最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（一）

簡(jiǎn)易交流電源短路保護(hù)電路

交流電源電壓正常時(shí)，繼電器吸合，接通負(fù)載（Rfz）回路。當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)，KA兩端電壓迅速下降，KA釋放，切斷負(fù)載回路。同時(shí)，發(fā)光二極管VL點(diǎn)亮，指示電路發(fā)生短路。

最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（二）

這是一個(gè)自鎖的保護(hù)電路，短路時(shí)：Q3極被拉低，Q2導(dǎo)通，形成自鎖，迫使Q3截止，Q3截至后面負(fù)載沒(méi)有電壓，這時(shí)有沒(méi)有負(fù)載已經(jīng)沒(méi)有關(guān)系了，所以即使拿掉負(fù)載也不會(huì)有輸出。要想拿掉負(fù)載后恢復(fù)輸出，可以在Q3得CE結(jié)上接一個(gè)電阻，取1K左右。

C2和c3很重要，在自鎖后，重啟電路就靠這兩個(gè)電容，否則啟動(dòng)失敗。原理是上電時(shí)，電容兩端電壓不能突變，C2使得Q2基極在上電瞬間保持高電平，使得Q2不導(dǎo)通。C3則使得上電瞬間Q3基極保持低電平，使得Q3導(dǎo)通Vout有電壓。這樣R5位高電平，鎖住導(dǎo)通。

最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（三）

缺相保護(hù)電路

由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠，開(kāi)關(guān)電源有時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺相運(yùn)行的情況，且掉相運(yùn)行不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)電源處于缺相運(yùn)行時(shí)，整流橋某一臂無(wú)電流，而其它臂會(huì)嚴(yán)重過(guò)流造成損壞，同時(shí)使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此必須對(duì)缺相進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測(cè)電路。由于電流互感器檢測(cè)成本高、體積大，故開(kāi)關(guān)電源中一般采用電子缺相保護(hù)電路。圖5是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子缺相保護(hù)電路。三相平衡時(shí)，R1～R3結(jié)點(diǎn)H電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當(dāng)缺相時(shí)，H點(diǎn)電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進(jìn)行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。比較器的基準(zhǔn)可調(diào)，以便調(diào)節(jié)缺相動(dòng)作閾值。該缺相保護(hù)適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。

圖5 三相四線制的缺相保護(hù)電路

圖6是一種用于三相三線制電源缺相保護(hù)電路，A、B、C缺任何一相，光耦器輸出電平低于比較器的反相輸入端的基準(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動(dòng)，亦可用高電平封鎖PWM信號(hào)。這種缺相保護(hù)電路采用光耦隔離強(qiáng)電，安全可靠，RP1、RP2用于調(diào)節(jié)缺相保護(hù)動(dòng)作閾值。

圖6 三相三線制的缺相保護(hù)電路

最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（四）

IGBT短路保護(hù)的實(shí)用電路

圖7是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)的電路，用于專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內(nèi)部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過(guò)流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6，而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1，通過(guò)比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅(qū)動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。

圖7 采用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護(hù)

圖8是利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路，電流傳感器（SC）初級(jí)（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過(guò)流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過(guò)流時(shí)，VA《Vref，VB=0.2V，VC《Vref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。

（a） 電路原理圖

（b） PWM控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形圖

圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路

當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，電流傳感器檢測(cè)的整流電壓升高，VA》Vref，VB為高電平，C3充電使VC》Vref，IC2輸出高電平（大于1.4V），關(guān)閉PWM控制電路。因無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，IGBT關(guān)閉，而電源停止工作，電流傳感器無(wú)電流流過(guò)，使VA《Vref，VB=0.2V，C3經(jīng)R1放電，當(dāng)C3放電到使VC《Vref時(shí)，IC2又輸出低電平，電源重新進(jìn)入工作狀態(tài)，如果過(guò)流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又回復(fù)到原來(lái)的限流保護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使PWM控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)波形處于間隔輸出狀態(tài)，如圖8（b）所示波形。電位器RP1調(diào)整比較器過(guò)流動(dòng)作閾值。電容器C3經(jīng)D5快速充電，經(jīng)R1慢速放電，只要合理地選擇R1，C3的參數(shù)，使PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉時(shí)間t2》》t1，可保證電源進(jìn)入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài)，D5，R1，C3充放電電路，保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化，即IGBT不致頻繁開(kāi)通、關(guān)斷而損壞。

圖8 利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)的IGBT保護(hù)電路圖9是利用IGBT（V1）過(guò)流集電極電壓檢測(cè)和電流傳感器檢測(cè)的綜合保護(hù)電路，電路工作原理是：負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過(guò)流）時(shí)，V1的Vce增大，V3門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)R2，R3分壓器使V3導(dǎo)通，IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制IGBT峰值電流幅度，同時(shí)經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。另一方面，在短路時(shí)經(jīng)電流傳感器檢測(cè)短路電流，經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進(jìn)行降柵壓，V2導(dǎo)通進(jìn)行軟關(guān)斷。

圖9 綜合過(guò)流保護(hù)電路

圖10是應(yīng)用檢測(cè)IGBT集電極電壓的過(guò)流保護(hù)原理，采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護(hù)技術(shù)的短路保護(hù)電路。

