過(guò)流短路保護電路的設計方法

由于逆變電源在電路中肩負著(zhù)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，那么就有可能出現燒毀的情況，想要有效避免短路情況的發(fā)生，就要充分重視逆變電源中的過(guò)流短保護電路。本篇文章就將為大家介紹過(guò)流短路保護電路的設計。

現實(shí)生活中的負載大多數是沖擊性負載，例如熾燈泡，在冷態(tài)時(shí)的電阻要比點(diǎn)亮時(shí)低很多，像電腦，電視機等整流性負載，由于輸入的交流電經(jīng)過(guò)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。還有冰箱等電機感性負載，電機從靜止到正常轉動(dòng)也需要用電力產(chǎn)生比較大的轉矩因而起動(dòng)電流也比較大。

如果我們的逆變器只能設定一個(gè)能長(cháng)期工作的額定輸出功率的話(huà)，在起動(dòng)功率大于這個(gè)額定輸出功率的負載就不能起動(dòng)了，這就需要按照起動(dòng)功率來(lái)配備逆變器了，這顯然是一種浪費。實(shí)際中，我們在設計過(guò)流短路保護電路時(shí)我們會(huì )設計兩個(gè)保護點(diǎn)，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(shí)間上額定功率是長(cháng)時(shí)間工作不會(huì )保護的，峰值功率一般只維持到幾秒就保護了。下面進(jìn)行舉例說(shuō)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，可以這么理解，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(gè)比較器單元我們分別用來(lái)做過(guò)流和短路檢測。

先看由IC3D及其外圍元件組成的過(guò)流保護電路，IC3D的8腳設定一個(gè)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(jīng)過(guò)R24，C17延時(shí)后超過(guò)8腳電壓14腳輸出高電平通過(guò)D7隔離到IC3B的5腳。4腳兼做電池欠壓保護，正常時(shí) 5腳電壓低于4腳，過(guò)流后5腳電壓高于4腳，2腳輸出高電平控制后級的高壓MOS關(guān)斷，當然也可以控制前級的MOS一起關(guān)斷。D8的作用是過(guò)流短路或電池欠壓后正反饋鎖定2腳為高電平。

再看IC3C組成的短路保護電路，原理和過(guò)流保護差不多，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)現短路保護在幾個(gè)微秒內關(guān)斷，有效地保護了高壓MOS管的安全。順便說(shuō)的一點(diǎn)是短路保護點(diǎn)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(lái)說(shuō)電流在ID以?xún)?，?dòng)作時(shí)間在30微秒以?xún)仁潜容^安全的。

IGBT的驅動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)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(lǐng)域里，在中大功率逆變器中也得到廣泛應用。

IGBT缺點(diǎn)，一是集電極電流有一個(gè)較長(cháng)時(shí)間的拖尾——關(guān)斷時(shí)間比較長(cháng)，所以關(guān)斷時(shí)一般需要加入負的電壓加速關(guān)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(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(shí)現，當集電極電流很大或短路時(shí)，IGBT退出飽和區，進(jìn)入放大區。上面說(shuō)過(guò)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(lái)減小集電極的電流以延長(cháng)保護時(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(lái)減小集電極的電流這個(gè)措施的話(huà)一般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，4-5 V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(guò)快，一般要控制在2μS左右，也就是說(shuō)為了使集電極電流從很大的短路電流降到過(guò)載保護的1.2-1.5倍一般要控制在2μS 左右，不能過(guò)快，在過(guò)載保護的延時(shí)之內如果短路消失的話(huà)是可以自動(dòng)恢復的，如果依然維持在超過(guò)過(guò)載保護電流的話(huà)由過(guò)載保護電路關(guān)斷IGBT.

所以IGBT的短路保護一般是配合過(guò)載保護的，下面是一個(gè)TLP250增加慢降柵壓的驅動(dòng)和短路保護的應用電路圖：

圖2中電路正常工作時(shí)，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短路后退出飽和狀態(tài)，集電極電位迅速上升，D2由導通轉向截止。當驅動(dòng)信號為高電平時(shí)，ZD1被擊穿，C2能夠使Q1的開(kāi)通有一小段的延時(shí)，使得Q3導通時(shí)可以有一小段的下降時(shí)間，避免了正常工作時(shí)保護電路的誤保護。ZD1被擊穿后Q1由于C2的存在經(jīng)過(guò)一段很短的時(shí)間后延時(shí)導通，C1開(kāi)始通過(guò)R4，Q1充電，D1的負端電位開(kāi)始下降，當D1的負端電位開(kāi)始下降到D1與Q3be結的壓降之和時(shí)Q3開(kāi)始導通，Q2、Q4基極電位開(kāi)始下降，Q3的柵極電壓也開(kāi)始下降。當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(guò)程也結束，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。