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直流开关稳压电源的保护技术

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:838
1 引 言
直 流 开 关 稳 压 器 中 所 使 用 的 大 功 率 开 关 器 件 价 格 较 贵,其 控 制 电 路 亦 比 较 复 杂 ,另 外 ,开 关 稳 压 器 的 负 载 一 般 都 是 用 大 量 的 集 成 化 程 度 很 高 的 器 件 安 装 的 电 子 系 统 。 晶 体 管 和 集 成 器 件 耐 受 电 、 热 冲 击 的 能 力 较 差 。 因 而 开 关 稳 压 器 的 保 护 应 该 兼 顾 稳 压 器 本 身 和 负 载 的 安 全 。 保 护 电 路 的 种 类 很 多 ,这 里 介 绍 极 性 保 护 、 程 序 保 护 、 过 电 流 保 护 、 过 电 压 保 护 、 欠 电 压 保 护 以 及 过 热 保 护 等 电 路 。 通 常 选 用 几 种 保 护 方 式 加 以 组 合 ,构 成 完 善 的 保 护 系 统 。
2 极 性 保 护
直 流 开 关 稳 压 器 的 输 入 一 般 都 是 未 稳 压 直 流 电 源 。 由 于 操 作 失 误 或 者 意 外 情 况 会 将 其 极 性 接 错,将 损 坏 开 关 稳 压 电 源 。 极 性 保 护 的 目 的 ,就 是 使 开 关 稳 压 器 仅 当 以 正 确 的 极 性 接 上 未 稳 压 直 流 电 源 时 才 能 工 作 。 利 用 单 向 导 通 的 器 件 可 以 实 现 电 源 的 极 性 保 护 。 最 简 单 的 极 性 保 护 电 路 如 图 1所 示 。 由 于 二 极 管 d要 流 过 开 关 稳 压 器 的 输 入 总 电 流 ,因 此 这 种 电 路 应 用 在 小 功 率 的 开 关 稳 压 器 上 比 较 合 适 。 在 较 大 功 率 的 场 合 ,则 把 极 性 保 护 电 路 作 为 程 序 保 护 中 的 一 个 环 节 ,可 以 省 去 极 性 保 护 所 需 的 大 功 率 二 极 管 ,功 耗 也 将 减 小 。 为 了 操 作 方 便 ,便 于 识 别 极 性 正 确 与 否 ,在 图 1中 的 二 极 管 之 后 ,接 指 示 灯 。

3 程 序 保 护
开 关 稳 压 电 源 的 电 路 比 较 复 杂,基 本 上 可 以 分 为 小 功 率 的 控 制 部 分 和 大 功 率 的 开 关 部 分 。 开 关 晶 体 管 则 属 大 功 率 , 为 保 护 开 关 晶 体 管 在 开 启 或 关 断 电 源 时 的 安 全 ,必 须 先 让 调 制 器 、 放 大 器 等 小 功 率 的 控 制 电 路 工 作 。 为 此 ,要 保 证 正 确 的 开 机 程 序 。 开 关 稳 压 器 的 输 入 端 一 般 接 有 小 电 感 、 大 电 容 的 输 入 滤 波 器 。 在 开 机 瞬 间 ,滤 波 电 容 器 会 流 过 很 大 的 浪 涌 电 流 ,这 个 浪 涌 电 流 可 以 为 正 常 输 入 电 流 的 数 倍 。 这 样 大 的 浪 涌 电 流 会 使 普 通 电 源 开 关 的 触 点 或 继 电 器 的 触 点 熔 化 ,并 使 输 入 保 险 丝 熔 断 。 另 外 ,浪 涌 电 流 也 会 损 害 电 容 器 ,使 之 寿 命 缩 短 ,过 早 损 坏 。 为 此 ,开 机 时 应 该 接 入 一 个 限 流 电 阻 ,通 过 这 个 限 流 电 阻 来 对 电 容 器 充 电 。 为 了不 使 该 限 流 电 阻 消 耗 过 多 的 功 率 , 以 致 影 响 开 关 稳 压 器 的 正 常 工 作,而 在 开 机 暂 态 过 程 结 束 后 , 用 一 个 继 电 器 自 动 短 接 它 ,使 直 流 电 源 直 接 对 开 关 稳 压 器 供 电 , 如 图 2所 示 。 这 种 电 路 称 之 谓 开 关 稳 压 器 的 “ 软 启 动 ” 电 路 。

