为 1 过流保护原理 通过过流检测电路, 检测 IGBT 的集电极电流 适应国际局势的不断变化, 对雷达、 电子战等武器装 备开关电源的可靠性提出了更高的要求。为了提高 开关电源的可靠性, 必须设计合理的保护电路。过 流保护是保护电路之一, 它是在输出过载或短路时 对电源及功率开关器件的保护。 开关电源通常有脉宽调制和频率调制 2 种调制 方式。脉宽调制( P WM) 方式是脉冲频率不变, 通过 改变脉冲宽度来控 制输出电压。由于脉冲频 率不 变, 所以脉冲变压器设计和磁芯选择相对容易, 因此 脉宽调制是最常用 的开关电源调 制方式。目 前在 大、 中功率开关电源中使用最普遍的功率开关器件 是隔离栅双极晶体管( IGBT ) 。它是金属 氧化物 半 导体场效应晶体管( MOSFET ) 与双极晶体 管的复 合器件, 既有 M OSF ET 易驱动的特点, 又具有功率 晶体管电压、 电流容量大等优点。当电源出现过载 或短路时, 必须采取有效的措施来保护电源以及关 键器件 IGBT 。 Ic、 集电极与发射极之间电压 V ce , 或电源输出电流, 与设定的阈值进行比较, 控制 PWM 信号通断。当 开关电源输出过载或短路时, 封锁驱动信号, 使电源 停止工作, 实现保护。在短路电流出现时, 为了避免 关断 IGBT 时 di / dt 过大形成过电压导致 IGBT 损 坏, 可采用降栅压的软关断综合保护技术。 2 几种过流保护方法分析 方法一, 利用电流传感器进行过流检测。图 1 是利用电流传感器进行过流检测的保护电路。 图 1 利 用电流传感器进行过流检测保护电路图 收稿日期: 2007 07 16 116 舰船 电子 对 抗 第 31 卷 电流传感器 T 1 初级串接在 IGBT 的集电极电 路中, 用 来 检测 负 载 电 流。 当电 源 正 常 工 作时, V a < V b , 比较器输 出低电平, PWM 控 制器正常 工 作; 当电源短路或过载时, 电阻 R1 的电压会增加, 经 V 1 整流, R2 、 1 滤波后, 送至比较器的同相输入 C 端, 与反相端的基准电压进行比较, 当 V a > V b , 比较 器输出高电平, 用于封锁 P WM 信号。 理想情况下, 互感器次级的匝数与电流成反比, 具体绕制匝数与 R1 的阻值要通过试验确定, 使其 性能达到最佳状态。匝数过少甚至会使 R 1 因过热 而烧坏。 方法二, 用电阻与开关管串联, 检测 IGBT 源极 峰值电流。如图 2, 在 IGBT 的源极串入一 限流电 阻 R* , 当输出过载或短载时, R* 两端压差增大, 比 较器翻转, 用于封锁 PWM 信号; 限流取样电阻 R* 的值可以取得较小, 降低损耗; 当电源输入交流电压 变化较大且输出等功率时, 检测的峰值电流相差较 大, 增加上拉电阻可使过流保护点尽量一致。 V ce 来判断 IGBT 是否过流。如果发生过流, 由于直 接利用 EXB841 内部 电路中的降 栅压及软 关断功 能, 可慢速关断 IGBT 以避免集电极电流尖峰脉冲 损坏 IGBT 器件, 电路简单可靠。 图4 检测 IG BT 的 V ce 图 3 几种方法的比较与改进 功率损耗小是方法一的主要特点, 为提高电源 效率创造了一定条件。方法二与方法三中, R* 的存 在降低了电源的效率, 尤其是在大电流输出的情况 下, R 上的功耗就会明显增加。 如果过载或短路现象频繁出现, 比较器输出将 在高、 低电平之间频繁变化, 即 IGBT 频繁开通、 关 断, 产生热积累, 容易造成损坏, 引入单稳态电路, 可 消除这一缺点。当过载或短路现象消失后, 电源能 自动恢复工作。以方法一为例进行说明。如图 5, 当电源输出过载或短路时, 由于比较器输出端( 即单 稳态电路输入端) 高低电平的变化, 单稳态电路输出 端产生一个正的脉冲输出用于控制 PWM 信号。如 果过载或短路现象一直存在, 开关电源输出通、 断状 态交替出现, 而其交替周期仅取决于单稳态电路振 荡器自身的 RC 时间常数。 * 图 2 利用电阻检测 IGBT 集电极电流图 方法三, 测负载电流进行保护。