【導(dǎo)讀】在電路設(shè)計中總會存在著一些不穩(wěn)定因素，而用來防止此類不穩(wěn)定因素且又不影響電路效果的回路稱作保護(hù)電路。比如有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)等。本文介紹了繼電器保護(hù)電路、電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)電路、開關(guān)量輸入電路及過壓/過熱保護(hù)電路設(shè)計，供讀者品讀。
TOP1 繼電器保護(hù)電路設(shè)計盤點
光耦亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，該電路采用的是全橋拓?fù)浣?jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換再整流，實驗項目是三相進(jìn)線15V/6KA輸出。其中，主回路的保護(hù)設(shè)計及報警設(shè)計是必不可少的。我首先想到的是，通過單片機(jī)輸出控制繼電器動作，而且由于抗干擾的要求，我必須通過光耦隔離。。于是乎，光耦隔離繼電器保護(hù)電路設(shè)計應(yīng)需而生。
主要電路設(shè)計如下圖：
該繼電保護(hù)主要隔離應(yīng)用的是TI公司生產(chǎn)的TIL117光耦芯片。該芯片無需供電，通過光耦二極管上拉15V電源輸出15mA即可正常工作，有效隔離了輸出側(cè)對主回路的電磁影響。另外該電路還有一個+24V供電電源，大部分繼電器設(shè)計的時候都需要24V，該電源設(shè)計圖如下：
該電路主要的穩(wěn)壓芯片采用的是生產(chǎn)設(shè)計的UA7824芯片，該芯片輸入電壓可調(diào)范圍寬，穩(wěn)壓性能好，功耗低價格低廉。在繼電器電路設(shè)計的圖紙中，穩(wěn)壓電源我大部分是用的這個芯片。
電熱水器缺水保護(hù)報警電路
目前，各式各樣的電熱水器，正逐漸涌入人們的家庭。各種非高檔的電熱水器多是加熱元件在水中使用，目的是借助水的散熱作用使其加熱溫度不超過 100℃，否則將使加熱元件燒壞，故在這類電熱水器的外殼上，均標(biāo)注醒目“先注水后通電”的字樣。但有時人們洗完澡后忘關(guān)了電源，或者使用中過早關(guān)閉水源，把箱體內(nèi)的水用完燒干，便造成了加熱元件損壞的現(xiàn)象。電熱水器保安裝置，正是為防止熱水器因缺水而燒損加熱元件而設(shè)計的。當(dāng)電源接通箱體內(nèi)供水正常時，電熱水器安全工作；若箱體內(nèi)水位低于電加熱元件，而又不能繼續(xù)注水時，立即停止熱水器的供電，并發(fā)出告警聲響與燈光，提醒使用者應(yīng)該向熱水器中注水，否則電熱水器的電源不通。
電路工作原理
電熱水器保安裝置的電路原理，如圖1所示，它是由水位檢測開關(guān)電路和報警發(fā)聲顯示電路所組成的。
圖中，由三極管BG1、BG2、繼電器J及水位檢測針組成；電容器C2、氖泡和壓電陶瓷片HTD組成報警發(fā)聲與燈光顯示電路。
220V交流電源電容C1降壓，二極管D半波整流后，供給BG1、BG2管組成的開關(guān)電路。當(dāng)檢測水位高于檢測針的位置時，水位檢測針因淹沒在水中，使BG1、BG2管的基極與發(fā)射極短接，導(dǎo)致BG1、BG2管截止，繼電器J不動作，其常閉觸點J1接通熱水器的電源插座電源，常開觸點斷開報警聲光電路；當(dāng)箱體內(nèi)的水位低于水位檢測針時，由于BG1、BG2管的基極同發(fā)射極斷開，則BG1、BG2管立即導(dǎo)通，繼電器J動作，常閉觸點斷開熱水器插座電源，停止供電，常開觸點閉合，接通報警聲光電路的電源，發(fā)出聲光告警。
TOP2 MSP430電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)電路
微機(jī)保護(hù)的硬件由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)等組成。整體原理圖如圖1所示。通常整套硬件是用單獨的專用機(jī)箱組裝的。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(tǒng)，它的作用是將互感器次側(cè)輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過隔離、采樣、A／D轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，然后經(jīng)過CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運算，開關(guān)量輸出輸入系統(tǒng)的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數(shù)據(jù)采集輸入，其中的一路見圖2。該系統(tǒng)中，共有3個部分組成：互感器與變換器、低通有源濾波器、限壓電路。互感器與變換器分別包括電流和電壓。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓，并將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可接受的電流和電壓值。這里選擇CS- TA1型互感器，一般將二次側(cè)的電流值變?yōu)? A。另外，由于要求實現(xiàn)零序保護(hù)，將B相的電流互感器設(shè)定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側(cè)電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3．3 V，但作為保護(hù)電路，要考慮到瞬時脈沖電流的最大值可能遠(yuǎn)大于平均值，所以設(shè)計的電路可以使單片機(jī)承受正常電流20倍以上的沖擊。
電網(wǎng)上采集的電流電壓有高次諧波，不利于軟件求出電流平均值，因此要加入低通有源濾波器，見圖3。
圖3中，Vo：Vi=1+R7／R6，可以選R6=400 Ω，R，=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率叫ωn=1／（RC）。對于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達(dá)到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機(jī)的地是一致的。由于MSP430F1611的容許電壓是3．3 V，而電網(wǎng)電流可能產(chǎn)生瞬時脈動而造成單片機(jī)的燒毀，因而要有一限壓電路。如圖4所示。
