路稍加变动,亦可用高电平封锁PWM信号。

图6是一个用于三相三线制电源缺相保护电路,A、B、C缺任何一相,光耦器输出电平低于比较器反相输入端基准电压,比较器输出低电平,封锁PWM驱动信号,关闭电源。比较器输入极性稍加变动,亦可用高电平封锁PWM信号。这种缺相保护电路采取光耦隔离强电,安全可靠,RP1、RP2用于调整缺相保护动作阈值。

图6三相三线制缺相保护电路

2.4短路保护

源可靠性关键原因。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
开关电源同其它电子装置一样,短路是最严重故障, 短路保护是否可靠,是影响开关电

小, 通常仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短,而且使关断时电

流下降率di/dt 过大,因为漏感及引线电感存在,造成IGBT 集电极过电压,该过电压可在器件内部产生擎住效应使IGBT锁定失效, 同时高过电压会使IGBT击穿。所以, 当出现短途经流时,必需采取有效保护方法。为了实现IGBT短路保护, 则必需进行过流检测。适用IGBT过流检测方法,通常是采取霍尔电流传感器直接检测IGBT电流Ic, 然后和设定阈值比较,用比较器输出去控制驱动信号关断;或采取间接电压法, 检测过流时IGBT电压降Vce, 因为管压降含有短路电流信息,过流时Vce 增大,且基础上为线性关系,检测过流时Vce 并和设定阈值进行比较,比较器输出控制驱动电路关断。在短路电流出现时,为了避免关断电流di/dt过大形成过电压, 造成IGBT锁定无效和损坏, 和为了降低电磁干扰,通常采取软降栅压和软关断综合保护技术。在检测到过流信号后首先是进入降栅保护程序,以降低故障电流幅值, 延长IGBT短路承受时间。在降栅动作后,设定一个固定延迟

时间用以判定故障电流真实性,如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复,如故障仍然存在则进行软关断程序,使栅压降至0V以下,关断IGBT驱动信号。因为在降压程序阶段集电极电流已减小,故软关断时不会出现过大短路电流下降率和过高过电压。采取软降栅压及软关断栅极驱动保护,使故障电流幅值和下降率全部能受到限制,过电压降低,IGBT电流、电压运行轨迹能确保在安全区内。在设计降栅压保护电路时,要正确选择降栅压幅度和速度,假如降栅压幅度大（比如7.5V）,降栅压速度不要太快,通常可采取2μs下降时间软降栅压,因为降栅压幅度大,集电极电流已经较小,在故障状态封锁栅极可快些,无须采取软关断;假如降栅压幅度较小（比如5V以下）,降栅速度可快些,而封锁栅压速度必需慢,即采取软关断,以避免过电压发生。

为了使电源在短路故障状态不中止工作,又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏,采取降栅压保护即可无须在一次短路保护立即封锁电路,而

作。
使工作频率降低（比如1Hz左右）, 形成间歇“打嗝”保护方法,故障消除后即恢复正常工

下, 保护电路是否完善并按预定设置工作,对电源装置安全性和可靠性至关关键。验收技
术指标时,应对保护功效进行验证。

开关电源保护方案和电路结构含有多样性,但对具体电源装置而言,应选择合理保护方案和电路结构,以使得在故障条件下真正有效地实现保护。文中所述保护电路能够灵活组合使用,以简化电路结构和降低成本。