直流開關(guān)電源內(nèi)部器件的各種保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，因此直流開關(guān)電源開始發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了直流開關(guān)電源［1-3］。同時(shí)隨著許多高新技術(shù)，包括高頻開關(guān)技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智能化技術(shù)、表面安裝技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。但是由于開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過(guò)程中給用戶帶來(lái)很大不便。為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載的安全，根據(jù)了直流開關(guān)電源的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了過(guò)熱保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)以及軟啟動(dòng)保護(hù)電路。

2 開關(guān)電源的原理及特點(diǎn)

2.1工作原理

直流開關(guān)電源由輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉(zhuǎn)換部分是開關(guān)電源的核心，它對(duì)非穩(wěn)定直流進(jìn)行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開關(guān)三極管和高頻變壓器組成。圖1畫出了直流開關(guān)電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關(guān)管V，激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流二極管Vp，儲(chǔ)能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上，直流開關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。

2.2特點(diǎn)

為了適應(yīng)用戶的需求，國(guó)內(nèi)外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是通過(guò)改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，同時(shí)SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。因此直流開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。

直流開關(guān)電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾，適應(yīng)惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱。由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家還有一定的差距，因此直流開關(guān)電源的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高，

3 直流開關(guān)電源的保護(hù)

基于直流開關(guān)電源的特點(diǎn)和實(shí)際的電氣狀況，為使直流開關(guān)電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據(jù)不同的情況設(shè)計(jì)了多種保護(hù)電路。

3.1過(guò)電流保護(hù)電路

在直流開關(guān)電源電路中，為了保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。其基本方法是，當(dāng)輸出電流超過(guò)某一值時(shí)，調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動(dòng)切斷電路電流。如圖1所示，過(guò)電流保護(hù)電路由三極管BG2 和分壓電阻R4、R5組成。電路正常工作時(shí)，通過(guò)R4與R5的壓作用，使得BG2 的基極電位比發(fā)射極電位高，發(fā)射結(jié)承受反向電壓。于是BG2 處于截止?fàn)顟B(tài)（相當(dāng)于開路），對(duì)穩(wěn)壓電路沒(méi)有影響。當(dāng)電路短路時(shí)，輸出電壓為零，BG2 的發(fā)射極相當(dāng)于接地，則BG2 處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于短路），從而使調(diào)整管BG1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止?fàn)顟B(tài)，切斷電路電流，從而達(dá)到保護(hù)目的。

3.2過(guò)電壓保護(hù)電路

直流開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的過(guò)電壓保護(hù)包括輸入過(guò)電壓保護(hù)和輸出過(guò)電壓保護(hù)。如果開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源（諸如蓄電池和整流器）的電壓如果過(guò)高，將導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器件，因此開關(guān)電源中有必要使用輸入過(guò)電壓保護(hù)電路。圖3為用晶體管和繼電器所組成的保護(hù)電路，在該電路中，當(dāng)輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過(guò)電阻R，使晶體管T導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開，切斷輸入。輸入電源的極性保護(hù)電路可以跟輸入過(guò)電壓保護(hù)結(jié)合在一起，構(gòu)成極性保護(hù)鑒別與過(guò)電壓保護(hù)電路。

3.3 軟啟動(dòng)保護(hù)電路

開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路比較復(fù)雜，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機(jī)瞬間，濾波電容器會(huì)流過(guò)很大的浪涌電流，這個(gè)浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會(huì)使普通電源開關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化，并使輸入保險(xiǎn)絲熔斷。另外，浪涌電流也會(huì)損害電容器，使之壽命縮短，過(guò)早損壞。為此，開機(jī)時(shí)應(yīng)該接入一個(gè)限流電阻，通過(guò)這個(gè)限流電阻來(lái)對(duì)電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過(guò)多的功率，以致影響開關(guān)穩(wěn)壓器的正常工作，而在開機(jī)暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它，使直流電源直接對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器供電，這種電路稱之謂直流開關(guān)電源的“軟啟動(dòng)”電路 。

如圖4（a）所示，在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋（D1～D4）和限流電阻R1對(duì)電容器C充電，限制浪涌電流。當(dāng)電容器C充電到約80%額定電壓時(shí)，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管導(dǎo)通并短路限流電阻R1，開關(guān)電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)。為了提高延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性及防止繼電器動(dòng)作抖動(dòng)振蕩，延遲電路可采用圖4（b）所示電路替代RC延遲電路。

3.4過(guò)熱保護(hù)電路

直流開關(guān)電源中開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求沒(méi)有相應(yīng)提高，必然會(huì)使電路性能變壞，元器件過(guò)早失效。因此在大功率直流開關(guān)電源中應(yīng)該設(shè)過(guò)熱保護(hù)電路。

本文采用溫度繼電器來(lái)檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度，當(dāng)電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)熱時(shí)，溫度繼電器就動(dòng)作，使整機(jī)告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的過(guò)熱保護(hù)。如圖5（a）所示，在保護(hù)電路中將P型控制柵熱晶閘管放置在功率開關(guān)三極管附近，根據(jù)TT102的特性（由Rr值確定該器件的導(dǎo)通溫度，Rr越大，導(dǎo)通溫度越低），當(dāng)功率管的管殼溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過(guò)允許值時(shí)，熱晶閘管就導(dǎo)通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機(jī)告警電路動(dòng)作，保護(hù)開關(guān)電源。該電路還可以設(shè)計(jì)成如圖5（b）所示，用作功率晶體管的過(guò)熱保護(hù)，晶體開關(guān)管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關(guān)管截止，切斷集電極電流，防止過(guò)熱。

4 小結(jié)

文中主要討論了直流開關(guān)電源內(nèi)部器件的各種保護(hù)方式，并介紹了一些具體電路。對(duì)一個(gè)給定的直流開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。因?yàn)殚_關(guān)電源的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性，所以對(duì)具體電源裝置而言，應(yīng)選擇合理的保護(hù)方案和電路結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常選用幾種保護(hù)方式加以組合的方式構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)，確保直流開關(guān)電源的正常工作。