开 关 稳 压 器 的 控 制 电 路 中 的 逻 辑 组 件 或 者 运 算 放 大 器 需 用 辅 助 电 源 供 电 。 为 此,辅 助 电 源 必 须 先 于 开 关 电 路 工 作 。 这 可 用 开 机 程 序 控 制 电 路 来 保 证 。 一 般 的 开 机 程 序 是 :输 入 电 源 的 极 性 鉴 别 ,电 压 保 护 → 开 机 程 序 电 路 工 作 → 辅 助 电 源 工 作 并 通 过 限 流 电 阻 r对 开 关 稳 压 器 的 输 入 电 容 器 c充 电 → 开 关 稳 压 器 的 调 制 电 路 工 作 , 短 路 限 流 电 阻 → 开 关 稳 压 器 稳 定 工 作 。
在 开 关 稳 压 器 中,刚 开 机 时 ,因 为 其 输 出 电 容 容 量 大 ,充 到 额 定 输 出 电 压 值 需 要 一 定 时 间 。 在 这 段 时 间 内 ,取 样 放 大 器 输 入 低 的 输 出 电 压 采 样 ,根 据 系 统 闭 环 调 节 特 性 将 迫 使 开 关 三 极 管 的 导 通 时 间 加 长 ,这 样 一 来 ,开 关 三 极 管 就 会 在 这 段 期 间 内 趋 于 连 续 导 通 ,而 容 易 损 坏 。 为 此 ,要 求 在 开 机 这 一 段 时 间 内 ,开 关 调 制 电 路 输 出 给 开 关 三 极 管 基 极 的 脉 宽 调 制 驱 动 信 号 , 能 保 证 开 关 三 极 管 由 截 止 逐 渐 趋 于 正 常 的 开 关 状 态 , 故 而 要 加 设 开 机 保 护 以 配 合 软 启 动 。
4 过 电 流 保 护
当 出 现 负 载 短 路 、 过 载 或 者 控 制 电 路 失 效 等 意 外 情 况 时,会 引 起 流 过 稳 压 器 中 开 关 三 极 管 的 电 流 过 大 , 使 管 子 功 耗 增 大 ,发 热 ,若 没 有 过 流 保 护 装 置 ,大 功 率 开 关 三 极 管 就 有 可 能 损 坏 。 故 而 在 开 关 稳 压 器 中 过 电 流 保 护 是 常 用 的 。 最 经 济 简 便 的 方 法 是 用 保 险 丝 。 由 于 晶 体 管 的 热 容 量 小 ,普 通 保 险 丝 一 般 不 能 起 到 保 护 作 用 ,常 用 的 是 快 速 熔 断 保 险 丝 。 这 种 方 法 具 有 保 护 容 易 的 优 点 , 但 是 ,需 要 根 据 具 体 开 关 三 极 管 的 安 全 工 作 区 要 求 来 选 择 保 险 丝 的 规 格 。 这 种 过 流 保 护 措 施 的 缺 点 是 带 来 经 常 更 换 保 险 丝 的 不 便 。
在 线 性 稳 压 器 中 常 用 的 限 流 保 护 和 电 流 截 止 保 护 在 开 关 稳 压 器 中 均 能 应 用 。 但 是,根 据 开 关 稳 压 器 的 特 点 ,这 种 保 护 电 路 的 输 出 不 能 直 接 控 制 开 关 三 极 管 ,而 必 须 使 过 电 流 保 护 的 输 出 转 换 为 脉 冲 指 令 ,去 控 制 调 制 器 以 保 护 开 关 三 极 管 。 为 了 实 现 过 电 流 保 护 一 般 均 需 要 用 取 样 电 阻 串 联 在 电 路 中 ,这 会 影 响 电 源 的 效 率 ,因 此 多 用 于 小 功 率 开 关 稳 压 器 的 场 合 。 而 在 大 功 率 的 开 关 稳 压 电 源 中 ,考 虑 到 功 耗 , 应 尽 量 避 免 取 样 电 阻 的 接 入 。 因 此 ,通 常 将 过 电 流 保 护 转 换 为 过 、 欠 电 压 保 护 。
5 过 电 压 保 护
开 关 稳 压 器 的 过 电 压 保 护 包 括 输 入 过 电 压 保 护 和 输 出 过 电 压 保 护 。 开 关 稳 压 器 所 使 用 的 未 稳 压 直 流 电 源 诸 如 蓄 电 池 和 整 流 器 的 电 压 如 果 过 高,使 开 关 稳 压 器 不 能 正 常 工 作 ,甚 至 损 坏 内 部 器 件 ,因 此 ,有 必 要 使 用 输 入 过 电 压 保 护 电 路 。 用 晶 体 管 和 继 电 器 所 组 成 的 保 护 电 路 如 图 3所 示 。

