【導讀】在電路設計中總會存在著一些不穩定因素，而用來防止此類不穩定因素且又不影響電路效果的回路稱作保護電路。比如有過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等。本文介紹了繼電器保護電路、電力系統微機保護電路、開關量輸入電路及過壓/過熱保護電路設計，供讀者品讀。
TOP1 繼電器保護電路設計盤點
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，通常把發光器（紅外線發光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。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撲經過高頻變壓器轉換再整流，實驗項目是三相進線15V/6KA輸出。其中，主回路的保護設計及報警設計是必不可少的。我首先想到的是，通過單片機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電路設計應需而生。
主要電路設計如下圖：
該繼電保護主要隔離應用的是TI公司生產的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，大部分繼電器設計的時候都需要24V，該電源設計圖如下：
該電路主要的穩壓芯片采用的是生產設計的UA7824芯片，該芯片輸入電壓可調范圍寬，穩壓性能好，功耗低價格低廉。在繼電器電路設計的圖紙中，穩壓電源我大部分是用的這個芯片。
電熱水器缺水保護報警電路
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，均標注醒目“先注水后通電”的字樣。但有時人們洗完澡后忘關了電源，或者使用中過早關閉水源，把箱體內的水用完燒干，便造成了加熱元件損壞的現象。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計的。當電源接通箱體內供水正常時，電熱水器安全工作；若箱體內水位低于電加熱元件，而又不能繼續注水時，立即停止熱水器的供電，并發出告警聲響與燈光，提醒使用者應該向熱水器中注水，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電路和報警發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管組成的開關電路。當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管的基極與發射極短接，導致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；當箱體內的水位低于水位檢測針時，由于BG1、BG2管的基極同發射極斷開，則BG1、BG2管立即導通，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，發出聲光告警。
TOP2 MSP430電力系統微機保護電路
微機保護的硬件由數據采集系統、CPU主系統、開關量輸入輸出系統等組成。整體原理圖如圖1所示。通常整套硬件是用單獨的專用機箱組裝的。
數據采集系統硬件組成
數據采集系統又稱模擬量輸入系統，它的作用是將互感器次側輸出的電壓、電流等模擬量經過隔離、采樣、A／D轉換等步驟轉化為計算機能接受與識別的數字量，然后經過CPU主系統進行數據處理與運算，開關量輸出輸入系統的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數據采集輸入，其中的一路見圖2。該系統中，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，并將其轉換成單片機可接受的電流和電壓值。這里選擇CS- TA1型互感器，一般將二次側的電流值變為5 A。另外，由于要求實現零序保護，將B相的電流互感器設定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3．3 V，但作為保護電路，要考慮到瞬時脈沖電流的最大值可能遠大于平均值，所以設計的電路可以使單片機承受正常電流20倍以上的沖擊。
電網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。根據香農采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機的地是一致的。由于MSP430F1611的容許電壓是3．3 V，而電網電流可能產生瞬時脈動而造成單片機的燒毀，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轉換器的電壓被限制在3．3 V以下。同時兩個電阻產生分壓效果。當電壓過高，會使二極管導通，輸入A／D轉換器的電壓會箝制在3．3 V。CMSP430系列單片機是由美國德州儀器設計開發的。這是一種具有超低功耗特性、功能強大的單片機。它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等優點。對微機保護裝置的開關量輸入／輸出，即接點狀態的輸入／輸出可以分為兩類：安裝在裝置面版上的接點；從裝置外部經過端子排引入裝置的接點。保護模塊不僅要有保護裝置，還要與測量顯示模塊實現異步通信。要從測量顯示模塊得到設定值及從自身得到閘刀的開關狀態，必須要有開關量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關量直接接在P3口上，而自身得到的開關量需要有開關量輸入電路。
TOP3 開關量輸入電路
圖5中，開關量經過光電隔離后與CPU相連。其中，當輸人端為高電平時，輸出端為低電平。
開關量輸出電路
開關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保護電路的過流保護設計方案
生產廠家對IGBT提供的安全工作區有嚴格的限制條件，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。產生過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅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絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。