圖10

正常工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，光耦I(lǐng)C4不導(dǎo)通，V1，V3導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，光耦I(lǐng)C4導(dǎo)通，V1截止而V2導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，功率開(kāi)關(guān)管V4工作在正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)。發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電壓增大，由于Vce增大，比較器IC1輸出高電平，V5導(dǎo)通，IGBT實(shí)現(xiàn)軟降柵壓，降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2決定，軟降柵壓時(shí)間由R6C1形成2μs。同時(shí)IC1輸出的高電平經(jīng)R7對(duì)C2進(jìn)行充電，當(dāng)C2上電壓達(dá)到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電壓時(shí)，V6導(dǎo)通并由R9C3形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，軟降柵壓至軟關(guān)斷柵壓的延遲時(shí)間由時(shí)間常數(shù)R7C2決定，通常選取在5～15μs。V5導(dǎo)通時(shí)，V7經(jīng)C4R10電路流過(guò)基極電流而導(dǎo)通約20μs，在降柵壓保護(hù)后將輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖一段時(shí)間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號(hào)，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過(guò)電壓，使驅(qū)動(dòng)電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個(gè)完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護(hù)過(guò)程。

V7導(dǎo)通時(shí)，光耦I(lǐng)C5導(dǎo)通，時(shí)基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號(hào)，555輸出腳3輸出高電平，V9導(dǎo)通，IC3被封鎖，封鎖時(shí)間由定時(shí)元件R15C5決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來(lái)的頻率下，連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)導(dǎo)致熱積累而造成IGBT損壞。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（五）

在某些直流/直流轉(zhuǎn)換器中，芯片上的逐周期限流措施在短路期間可能不足以防止故障發(fā)生。一個(gè)非同步升壓轉(zhuǎn)換器可通過(guò)電感器和箝位二極管來(lái)提供一條從輸入端到短路處的直接通路。當(dāng)負(fù)載存在短路時(shí)，不管集成電路中限流保護(hù)功能如何，流過(guò)負(fù)載通路的極大電流可能會(huì)損壞箝位二極管、電感器和集成電路。在一個(gè) SEPIC（單端初級(jí)電感變換器）電路中，耦合電容會(huì)中斷這條道路。因此，當(dāng)負(fù)載存在短路時(shí)，也就不存在電流從輸入端流到輸出端的直接通路。但是，如果所要求的最短導(dǎo)通時(shí)間比專(zhuān)用負(fù)載周期還短，則電感器電流和開(kāi)關(guān)電流就會(huì)迅速增大，造成集成電路故障、輸入端過(guò)載，或兩種情況兼而有之。甚至在某些降壓穩(wěn)壓器中，負(fù)載周期的種種限制有時(shí)也會(huì)使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以致無(wú)法在輸出短路時(shí)保持控制，特別是在極高頻率集成電路的輸入電壓非常高的時(shí)候。使用單個(gè)晶體管方法，可以在負(fù)載過(guò)載或短路致使電感電流開(kāi)始失控時(shí)，將 VC 腳（誤差放大器的輸出端）電壓下拉，這樣就可以防止 SEPIC 電路發(fā)生短路故障（圖 1）。

下拉 VC 引腳電壓可迫使集成電路停止開(kāi)關(guān)功能，跳過(guò)最短導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)關(guān)周期，使每個(gè)電感器中的電流下降。在短路期間，L1 中的峰值電流（因開(kāi)關(guān)周期數(shù)有限而降低）與 L2 中的峰值電流之和等于開(kāi)關(guān)的峰值電流，即低于 LT1961EMS8E 的1.5A 極限值。

最簡(jiǎn)單的短路保護(hù)電路圖（六）

高可靠性短路保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)電路如圖1所示，其中VMP是線性穩(wěn)壓器的功率MOS管，R1、R2為穩(wěn)壓器的反饋電阻;VMO和VMP管是電流鏡電路，VMO管以一定的比例復(fù)制功率管的電流，通過(guò)電阻R4轉(zhuǎn)化為檢測(cè)電壓;晶體管VM1完成電平移位功能，最后接入由VM8～VM12等MOS管組成的比較器的正輸入端（Vinp），比較器的負(fù)輸入端（Vinm）與輸出端（0UT）相連;VM13、VM14組成二極管連接形式為負(fù)載的共源級(jí)放大電路;VM14和VMp1構(gòu)成電流鏡電路;晶體管VMp1完成對(duì)功率管VMP的開(kāi)關(guān)控制，正常工作時(shí)，VMp1的柵級(jí)電位（Vcon）為高電平，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，短路發(fā)生時(shí)，Vcon將為低電平，使功率管關(guān)斷。

工作原理的定性分析

當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，比較器的負(fù)輸入端電位（Vinm）為0 V;同時(shí)VM1管將導(dǎo)通，因此比較器的正輸入端電位大于0 V，最終比較器的輸出節(jié)點(diǎn)電位（Vcom）為高電平，在MOS管VM13、VM14作用下，控制信號(hào)Vcon將為低電平，最終VMP管的柵極電壓將升高，進(jìn)而關(guān)斷P功率管，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)后，VM1管將關(guān)斷;VM3和VM4組成電流鏡，晶體管VM2的作用是保證電路在短路期間（VM1管關(guān)斷），比較器正輸入端的電壓始終高于比較器的負(fù)輸入端電壓（即使系統(tǒng)存在地平面噪聲），從而使Vcon電壓始終為低電平，確保電路在短路發(fā)生期間始終都能關(guān)斷P功率管，實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的高可靠性。

同時(shí)當(dāng)短路發(fā)生時(shí)（即Vcon信號(hào)為低電平），VM7管正常工作，VM5管將導(dǎo)通，有一定的電流流向0UT端;因此一旦短路消除（即0UT端接有負(fù)載電阻），VM5管將對(duì)負(fù)載電容和負(fù)載電阻組成的并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)充電，0UT端電壓升高，Vcon信號(hào)將變?yōu)楦唠娖剑�電路自�?dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。