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開關電源對電路的保護作用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月13日  

評價開關電源的質量指標應該是以安全性、可靠性為第一原則[1、2、3]。在電氣技術指標滿足正常使用要求的條件下,為使電源在惡劣環境及突發故障情況下安全可靠地工作,必須設計多種保護電路,比如防浪涌的軟啟動,防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。同時,在同一開關電源電路中,設計多種保護電路的相互關聯和應注意的問題也要引起足夠的重視。

開關電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路,在進線電源合閘瞬間,由于電容器上的初始電壓為零,電容器充電瞬間會形成很大的浪涌電流,特別是大功率開關電源,采用容量較大的濾波電容器,使浪涌電流達100A以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流,重者往往會導致輸入熔斷器燒斷或合閘開關的觸點燒壞,整流橋過流損壞;輕者也會使空氣開關合不上閘[4]。上述現象均會造成開關電源無法正常工作,為此幾乎所有的開關電源都設置了防止流涌電流的軟啟動電路,以保證電源正常而可靠運行。防浪涌軟啟動電路通常有晶閘管保護法和繼電器保護法兩大類。


(1)晶閘管保護法


圖1是采用晶閘管V和限流電阻R1組成的防浪涌電流電路。在電源接通瞬間,輸入電壓經整流橋(D1~D4)和限流電阻R1對電容器C充電,限制浪涌電流。當電容器C充電到約80%額定電壓時,逆變器正常工作。經主變壓器輔助繞組出現晶閘管的觸發信號,使晶閘管導通并短路限流電阻R1,開關電源處于正常運行狀態。


圖1采用晶閘管和限流電阻組成的防浪涌電流電路


(2)繼電器保護法


圖2采用繼電器K和限流電阻R1構成的防浪涌電流電路圖3替代R2C2延遲電路


圖2是采用繼電器K和限流電阻R1構成的防浪涌電流電路。電源接通瞬間,輸入電壓經整流(D1~D4)和限流電阻R1對濾波電容器C1充電,防止接通瞬間的浪涌電流,同時輔助電源Vcc經電阻R2對并接于繼電器K線包的電容器C2充電,當C2上的電壓達到繼電器K的動作電壓時,K動作,其觸點K1.1閉合而旁路限流電阻R1,電源進入正常運行狀態。限流的延遲時間取決于時間常數(R2C2),通常選取為0.3~0.5s。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩,延遲電路可采用圖3所示電路替代R2C2延遲電路。


進線電源過壓及欠壓對開關電源造成的危害,重要表現在器件因承受的電壓及電流能力超出正常使用的范圍而損壞,同時因電氣性能指標被破壞而不能滿足要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制,為此采用過壓、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性。


溫度是影響電源設備可靠性的最重要因素。根據有關資料分析表明[5],電子元器件溫度每升高2℃,可靠性下降10%,溫升50℃時的工作壽命只有溫升25℃時的1/6,為了防止功率器件過熱造成損壞,在開關電源中亦要設置過熱保護電路。


圖4過壓、欠壓、過熱保護電路


圖4是僅用一個4比較器LM339及幾個分立元器件構成的過壓、欠壓、過熱保護電路。取樣電壓可以直接從輔助控制電源整流濾波后取得,它反映輸入電源電壓的變化,比較器共用一個基準電壓,N1.1為欠壓比較器,N1.2為過壓比較器,調整R1可以調節過、欠壓的動作閾值。N1.3為過熱比較器,RT為負溫度系數的熱敏電阻,它與R7構成分壓器,緊貼于功率開關器件IGBT的表面,溫度升高時,RT阻值下降,適當選取R7的阻值,使N1.3在設定的溫度閾值動作。N1.4用于外部故障應急關機,當其正向端輸入低電平時,比較器輸出低電平封鎖pWM驅動信號。由于4個比較器的輸出端是并聯的,無論是過壓、欠壓、過熱任何一種故障發生,比較器輸出低電平,封鎖驅動信號使電源停止工作,實現保護。如將電路稍加變動,亦可使比較器輸出高電平封鎖驅動信號。


由于電網自身原因或電源輸入接線不可靠,開關電源有時會出現缺相運行的情況,且掉相運行不易被及時發現。當電源處于缺相運行時,整流橋某一臂無電流,而其它臂會嚴重過流造成損壞,同時使逆變器工作出現異常,因此,必須對缺相進行保護。檢測電網缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測電路。由于電流互感器檢測成本高、體積大,故開關電源中一般采用電子缺相保護電路。圖5是一個簡單的缺相保護電路。三相平衡時,R1~R3結點H電位很低,光耦合輸出近似為零電平。當缺相時,H點電位抬高,光耦輸出高電平,經比較器進行比較,輸出低電平,封鎖驅動信號。比較器的基準可調,以便調節缺相動作閾值。該缺相保護適用于三相四線制,而不適用于三相三線制。電路稍加變動,亦可用高電平封鎖pWM信號。


圖5三相四線制的缺相保護電路


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