防反接保護(hù)電路
如果逆變器沒有防反接電路,在輸入電池接反的情況下往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果,輕則燒毀保險(xiǎn)絲,重則燒毀大部分電路。在逆變器中防反接保護(hù)電路主要有三種:反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路,如圖1所示。
這種防反接保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單,不會(huì)影響效率,但保護(hù)后會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲F,需要重新更換才能恢復(fù)正常工作。
采用繼電器的防反接保護(hù)電路,基本電路如圖2:
采用MOS管的防反接保護(hù)電路,基本電路如下圖3:
當(dāng)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(hù)電路由于沒有采用機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)而具有比較長的使用壽命,也不會(huì)像反并肖特基二極管組成的防反接保護(hù)電路那樣燒毀保險(xiǎn)絲F.因而得到廣泛應(yīng)用,缺點(diǎn)是MOS導(dǎo)通時(shí)具有一定的損耗。足夠暢通無阻地通過比較大的電流還保持比較低的損耗。
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電池欠壓保護(hù)
為了防止電池過度放電而損壞電池,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(hù)太靈敏的話會(huì)在啟動(dòng)沖擊性負(fù)載時(shí)保護(hù)。這樣逆變器就難以起動(dòng)這類負(fù)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(hù)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(hù)。
大家知道,逆變器的過流短路保護(hù)電路在逆變器的安全中是至關(guān)重要的,如果沒有過流短路保護(hù)逆變器很可能會(huì)因?yàn)檫^流短路而燒毀。
下面先來分析一下負(fù)載的特性,現(xiàn)實(shí)生活中的負(fù)載大多數(shù)是沖擊性負(fù)載,例如熾燈泡,在冷態(tài)時(shí)的電阻要比點(diǎn)亮?xí)r低很多,像電腦,電視機(jī)等整流性負(fù)載,由于輸入的交流電經(jīng)過整流后要用一個(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(jī)感性負(fù)載,電機(jī)從靜止到正常轉(zhuǎn)動(dòng)也需要用電力產(chǎn)生比較大的轉(zhuǎn)矩因而起動(dòng)電流也比較大。
如果我們的逆變器只能設(shè)定一個(gè)能長期工作的額定輸出功率的話,在起動(dòng)功率大于這個(gè)額定輸出功率的負(fù)載就不能起動(dòng)了,這就需要按照起動(dòng)功率來配備逆變器了,這顯然是一種浪費(fèi)。實(shí)際中,我們在設(shè)計(jì)過流短路保護(hù)電路時(shí)我們會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)保護(hù)點(diǎn),額定功率和峰值功率。一般峰值功率設(shè)定為額定功率2-3倍。時(shí)間上額定功率是長時(shí)間工作不會(huì)保護(hù)的,峰值功率一般只維持到幾秒就保護(hù)了。下面以過流短路保護(hù)電路為例講解下:
先看由IC3D及其外圍元件組成的過流保護(hù)電路,IC3D的8腳設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)電壓,由R33、VR4、R56、R54分壓決定其值U8=5*(R33+VR4)/(R33+VR4+R56+R54)。當(dāng)R5上的電壓經(jīng)過R24、C17延時(shí)后超過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(hù),正常時(shí)5腳電壓低于4腳,過流后5腳電壓高于4腳,2腳輸出高電平控制后級(jí)的高壓MOS關(guān)斷,當(dāng)然也可以控制前級(jí)的MOS一起關(guān)斷。D8的作用是過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(hù)電路,原理和過流保護(hù)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(xiàn)短路保護(hù)在幾個(gè)微秒內(nèi)關(guān)斷,有效地保護(hù)了高壓MOS管的安全。順便說的一點(diǎn)是短路保護(hù)點(diǎn)要根據(jù)MOS管的ID,安全區(qū)域和回路雜散電阻等參數(shù)設(shè)計(jì)。一般來說電流在ID以內(nèi),動(dòng)作時(shí)間在30微秒以內(nèi)是比較安全的。
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IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)
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),開關(guān)速度遠(yuǎn)高于雙極型晶體管而略低于MOS管,因而廣泛地應(yīng)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(yīng)用。
IGBT的缺點(diǎn),一是集電極電流有一個(gè)較長時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長,所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負(fù)的電壓加速關(guān)斷;二是抗DI/DT的能力比較差,如果像保護(hù)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(yīng)出很高的電壓而損壞。
IGBT的短路保護(hù)一般是檢測CE極的飽和壓降實(shí)現(xiàn),當(dāng)集電極電流很大或短路時(shí),IGBT退出飽和區(qū),進(jìn)入放大區(qū)。上面說過這時(shí)我們不能直接快速關(guān)斷IGBT,我們可以降低柵極電壓來減小集電極的電流以延長保護(hù)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減小集電極的電流這個(gè)措施的話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(hù)的1.2-1.5倍一般要控制在2μS左右,不能過快,在過載保護(hù)的延時(shí)之內(nèi)如果短路消失的話是可以自動(dòng)恢復(fù)的,如果依然維持在超過過載保護(hù)電流的話由過載保護(hù)電路關(guān)斷IGBT。
所以IGBT的短路保護(hù)一般是配合過載保護(hù)的,下面是一個(gè)TLP250增加慢降柵壓的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)的應(yīng)用電路圖:
下降到D1與Q3be結(jié)的壓降之和時(shí)Q3開始導(dǎo)通,Q2、Q4基極電位開始下降,Q3的柵極電壓也開始下降。當(dāng)C1充電到ZD2的擊穿電壓時(shí)ZD2被擊穿,C1停止充電,降柵壓的過程也結(jié)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(qū)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(hù)電路,通過對(duì)這三種保護(hù)形勢的講解,希望能夠幫助大家逆變電源中的保護(hù)電路有進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí),從而方便自己的設(shè)計(jì)。
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