開關電源保護電路的工作原理
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2.4 短路保護
開關電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠，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）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壓、電流容量大及管壓降低的特點，是目前中、大功率開關電源最普遍使用的電力電子開關器件。IGBT能夠承受的短路時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。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關斷時電流下降率di/dt過大，由于漏感及引線電感的存在，導致IGBT集電極過電壓，該過電壓可在器件內部產生擎住效應使IGBT鎖定失效，同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。為了實現(xiàn)IGBT的短路保護，則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅動信號的關斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時Vce增大，且基本上為線性關系，檢測過流時的Vce并與設定的閾值進行比較，比較器的輸出控制驅動電路的關斷。在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關斷電流的di/dt過大形成過電壓，導致IGBT鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關斷綜合保護技術。在檢測到過流信號后首先是進入降柵保護程序，以降低故障電流的幅值，延長IGBT的短路承受時間。在降柵動作后，設定一個固定延遲時間用以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內故障消失則柵壓自動恢復，如故障仍然存在則進行軟關斷程序，使柵壓降至0V以下，關斷IGBT的驅動信號。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關斷時不會出現(xiàn)過大的短路電流下降率和過高的過電壓。采用軟降柵壓及軟關斷柵極驅動保護，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過電壓降低，IGBT的電流、電壓運行軌跡能保證在安全區(qū)內。
在設計降柵壓保護電路時，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，不必采用軟關斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關斷，以避免過電壓發(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)進行短路保護產生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除后即恢復正常工作。
下面介紹幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。
圖7是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護的電路，用于專用驅動器EXB841。EXB841內部電路能很好地完成降柵及軟關斷，并具有內部延遲功能，以消除干擾產生的誤動作。含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復二極管VD1，通過比較器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，提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過流，驅動器EXB841的低速切斷電路慢速關斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。
圖7 采用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護
圖8是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓進行比較，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UC3525的輸出控制腳10。不過流時，VAVref，VB=0.2V，VCVref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。
(a) 電路原理圖
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