圖4中，因二極管的存在，輸入A／D轉(zhuǎn)換器的電壓被限制在3．3 V以下。同時兩個電阻產(chǎn)生分壓效果。當(dāng)電壓過高，會使二極管導(dǎo)通，輸入A／D轉(zhuǎn)換器的電壓會箝制在3．3 V。CMSP430系列單片機(jī)是由美國德州儀器設(shè)計開發(fā)的。這是一種具有超低功耗特性、功能強大的單片機(jī)。它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等優(yōu)點。對微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入／輸出，即接點狀態(tài)的輸入／輸出可以分為兩類：安裝在裝置面版上的接點；從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點。保護(hù)模塊不僅要有保護(hù)裝置，還要與測量顯示模塊實現(xiàn)異步通信。要從測量顯示模塊得到設(shè)定值及從自身得到閘刀的開關(guān)狀態(tài)，必須要有開關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關(guān)量直接接在P3口上，而自身得到的開關(guān)量需要有開關(guān)量輸入電路。
TOP3 開關(guān)量輸入電路
圖5中，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后與CPU相連。其中，當(dāng)輸人端為高電平時，輸出端為低電平。
開關(guān)量輸出電路
開關(guān)量輸出電路是跳閘合閘信號的通道，低電平有效，如圖6所示。
IGBT保護(hù)電路的過流保護(hù)設(shè)計方案
生產(chǎn)廠家對IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴(yán)格的限制條件，且IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒（SCR、GTR等器件承受過流時間為幾十微秒），耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護(hù)。產(chǎn)生過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、輸出端對地短路與電機(jī)絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。
對IGBT的過流檢測保護(hù)分兩種情況：（1）驅(qū)動電路中無保護(hù)功能。這時在主電路中要設(shè)置過流檢測器件。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中，如圖1（a）所示，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小;對于大中容量變頻器，因電流大，需用電流互感器TA（如霍爾傳感器等）。電流互感器所接位置：一是像串電阻那樣串接在主回路中，如圖1（a）中的虛線所示;二是串接在每個IGBT上，如圖1（b）所示。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經(jīng)濟(jì)簡單，但檢測精度較差;后者直接反映每個IGBT的電流，測量精度高，但需6個電流互感器。過電流檢測出來的電流信號，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實現(xiàn)
過流保護(hù)。
圖1 IGBT的過流檢測
（2）驅(qū)動電路中設(shè)有保護(hù)功能。如日本英達(dá)公司的HR065、富士電機(jī)的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驅(qū)動與保護(hù)功能于一體的集成電路（稱為混合驅(qū)動模塊），其電流檢測是利用在某一正向柵壓 Uge下，正向?qū)ü軌航礥ce（ON）與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測Uce（ON）的大小來判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高。不同型號的混合驅(qū)動模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據(jù)實際情況恰當(dāng)選用。由于混合驅(qū)動模塊本身的過流保護(hù)臨界電壓動作值是固定的（一般為7～10V），因而存在著一個與IGBT配合的問題。通常采用的方法是調(diào)整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅(qū)動模塊之間的二極管V的個數(shù)，如圖2（a）所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅(qū)動模塊過流保護(hù)動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce（ON）之差。
圖2 混合驅(qū)動模塊與IGBT過流保護(hù)的配合
上述用改變二極管的個數(shù)來調(diào)整過流保護(hù)動作點的方法，雖然簡單實用，但精度不高。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅(qū)動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調(diào)。在實際工作中，改進(jìn)方法有兩種：（1）改變二極管的型號與個數(shù)相結(jié)合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅(qū)動模塊過流保護(hù)臨界動作電壓值為 7.84V時，那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應(yīng)為7.84-2.65=5.19V，此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(lián)，其通態(tài)壓降之和為 0.7×7+0.3×1=5.20V（硅管視為0.7V，鍺管視為0.3V），則能較好地實現(xiàn)配合（2）二極管與電阻相結(jié)合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進(jìn)方法很難精確設(shè)定IGBT過流保護(hù)的臨界動作電壓值如果用電阻取代1～2個二極管，如圖2（b），則可做到精確配合。
