防反接保護電路
 
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 )造成災難性的后果，輕則燒毀保險絲，重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護電路主要有三種：反并肖特基二極管組成的防反接保護電路，如圖1所示。


由圖1可以看出，當電池接反時(shí)，肖特基二極管D導通，F被燒毀。如果后面是推挽結構的主變換電路，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，從而保護了兩推挽開(kāi)關(guān)MOS管。

這種防反接保護電路結構簡(jiǎn)單，不會(huì )影響效率，但保護后會(huì )燒毀保險絲F，需要重新更換才能恢復正常工作。

采用繼電器的防反接保護電路，基本電路如圖2：


由圖中可以看出，如果電池接反，D反偏，繼電器K的線(xiàn)圈沒(méi)有電流通過(guò)，觸點(diǎn)不能吸合，逆變器供電被切斷。這種防反接保護電路效果比較好，不會(huì )燒毀保險絲F，但體積比較大，繼電器的觸點(diǎn)的壽命有限。

采用MOS管的防反接保護電路，基本電路如下圖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。當電池極性未接反時(shí)，D正偏導通，Q的GS極由電池正極經(jīng)過(guò)F、R1、D回到電池負極得到正偏而導通。Q導通后的壓降比D的壓降小得多，所以Q導通后會(huì )使D得不到足夠的正向電壓而截至;

當電池極性接反時(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)。這種防反接保護電路由于沒(méi)有采用機械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)而具有比較長(cháng)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電路那樣燒毀保險絲F.因而得到廣泛應用，缺點(diǎn)是MOS導通時(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

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，電池欠壓保護太靈敏的話(huà)會(huì )在啟動(dòng)沖擊性負載時(shí)保護。這樣逆變器就難以起動(dòng)這類(lèi)負載了，尤其在電池電量不是很充足的情況下。請看下面的電池欠壓保護電路。

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。


逆變器的過(guò)流短路保護電路的設計：

大家知道，逆變器的過(guò)流短路保護電路在逆變器的安全中是至關(guān)重要的，如果沒(méi)有過(guò)流短路保護逆變器很可能會(huì )因為過(guò)流短路而燒毀。

下面先來(lái)分析一下負載的特性，現實(shí)生活中的負載大多數是沖擊性負載，例如熾燈泡，在冷態(tài)時(shí)的電阻要比點(diǎn)亮時(shí)低很多，像電腦，電視機等整流性負載，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。還有冰箱等電機感性負載，電機從靜止到正常轉動(dòng)也需要用電力產(chǎn)生比較大的轉矩因而起動(dòng)電流也比較大。

如果我們的逆變器只能設定一個(gè)能長(cháng)期工作的額定輸出功率的話(huà)，在起動(dòng)功率大于這個(gè)額定輸出功率的負載就不能起動(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。實(shí)際中，我們在設計過(guò)流短路保護電路時(shí)我們會(huì )設計兩個(gè)保護點(diǎn)，額定功率和峰值功率。一般峰值功率設定為額定功率2-3倍。時(shí)間上額定功率是長(cháng)時(shí)間工作不會(huì )保護的，峰值功率一般只維持到幾秒就保護了。下面以過(guò)流短路保護電路為例講解下：


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。

先看由IC3D及其外圍元件組成的過(guò)流保護電路，IC3D的8腳設定一個(gè)基準電壓，由R33、VR4、R56、R54分壓決定其值U8=5*(R33+VR4)/(R33+VR4+R56+R54)。當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，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的高壓MOS關(guān)斷，當然也可以控制前級的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組成的短路保護電路，原理和過(guò)流保護差不多，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)現短路保護在幾個(gè)微秒內關(guān)斷，有效地保護了高壓MOS管的安全。順便說(shuō)的一點(diǎn)是短路保護點(diǎn)要根據MOS管的ID，安全區域和回路雜散電阻等參數設計。一般來(lái)說(shuō)電流在ID以?xún)?，?dòng)作時(shí)間在30微秒以?xún)仁潜容^安全的。

IGBT的驅動(dòng)和短路保護

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)速度遠高于雙極型晶體管而略低于MOS管，因而廣泛地應用在各種電源領(lǐng)域里，在中大功率逆變器中也得到廣泛應用。

IGBT的缺點(diǎn)，一是集電極電流有一個(gè)較長(cháng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(cháng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差，如果像保護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(cháng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(cháng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差，如果像保護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出很高的電壓而損壞。

IGBT的短路保護一般是檢測CE極的飽和壓降實(shí)現，當集電極電流很大或短路時(shí)，IGBT退出飽和區，進(jìn)入放大區。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(cháng)保護時(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(huà)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)載保護的延時(shí)之內如果短路消失的話(huà)是可以自動(dòng)恢復的，如果依然維持在超過(guò)過(guò)載保護電流的話(huà)由過(guò)載保護電路關(guān)斷IGBT。

所以IGBT的短路保護一般是配合過(guò)載保護的，下面是一個(gè)TLP250增加慢降柵壓的驅動(dòng)和短路保護的應用電路圖：


圖6中電路正常工作時(shí)，ZD1的負端的電位因D2的導通而使ZD1不足以導通Q1截止;D1的負端為高電平所以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由導通轉向截止。當驅動(dòng)信號為高電平時(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)保護電路的誤保護。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)導通，C1開(kāi)始通過(guò)R4、Q1充電，D1的負端電位開(kāi)始下降，當D1的負端電位開(kāi)始

下降到D1與Q3be結的壓降之和時(shí)Q3開(kāi)始導通，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電路，通過(guò)對這三種保護形勢的講解，希望能夠幫助大家逆變電源中的保護電路有進(jìn)一步的了解和認識，從而方便自己的設計。




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