在 该 电 路 中 , 当 输 入 直 流 电 源 的 电 压 高 于 稳 压 二 极 管 的 击 穿 电 压 值 时 , 稳 压 管 击 穿 , 有 电 流 流 过 电 阻r, 使 晶 体 管 v导 通 , 继 电 器 动 作 , 常 闭 接 点 断 开 , 切 断 输 入 。 其 中 稳 压 管 的 稳 压 值 vz=esrmax- ube。 输 入 电 源 的 极 性 保 护 电 路 可 以 跟 输 入 过 电 压 保 护 结 合 在 一 起 ,构 成 极 性 保 护 鉴 别 与 过 电 压 保 护 电 路 。
输 出 过 电 压 保 护 在 开 关 稳 压 电 源 中 是 至 关 重 要 的 。 特 别 对 输 出 为5v的 开 关 稳 压 器 来 说 ,它 的 负 载 是 大 量 的 高 集 成 度 的 逻 辑 器 件 。 如 果 在 工 作 时 ,开 关 稳 压 器 的 开 关 三 极 管 突 然 损 坏 ,输 出 电 位 就 可 能 立 即 升 高 到 输 入 未 稳 压 直 流 电 源 的 电 压 值 ,瞬 时 造 成 很 大 的 损 失 。 常 用 的 方 法 是 晶 闸 管 短 路 保 护 。 最 简 单 的 过 电 压 保 护 电 路 如 图 4所 示 。
当 输 出 电 压 过 高 时,稳 压 管 被 击 穿 ,触 发 晶 闸 管 导 通 ,把 输 出 端 短 路 ,造 成 过 电 流 ,通 过 保 险 丝 或 电 路 保 护 器 将 输 入 切 断 ,保 护 了 负 载 。 这 种 电 路 的 响 应 时间 相 当 于 晶 闸 管 的 开 通 时 间 , 约 为5~ 10μ s。 它 的 缺 点 是 动 作 电 压 是 固 定 的 , 温 度 系 数 大 , 动 作 点 不 稳 定 。 另 外 , 稳 压 管 存 在 着 参 数 的 离 散 性 , 型 号 相 同 但 过 电 压 起 动 值 却 各 不 相 同 , 给 调 试 带 来 了 困 难 。 图 5是 改 进 后 的 电 路 。 其 中 r1、 r2是 取 样 电 路 , vz是 基 准 电 压 。


输 出 电 压esc突 然 升 高 , 晶 体 管 v1、 v2导 通 , 晶 闸 管 就 导 通 。 基 准 电 压 vz由 式

来 确 定 ,ube1为 v1的 发 射 结 ( be) 电 压 降 。 本 电 路 的 动 作 电 压 可 变 , 并 且 动 作 点 相 当 稳 定 。 当 稳 压 管 为 7v时 , 其 温 度 系 数 和 晶 体 管 v1的 发 射 结 ( be) 电 压 的 温 度 系 数 可 以 抵 消 , 能 使 温 度 系 数 降 得 很 低 。 但 是 对 于 输 出 为 5~ 5.5v的 直 流 开 关 稳 压 器 来 说 , 其 常 用 的 动 作 电 压 是 5.5~ 6v。 那 么 稳 压 管 电 压 必 在 3.5v以 下 , 此 电 压 附 近 的 稳 压 管 的 温 度 变 化 系 数 是 - 20~ - 30mv/℃ 。 因 此 ,温 度 变 化 大 的 场 合 保 护 电 路 还 会 发 生 误 动 作 。 采 用 集 成 电 路 电 压 比 较 器 来 检 测 开 关 稳 压 器 的 输 出 电 压 , 是 目 前 较 为 常 用 的 方 法 , 利 用 比 较 器 的 输 出 状 态 的 改 变 跟 相 应 的 逻 辑 电 路 配 合 , 构 成 过 电 压 保 护 电 路 , 这 种 电 路 既 灵 敏 又 稳 定 。
6 欠 电 压 保 护
输 出 电 压 低 于 规 定 值 时 , 反 映 了 输 入 直 流 电 源 、 开 关 稳 压 器 内 部 或 者 输 出 负 载 发 生 了 异 常 。 输 入 直 流 电 源 电 压 下 降 到 规 定 值 之 下 时 , 会 导 致 开 关 稳 压 器 的 输 出 电 压 跌 落 , 输 入 电 流 增 大 , 既 危 及 开 关 三 极 管 , 也 危 及 输 入 电 源 。 因 此 , 要 设 欠 电 压 保 护 。 简 单 的 欠 电 压 保 护 如 图6所 示 。
当 未 稳 压 输 入 的 电 压 值 正 常 时 , 稳 压 管zd击 穿 , 晶 体 管 v导 通 , 继 电 器 动 作 , 触 点 吸 合 , 开 关 稳 压 器 加 电 。 当 输 入 低 于 所 允 许 的 最 低 电 压 值 时 , 稳 压 管 zd不 通 , v截 止 , 触 点 跳 开 , 开 关 稳 压 器 不 能 工 作 。
开 关 稳 压 器 内 部 , 由 于 控 制 电 路 失 常 或 者 开 关 三 极 管 失 效 会 使 输 出 电 压 下 降 ; 负 载 发 生 短 路 也 会 使 输 出 电 压 下 降 。 特 别 在 升 压 型 或 反 相 升 压 型 的 直 流 开 关 稳 压 器 中 欠 电 压 的 保 护 是 跟 过 电 流 保 护 紧 密 相 关 的 , 因 而 更 加 重 要 。 实 现 方 法 是 在 开 关 稳 压 器 的 输 出 端 接 电 压 比 较 器 , 如 图7所 示 。