当控制电路与 输出电路共地, 可采用图 3 所示电路检测负载电流。 图3 利用电阻检测负载电流图 图5 用单稳态改进的过流检测电路图 图 3 中, 流过 R* 的电流即负载电流。当输出 过载或短路时, V 1 导通, R3 两端电压增大, 并与比 较器反相端的基准电压比较, 控制 P WM 信号通断。 方法四, 检测 IGBT 的 V ce , 如图 4 所示。当电 源输出过载或短路 时, IGBT 的 V ce 增大。EXB841 内部过流保护电路 通过检测 IGBT 的集射极 电压 过负载期间, 重复进行着启振与停振, 应合理确 定单稳态电路振荡器的时间常数, 使 PWM 驱动信 号关闭时间远大于开通时间, 直到过载或短路现象 消失, 电路自动恢复工作。 方法二属有损过流保护电路, 对其电路可进行 第 1期 张登等: 开关电源的过流保护 117 如下改进: 尽量减小串在电流回路里的电流取样电 阻, 以减小电阻上的功率损耗, 使用运放对电流取样 信号进行放大, 然后与相应的门限进行比较输出, 控 制 PWM 信号通断。改进电路见图 6。 度的不断提高, 保护电路的优化是保证开关电源可 靠性指标的重要因素之一。尽管开关电源过流保护 的方法很多, 并且不断朝着无损和快速的方向发展, 但任何一种过流保护电路都不可能是所有开关电源 最适合的保护形式, 具体电路的选择取决于实际需 要和成本因素。 图6 有损过流检测的改进电路图 对方法四, EXB841 内部电路具有延迟功能, 在 5 脚外接电容, 可消除干 扰产生的误动 作; 二极 管 V 1 的正向压降因电流不同会产生一定变化, 使其电 流检测精度受到一定影响, 可作如下改进( 如图 7) 。 含有 IGBT 过流信息的 V ce 不直接送至 EXB841 的 6 脚, 而 是 经二 极 管 V 1 , 通 过比 较 器 N 1 输 出 接 至 EXB841 的脚 6, 提高了电流检测的准确性。 参考文献 [ 1] [ 2] [ 3] 图 7 检测 IGBT 的 V c e 的改进电路图 杨旭, 裴去庆, 王兆 安. 开关电 源技 术[ M ] . 北京: 机 械 工业出版社, 2002. 王水平, 付敏江 . 开 关稳 压电 源 原理、 设计 与实 用 电路[ M ] . 西安: 西安电子科技大学出版社, 1997. 胡存生, 胡 鹏. 集成 开关 电源 的设 计制 作调 试与 维 修 [ M ] . 北京: 人民邮电出版社, 1995. 4 结束语 随着电子设备对开关电源的功率容量和功率密 ( 上接第 106 页) 任务: SendOutT ask: 发 送任务, 任务优 先级设 为 9, 负责将分机各板状态以 UDP 报文形式发送出去; RecvInT ask: 接收任务, 任务优先级设 为 8, 负 责接收控制台的控制命令报文, 根据报文内容置对 应的 P IO 数据。 经在某型雷达信号处理机上测试其网络控制功 能, 完全能够满足工作要求, 网络通讯及 I/ O 控制 正常。 能的处理控制板 的应用比较普遍。采用 F PGA 实 现 Nios II 软核处理器平台, 使用一片 F PGA 组合 外围芯片实现网络控制功能, 可以很好地替代之前 使用 PC104 嵌入式处理器平台, 压缩了控制板的体 积和成本。在性能和稳定性上完全可以胜任网络控 制功能。Nios II 软核处理器除了可以支持网络通 讯功能外, 由于它的 SOP C 片内设计理念的可编程 特性, 在具体的工程应用中还可以有更广泛的应用。 参考文献 [ 1] [ 2] 周博. 挑战 SOC 基于 N IOS 的 SO PC 设计 与实 践 SO PC 设 计原 理及 应 5 结束语 目前的雷达工程应用中, 由于雷达整机内部分 [ M ] . 北京: 清华大学出版社, 2004. 李兰英. N ios II 嵌 入式 软核 用[ M ] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006. 机数据交换主要通过网络实现, 所以带网络通讯功