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過流短路保護電路的設計方法 [2015/8/28]


    由于逆變電源在(液位計液位變送器)電路中肩負着直流和交流之間的轉換,所以其安全性就顯得尤為重要。如果逆變電源出現短路的情況,那麼就有可能出現燒毀的情況,想要有效避免短路情況的發生,就要充分重視逆變電源中的過流短保護電路。本篇文章就将為大家介紹過流短路保護電路的設計。

現實生活中的負載大多數是沖擊性負載,例如熾燈泡,在冷态時的電阻要比點亮時低很多,像電腦,電視機等整流性負載,由于輸入的交流電經過整流後要用一個比較大的電容濾波,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也需要用電力産生比較大的轉矩因而起動電流也比較大。

    如果我們的逆變器隻能設定一個能長期工作的額定輸出功率的話,在起動功率大于這個額定輸出功率的負載就不能起動了,這就需要按照起動功率來配備逆變器了,這顯然是一種浪費。實際中,我們在設計過流短路保護電路時我們會設計兩個保護點,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。時間上額定功率是長時間工作不會保護的,峰值功率一般隻維持到幾秒就保護了。下面進行舉例說明:

 

如圖1所示,R5為全橋高壓逆變MOS管源極的高壓電流取樣電阻,可以這麼理解,高壓電流的大小基本上決定了輸出功率的大小,所以用R5檢測高壓電流的大小。圖1中LM339的兩個比較器單元我們分别用來做過流和短路檢測。

    先看由IC3D及其外圍元件組成的過流保護電路,IC3D的8腳設定一個基準電壓,由R33、VR4、R56、R54分壓決定其值U8=5* (R33+VR4)/( R33+VR4 +R56+R54)。當R5上的電壓經過R24,C17延時後超過8腳電壓14腳輸出高電平通過D7隔離到IC3B的5腳。4腳兼做電池欠壓保護,正常時 5腳電壓低于4腳,過流後5腳電壓高于4腳,2腳輸出高電平控制後級的高壓MOS關斷,當然也可以控制前級的MOS一起關斷。D8的作用是過流短路或電池欠壓後正反饋鎖定2腳為高電平。

   再看IC3C組成的短路保護電路,原理和過流保護差不多,隻是延時的時間比較短,C19的容量很小,加上LM339的速度很快,可以實現短路保護在幾個微秒内關斷,有效地保護了高壓MOS管的安全。順便說的一點是短路保護點要根據MOS管的ID,安全區域和回路雜散電阻等參數設計。一般來說電流在ID以内,動作時間在30微秒以内是比較安全的。

    IGBT的驅動和短路保護

    IGBT作為一種新型的功率器件,具有電壓和電流容量高等優點,開關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域裡,在中大功率逆變器中也得到廣泛應用。

IGBT缺點,一是集電極電流有一個較長時間的拖尾——關斷時間比較長,所以關斷時一般需要加入負的電壓加速關斷;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候快速關斷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極的飽和壓降實現,當(電容式液位計電容式液位變送器)集電極電流很大或短路時,IGBT退出飽和區,進入放大區。上面說過這時我們不能直接快速關斷 IGBT,我們可以降低栅極電壓來減小集電極的電流以延長保護時間的耐量和減小集電極的DI/DT.如果不采取降低栅極電壓來減小集電極的電流這個措施的話一般2V以下飽和壓降的IGBT的短路耐量隻有5μS;3V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約10-15μS,4-5 V飽和壓降的IGBT的短路耐量大約是30μS.

    還有一點,降栅壓的時間不能過快,一般要控制在2μS左右,也就是說為了使集電極電流從很大的短路電流降到過載保護的1.2-1.5倍一般要控制在2μS 左右,不能過快,在過載保護的延時之内如果短路消失的話是可以自動恢複的,如果依然維持在超過過載保護電流的話由過載保護電路關斷IGBT.

    所以IGBT的短路保護一般是配合過載保護的,下面是一個TLP250增加慢降栅壓的驅動和短路保護的應用電路圖:

 

圖2中電路正常工作時,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短路後退出飽和狀态,集電極電位迅速上升,D2由導通轉向截止。當驅動信号為高電平時,ZD1被擊穿,C2能夠使Q1的開通有一小段的延時,使得Q3導通時可以有一小段的下降時間,避免了正常工作時保護電路的誤保護。ZD1被擊穿後Q1由于C2的存在經過一段很短的時間後延時導通,C1開始通過R4,Q1充電,D1的負端電位開始下降,當D1的負端電位開始下降到D1與Q3be結的壓降之和時Q3開始導通,Q2、Q4基極電位開始下降,Q3的栅極電壓也開始下降。當C1充電到ZD2的擊穿電壓時ZD2被擊穿,C1停止充電,降栅壓的過程也結束,栅極電壓被鉗位在一個固定的電平上。 Q3的集電極電流也被降低到一個固定的水平上。

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