TOP4 過壓/過熱保護(hù)電路設(shè)計
另外，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關(guān)器件本身延時過長等原因，使上下兩個IGBT直通，橋臂短路，此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大，極易損壞IGBT 為此，還可以設(shè)置橋臂互鎖保護(hù)，如圖3所示。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅(qū)動信號進(jìn)行互鎖，使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個 IGBT驅(qū)動信號可否通過的制約條件，只有在一個IGBT被確認(rèn)關(guān)斷后，另一個IGBT才能導(dǎo)通，這樣嚴(yán)格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn)。
圖3 IGBT橋臂直通短路保護(hù)
過壓保護(hù)
IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負(fù)載電感的作用，將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓 uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過壓能力較差，這樣就會使IGBT擊穿，因此，其過壓保護(hù)也是十分重要的。過壓保護(hù)可以從以下幾個方面進(jìn)行：
（1）盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設(shè)計制造者來說，要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如采用分層電路、縮小有效回路面積等），減少寄生電感; 作為使用者來說，要優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)（采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等），減少雜散電感。另外，在整個線路上多加一些低阻低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線路電感。所有這些，對于直接減少IGBT的關(guān)斷過電壓均有較好的效果。
（2）采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。常用的吸收回路有兩種，如圖4所示。其中（a）圖為充放電吸收回路，（b）圖為鉗位式吸收回路。對于電路中元件的選用，在實際工作中，電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容，也可選用陶瓷電容，容量為2 F左右。電容量選得大一些，對浪涌尖峰電壓的抑制好一些，但過大會受到放電時間的限制。電阻R選用氧化膜無感電阻，其阻值的確定要滿足放電時間明顯小于主電路開關(guān)周期的要求，可按R≤T/6C計算，T為主電路的開關(guān)周期。二極管V應(yīng)選用正向過渡電壓低、逆向恢復(fù)時間短的軟特性緩沖二極管。
（3）適當(dāng)增大柵極電阻Rg。實踐證明，Rg增大，使IGBT的開關(guān)速度減慢，能明顯減少開關(guān)過電壓尖峰，但相應(yīng)的增加了開關(guān)損耗，使 IGBT發(fā)熱增多，要配合進(jìn)行過熱保護(hù)。Rg阻值的選擇原則是：在開關(guān)損耗不太大的情況下，盡可能選用較大的電阻，實際工作中按Rg=3000/Ic 選取。
圖4 吸收回路
除了上述減少c、e之間的過電壓之外，為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞 IGBT，可在g、e之間設(shè)置一些保護(hù)元件，電路如圖5所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放，其阻值可取4.7kΩ;兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。
圖5 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護(hù)
過熱保護(hù)
IGBT 的損耗功率主要包括開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，前者隨開關(guān)頻率的增高而增大，占整個損耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積。由于 IGBT是大功率半導(dǎo)體器件，損耗功率使其發(fā)熱較多（尤其是Rg選擇偏大時），加之IGBT的結(jié)溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過熱保護(hù)。
編輯點評：在實際工作中，采用普通散熱器與強迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關(guān)。當(dāng)溫度達(dá)到75℃～80℃時，通過 SG3525的關(guān)閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號，從而使驅(qū)動器封鎖IGBT的開關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護(hù)。過電流檢測是利用場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過設(shè)定值時就停止放電，在電路中一般還加有延時電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流。本文介紹了各種保護(hù)電路，供讀者品讀。
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