對IGBT的過流檢測保護分兩種情況：（1）驅動電路中無保護功能。這時在主電路中要設置過流檢測器件。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，經濟簡單，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，經光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關斷IGBT的觸發，實現
過流保護。
圖1 IGBT的過流檢測
（2）驅動電路中設有保護功能。如日本英達公司的HR065、富士電機的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驅動與保護功能于一體的集成電路（稱為混合驅動模塊），其電流檢測是利用在某一正向柵壓 Uge下，正向導通管壓降Uce（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，產品的可靠性高。不同型號的混合驅動模塊，其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據實際情況恰當選用。由于混合驅動模塊本身的過流保護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整串聯在 IGBT集電極與驅動模塊之間的二極管V的個數，如圖2（a）所示，使這些二極管的通態壓降之和等于或略大于驅動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態飽和壓降Uce（ON）之差。
圖2 混合驅動模塊與IGBT過流保護的配合
上述用改變二極管的個數來調整過流保護動作點的方法，雖然簡單實用，但精度不高。這是因為每個二極管的通態壓降為固定值，使得驅動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續可調。在實際工作中，改進方法有兩種：（1）改變二極管的型號與個數相結合。例如，IGBT的通態飽和壓降為2.65V，驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為 7.84V時，那么整個二極管上的通態壓降之和應為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，其通態壓降之和為 0.7×7+0.3×1=5.20V（硅管視為0.7V，鍺管視為0.3V），則能較好地實現配合（2）二極管與電阻相結合。由于二極管通態壓降的差異性，上述改進方法很難精確設定IGBT過流保護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/過熱保護電路設計
另外，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關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，還可以設置橋臂互鎖保護，如圖3所示。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖，使每個IGBT的工作狀態都互為另一個 IGBT驅動信號可否通過的制約條件，只有在一個IGBT被確認關斷后，另一個IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現。
圖3 IGBT橋臂直通短路保護
過壓保護
IGBT在由導通狀態關斷時，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負載電感的作用，將在IGBT的c、e兩端產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，其過壓保護也是十分重要的。過壓保護可以從以下幾個方面進行：
（1）盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設計制造者來說，要優化模塊內部結構（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，要優化主電路結構（采用分層布線、盡量縮短聯接線等），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，進一步減少線路電感。所有這些，對于直接減少IGBT的關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IGBT關斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關斷過電壓。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周期的要求，可按R≤T/6C計算，T為主電路的開關周期。二極管V應選用正向過渡電壓低、逆向恢復時間短的軟特性緩沖二極管。
（3）適當增大柵極電阻Rg。實踐證明，Rg增大，使IGBT的開關速度減慢，能明顯減少開關過電壓尖峰，但相應的增加了開關損耗，使 IGBT發熱增多，要配合進行過熱保護。Rg阻值的選擇原則是：在開關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、柵源電壓出現尖峰損壞 IGBT，可在g、e之間設置一些保護元件，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;兩個反向串聯的穩壓二極管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
過熱保護
IGBT 的損耗功率主要包括開關損耗和導通損耗，前者隨開關頻率的增高而增大，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是大功率半導體器件，損耗功率使其發熱較多（尤其是Rg選擇偏大時），加之IGBT的結溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當的散熱措施進行過熱保護。
編輯點評：在實際工作中，采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關。當溫度達到75℃～80℃時，通過 SG3525的關閉信號停止PMW 發送控制信號，從而使驅動器封鎖IGBT的開關輸出，并予以關斷保護。過電流檢測是利用場效應管的導通電阻作為檢測電阻，監視它的電壓降，當電壓降超過設定值時就停止放電，在電路中一般還加有延時電路，以區分浪涌電流和短路電流。本文介紹了各種保護電路，供讀者品讀。
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