正 常 时 , 比 较 器 没 有 输 出 , 一 旦 电 压 跌 落 在 允 许 值 之 下 比 较 器 就 翻 转 , 驱 动 告 警 电 路;同 时 反 馈 到 开 关 稳 压 器 的 控 制 电 路 , 使 开 关 三 极 管 截 止 或 切 断 输 入 电 源 。
7 过 热 保 护
开 关 稳 压 器 的 高 集 成 化 和 轻 量 小 体 积 , 使 其 单 位 体 积 内 的 功 率 密 度 大 大 提 高 , 电 源 装 置 内 部 的 元 器 件 对 其 工 作 环 境 温 度 的 要 求 也 相 应 提 高 。 否 则 , 会 使 电 路 性 能 变 坏 , 元 器 件 过 早 失 效 。 因 此 在 大 功 率 开 关 稳 压 器 中 应 该 设 过 热 保 护 。
采 用 温 度 继 电 器 来 检 测 电 源 装 置 内 部 的 温 度 , 当 电 源 装 置 内 部 产 生 过 热 时 , 温 度 继 电 器 就 动 作 , 使 整 机 告 警 电 路 处 于 告 警 状 态 , 实 现 对 电 源 的 过 热 保 护 。 亦 可 将 温 度 继 电 器 置 于 开 关 三 极 管 的 附 近 , 一 般 大 功 率 管 允 许 的 最 高 管 壳 温 度 是75℃ , 调 节 温 度 整 定 值 为 60℃ 。 当 管 壳 温 度 超 过 允 许 值 后 继 电 器 就 切 断 电 器 , 对 开 关 管 进 行 保 护 。
半 导 体 热 敏 开 关 器 件“ 热 晶 闸 管 ” 在 超 温 保 护 方 面 有 重 要 作 用 。 它 可 以 用 作 温 度 指 示 电 路 。 根 据 p型 控 制 栅 热 晶 闸 管 (tt102)的 特 性 , 由 rt〔 见 图 8(a)〕 值 确 定 该 器 件 的 导 通 温 度 , rt越 大 , 导 通 温 度 越 低 。 当 将 其 放 置 功 率 开 关 三 极 管 附 近 , 或 在 电 源 装 置 内 时 , 它 就 能 起 到 温 度 指 示 作 用 。 当 功 率 管 的 管 壳 温 度 或 者 装 置 内 部 的 温 度 超 过 允 许 值 时 , 热 晶 闸 管 就 导 通 , 使 发 光 二 极 管 发 亮 告 警 。
倘 若 配 合 光 电 耦 合 器 , 就 可 使 整 机 告 警 电 路 动 作 , 保 护 开 关 稳 压 器 。 它 亦 可 以 象 图8(b)那 样 用 作 功 率 晶 体 管 的 过 热 保 护 , 晶 体 开 关 管 的 基 极 电 流 被 n控 制 栅 型 热 晶 闸 管 tt201旁 路 , 开 关 管 截 止 , 切 断 集 电 极 电 流 ,防 止 过 热 。

