幾種實(shí)用的直流開(kāi)關(guān)電源保護電路
1 引 言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設備都離不開(kāi)可靠的電源，因此直流開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，并相繼進(jìn)入各種電子、電器設備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了直流開(kāi)關(guān)電源［1-3］。同時(shí)隨著(zhù)許多高新技術(shù)，包括高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、功率因數校正技術(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(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng )新，這為直流開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間［4］。但是由于開(kāi)關(guān)電源中控制電路比較復雜，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(hù)帶來(lái)很大不便。為了保護開(kāi)關(guān)電源自身和負載的安全，根據了直流開(kāi)關(guān)電源的原理和特點(diǎn)，設計了過(guò)熱保護、過(guò)電流保護、過(guò)電壓保護以及軟啟動(dòng)保護電路。
2 開(kāi)關(guān)電源的原理及特點(diǎn)
2.1工作原理
直流開(kāi)關(guān)電源由輸入部分、功率轉換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉換部分是開(kāi)關(guān)電源的核心，它對非穩定直流進(jìn)行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開(kāi)關(guān)三極管和高頻變壓器組成。圖1畫(huà)出了直流開(kāi)關(guān)電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開(kāi)關(guān)管V，激勵信號，續流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上，直流開(kāi)關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。
2.2特點(diǎn)
為了適應用戶(hù)的需求，國內外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)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)的應用使得開(kāi)關(guān)電源取得了長(cháng)足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。因此直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。
直流開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴重的開(kāi)關(guān)干擾，適應惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱。由于國內微電子技術(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)國家還有一定的差距，因此直流開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的保護
基于直流開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)和實(shí)際的電氣狀況，為使直流開(kāi)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，本文根據不同的情況設計了多種保護電路。
3.1過(guò)電流保護電路
在直流開(kāi)關(guān)電源電路中，為了保護調整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀。其基本方法是，當輸出電流超過(guò)某一值時(shí)，調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)射結承受反向電壓。于是BG2 處于截止狀態(tài)（相當于開(kāi)路），對穩壓電路沒(méi)有影響。當電路短路時(shí)，輸出電壓為零，BG2 的發(fā)射極相當于接地，則BG2 處于飽和導通狀態(tài)（相當于短路），從而使調整管BG1 基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止狀態(tài)，切斷電路電流，從而達到保護目的。
3.2過(guò)電壓保護電路
直流開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)穩壓器的過(guò)電壓保護包括輸入過(guò)電壓保護和輸出過(guò)電壓保護。如果開(kāi)關(guān)穩壓器所使用的未穩壓直流電源（諸如蓄電池和整流器）的電壓如果過(guò)高，將導致開(kāi)關(guān)穩壓器不能正常工作，甚至損壞內部器件，因此開(kāi)關(guān)電源中有必要使用輸入過(guò)電壓保護電路。圖3為用晶體管和繼電器所組成的保護電路，在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩壓二極管的擊穿電壓值時(shí)，穩壓管擊穿，有電流流過(guò)電阻R，使晶體管T導通，繼電器動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，切斷輸入。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過(guò)電壓保護結合在一起，構成極性保護鑒別與過(guò)電壓保護電路。
3.3 軟啟動(dòng)保護電路
開(kāi)關(guān)穩壓電源的電路比較復雜，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開(kāi)機瞬間，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倍。這樣大的浪涌電流會(huì )使普通電源開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)或繼電器的觸點(diǎn)熔化，并使輸入保險絲熔斷。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(kāi)機時(shí)應該接入一個(gè)限流電阻，通過(guò)這個(gè)限流電阻來(lái)對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過(guò)多的功率，以致影響開(kāi)關(guān)穩壓器的正常工作，而在開(kāi)機暫態(tài)過(guò)程結束后，用一個(gè)繼電器自動(dòng)短接它，使直流電源直接對開(kāi)關(guān)穩壓器供電，這種電路稱(chēng)之謂直流開(kāi)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(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，使晶閘管導通并短路限流電阻R1，開(kāi)關(guān)電源處于正常運行狀態(tài)。為了提高延遲時(shí)間的準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)熱保護電路
直流開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)穩壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒(méi)有相應提高，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(kāi)關(guān)電源中應該設過(guò)熱保護電路。
本文采用溫度繼電器來(lái)檢測電源裝置內部的溫度，當電源裝置內部產(chǎn)生過(guò)熱時(shí)，溫度繼電器就動(dòng)作，使整機告警電路處于告警狀態(tài)，實(shí)現對電源的過(guò)熱保護。如圖5（a）所示，在保護電路中將P型控制柵熱晶閘管放置在功率開(kāi)關(guān)三極管附近，根據TT102的特性（由Rr值確定該器件的導通溫度，Rr越大，導通溫度越低），當功率管的管殼溫度或者裝置內部的溫度超過(guò)允許值時(shí)，熱晶閘管就導通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動(dòng)作，保護開(kāi)關(guān)電源。該電路還可以設計成如圖5（b）所示，用作功率晶體管的過(guò)熱保護，晶體開(kāi)關(guān)管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開(kāi)關(guān)管截止，切斷集電極電流，防止過(guò)熱。
4 小結
文中主要討論了直流開(kāi)關(guān)電源內部器件的各種保護方式，并介紹了一些具體電路。對一個(gè)給定的直流開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。因為開(kāi)關(guān)電源的保護方案和電路結構具有多樣性，所以對具體電源裝置而言，應選擇合理的保護方案和電路結構。在實(shí)際應用中，通常選用幾種保護方式加以組合的方式構成完善的保護系統，確保直流開(kāi)關(guān)電源的正常工作。
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