逆变电源中的三种保护电路详解

图5
R5为全桥高压逆变MOS管源极的高压电流取样电阻，我们可以这么理解，高压电流的大小基本上决定了输出功率的大小，所以我们用R5检测高压电流的大小。图5中LM339的两个比较器单元我们分别用来做过流和短路检测。
先看由IC3D及其外围元件组成的过流保护电路，IC3D的8脚设定一个基准电压，由R33、VR4、R56、R54分压决定其值U8=5*（R33+VR4）/（R33+VR4+R56+R54）。当R5上的电压经过R24、C17延时后超过8脚电压14脚输出高电平通过D7隔离到IC3B的5脚。4脚兼做电池欠压保护，正常时5脚电压低于4脚，过流后5脚电压高于4脚，2脚输出高电平控制后级的高压MOS关断，当然也可以控制前级的MOS一起关断。D8的作用是过流短路或电池欠压后正反馈锁定2脚为高电平。
再看IC3C组成的短路保护电路，原理和过流保护差不多，只是延时的时间比较短，C19的容量很小，加上LM339的速度很快，可以实现短路保护在几个微秒内关断，有效地保护了高压MOS管的安全。顺便说的一点是短路保护点要根据MOS管的ID，安全区域和回路杂散电阻等参数设计。一般来说电流在ID以内，动作时间在30微秒以内是比较安全的。
IGBT的驱动和短路保护
IGBT作为一种新型的功率器件，具有电压和电流容量高等优点，开关速度远高于双极型晶体管而略低于MOS管，因而广泛地应用在各种电源领域里，在中大功率逆变器中也得到广泛应用。
IGBT的缺点，一是集电极电流有一个较长时间的拖尾——关断时间比较长，所以关断时一般需要加入负的电压加速关断;二是抗DI/DT的能力比较差，如果像保护MOS管一样在很大的短路电流的时候快速关断MOS管极可能在集电极引起很高的DI/DT，使UCE由于引脚和回路杂散电感的影响感应出很高的电压而损坏。
No.5 IGBT的缺点，一是集电极电流有一个较长时间的拖尾——关断时间比较长，所以关断时一般需要加入负的电压加速关断;二是抗DI/DT的能力比较差，如果像保护MOS管一样在很大的短路电流的时候快速关断MOS管极可能在集电极引起很高的DI/DT，使UCE由于引脚和回路杂散电感的影响感应出很高的电压而损坏。
IGBT的短路保护一般是检测CE极的饱和压降实现，当集电极电流很大或短路时，IGBT退出饱和区，进入放大区。上面说过这时我们不能直接快速关断IGBT，我们可以降低栅极电压来减小集电极的电流以延长保护时间的耐量和减小集电极的DI/DT。如果不采取降低栅极电压来减小集电极的电流这个措施的话2V以下饱和压降的IGBT的短路耐量只有5μS。3V饱和压降的IGBT的短路耐量大约10-15μS，4-5V饱和压降的IGBT的短路耐量大约是30μS。
还有一点，降栅压的时间不能过快，一般要控制在2μS左右，也就是说为了使集电极电流从很大的短路电流降到过载保护的1.2-1.5倍一般要控制在2μS左右，不能过快，在过载保护的延时之内如果短路消失的话是可以自动恢复的，如果依然维持在超过过载保护电流的话由过载保护电路关断IGBT。
所以IGBT的短路保护一般是配合过载保护的，下面是一个TLP250增加慢降栅压的驱动和短路保护的应用电路图：

图6
图6中电路正常工作时，ZD1的负端的电位因D2的导通而使ZD1不足以导通Q1截止;D1的负端为高电平所以Q3也截止。C1未充电，两端的电位为0。IGBTQ3短路后退出饱和状态，集电极电位迅速上升，D2由导通转向截止。当驱动信号为高电平时，ZD1被击穿，C2能够使Q1的开通有一小段的延时，使得Q3导通时可以有一小段的下降时间，避免了正常工作时保护电路的误保护。ZD1被击穿后Q1由于C2的存在经过一段很短的时间后延时导通，C1开始通过R4、Q1充电，D1的负端电位开始下降，当D1的负端电位开始
下降到D1与Q3be结的压降之和时Q3开始导通，Q2、Q4基极电位开始下降，Q3的栅极电压也开始下降。当C1充电到ZD2的击穿电压时ZD2被击穿，C1停止充电，降栅压的过程也结束，栅极电压被钳位在一个固定的电平上。Q3的集电极电流也被降低到一个固定的水平上。
本篇文章从防反接、IGBT驱动和短路、电池欠压等三个方面讲解了逆变电源中保护电路，通过对这三种保护形势的讲解，希望能够帮助大家逆变电源中的保护电路有进一步的了解和认识，从而方便自己的设计。

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