8 结 语
以 上 分 别 讨 论 了 在 开 关 稳 压 器 中 的 各 种 保 护 方 式,并 介 绍 了 一 些 具 体 实 现 的 方 法 。 对 一 个 给 定 的 开 关 稳 压 电 源 来 说 , 还 应 从 整 机 保 护 方 面 考 虑 以 下 几 点 :
1)把 开 关 稳 压 器 中 所 应 用 的 开 关 三 极 管 限 制 在直 流 安 全 工 作 区 域 之 内 工 作 。 对 于 选 定 的 开 关 三 极 管,由 晶 体 管 手 册 可 查 得 其 直 流 安 全 工 作 区 。 根 据 集 电 极 电 流 的 最 大 值 来 确 定 输 入 过 电 流 的 保 护 值 。 但 是 ,这 个 瞬 时 最 大 值 应 转 换 为 电 流 的 平 均 值 。 在 额 定 输 出 电 流 与 输 出 电 压 的 条 件 下 ,开 关 管 的 动 态 负 载 线 不 超 过 直 流 安 全 工 作 区 的 最 大 输 入 电 压 ,就 是 输 入 过 电 压 保 护 的 电 压 值 。
2)把 开 关 稳 压 器 的 输 出 限 制 在 所 给 定 的 技 术 指标 之 内 。 在 所 要 求 的 工 作 温 度 范 围 内,开 关 稳 压 器 的 输 出 电 压 的 上 、 下 限 就 是 输 出 过 、 欠 电 压 保 护 的 电 压 值 。 过 电 流 保 护 则 可 根 据 最 大 输 出 电 流 来 确 定 。 为 了 不 误 告 警 ,保 护 值 应 适 当 留 一 定 的 余 量 。
3)由 以 上 两 点 确 定 保 护 方 式 之 后 ,再 根 据 电 源装 置 的 需 要 来 确 定 告 警 措 施 。 一 般 告 警 措 施 有 声 警 和 光 警 两 种 。 声 警 适 用 于 整 机 比 较 复 杂 、 电 源 部 分 又 装 在 不 显 眼 的 地 方,它 可 以 给 工 作 人 员 以 有 效 的 故 障 告 警 ;光 警 可 以 醒 目 地 指 示 故 障 告 警 并 指 出 故 障 发 生 的 部 位 和 类 型 。 保 护 措 施 要 视 所 保 护 的 部 位 来 确 定 。 在 大 功 率 ,多 路 电 源 的 场 合 ,总 是 用 交 、 直 流 断 路 器 ,高 灵 敏 继 电 器 等 构 成 自 动 保 护 措 施 ,切 断 电 源 的 输 入 使 系 统 停 止 工 作 ,免 受 损 害 。 通 过 逻 辑 控 制 电 路 使 相 应 的 开 关 三 极 管 截 止 的 方 案 显 得 既 灵 敏 方 便 又 经 济 。 这 样 可 以 省 去 体 积 大 ,响 应 时 间 长 ,价 格 贵 的 大 功 率 继 电 器 或 断 路 器 。
4)电 源 中 加 设 了 保 护 电 路 之 后 会 影 响 系 统 的 可靠 性 , 为 此 要 求 保 护 电 路 本 身 的 可 靠 性 要 高 , 以 提 高 整 个 电 源 系 统 的 可 靠 性 , 进 而 提 高 电 源 本 身 的mtbf。 这 就 要 求 保 护 的 逻 辑 严 密 ,电 路 简 单 、 元 器 件 最 少 , 除 此 而 外 还 要 考 虑 到 保 护 电 路 本 身 出 故 障 时 维 修 难 度 和 其 所 保 护 的 电 源 损 坏 程 度 。
所 以 必 须 全 面 系 统 地 考 虑 开 关 电 源 各 种 保 护 措 施 , 确 保 开 关 电 源 的 正 常 工 作 和 高 效 率 与 高 可 靠 性 。
参 考 文 献
[1] 李 爱 文 .现 代 逆 变 技 术 及 应 用 [m].北 京 :科 学 出 版 社 , 2000.
[2] 何 希 才 .新 型 开 关 电 源 设 计 与 应 用 [m].北 京 :科 学 出版 社,2001.
[3] 常 敏 慧 .开 关 电 源 应 用 、 设 计 与 维 修 [m].北 京 :科 学 文 献出版社,2001.

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