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电路中经常有大电流通过，使电路中的不确定因素很多。 为了避免这些因素对电路或重要器件造成损坏，保护电路应运而生。 保护电路在逆变电源这种经常需要进行电流转换的设备中尤为重要。 本文将介绍逆变电源中几种重要的保护电路设计，并对它们的原理进行详细的分析和说明。

防反接保护电路

如果逆变器没有防反接电路，在输入电池反接的情况下，往往会造成灾难性的后果，轻则烧保险丝，重则烧毁大部分电路。 逆变器中的防反接保护电路主要有三种： 由反并联的肖特基二极管组成的防反接保护电路，如图1所示。

图1

从图1可以看出，当电池接反时，肖特基二极管D导通，F烧毁。 如果后面是推挽结构的主转换电路，两个推挽开关MOS管的寄生二极管相当于与D并联，但压降比肖特基大很多，且瞬时电流的抗冲击能力也低于肖特基。 基极二极管D，从而避免大电流通过MOS管的寄生二极管，从而保护两个推挽开关MOS管。

这种防反接保护电路结构简单，不会影响效率，但保护后保险丝F会烧毁，需要更换才能恢复正常工作。

采用继电器的防反接保护电路，基本电路如图2所示：

图 2

从图中可以看出，如果电池接反，D反偏，继电器K的线圈将不通电，触点不能闭合，逆变器电源将被切断。 这种防反接保护电路效果较好，不会烧掉保险丝F，但体积比较大，继电器触点的寿命有限。

采用MOS管的防反接保护电路，基本电路如图3所示：

图 3

图3中D是防反接MOS的寄生二极管，方便分析和画图。 当电池极性不接反时，D正偏，Q的GS极导通，从电池正极经F、R1、D回到电池负极。 Q导通后的压降远小于D，因此Q导通后，D将得不到足够的正向电压而停止；

当电池极性接反时，D会因反偏而截止，Q也会因GS反偏而被截止，逆变器不会启动。 这种防反接保护电路由于没有使用机械接触开关，使用寿命比较长，不会像反并联肖特基二极管组成的防反接保护电路那样烧毁保险丝F。 因此，它被广泛使用。 MOS导通时有一定的损耗。 可以畅通无阻地通过比较大的电流，保持比较低的损耗。

电池欠压保护

为了防止电池因过度放电而损坏，我们需要在电池放电到一定电压时停止逆变。 需要指出的是，如果电池欠压保护过于灵敏，在冲击负载启动时就会保护。 这样，逆变器就很难启动这样的负载，尤其是在电池电量不是很充足的情况下。 请看下面的电池欠压保护电路。

可见，该电路由于加入了D1和C1，可以快速建立电池采样电压和延时保护。

图 4

逆变器过流和短路保护电路的设计：

众所周知，逆变器的过流短路保护电路对于逆变器的安全非常重要。 如果没有过流短路保护，逆变器很可能因过流短路而烧毁。

我们先来分析一下负载的特性。 现实生活中的大部分负载都是冲击负载，比如白炽灯泡。 输入交流电整流后需要用比较大的电容滤波，所以冲击电流比较大。 还有冰箱等电机感性负载。 电机从静止到正常转动也需要用电产生比较大的力矩，所以启动电流也比较大。

如果我们的逆变器只能设定一个可以长时间工作的额定输出功率，那么启动功率大于这个额定输出功率的负载是无法启动的，所以需要根据启动功率来配置逆变器，这是显而易见的是一种浪费。

在实际中，我们在设计过流短路保护电路时，会设计两个保护点，额定功率和峰值功率。 一般峰值功率设置为额定功率的2-3倍。 从时间上来说，额定功率长时间工作是不会受到保护的，而峰值功率一般只会维持几秒钟才会受到保护。 下面以过流短路保护电路为例进行说明：

图 5

R5为全桥高压逆变MOS管源极高压电流采样电阻。 我们可以理解为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来检测高压电流的大小。 图5中LM339的两个比较器单元分别用于过流和短路检测。

首先看一下IC3D及其外围元件组成的过流保护电路。 IC3D的8脚设置一个参考电压，其值由R33、VR4、R56、R54 U8=5*(R33+VR4)/(R33+VR4+R56+R54)分压决定。

当R5上的电压经R24、C17延时后超过8脚电压时，14脚输出高电平，通过D7与IC3B的5脚隔离。 4脚还用作电池欠压保护。 正常情况下5脚电压低于4脚电压，过流后5脚电压高于4脚电压，2脚输出高电平控制后级高压MOS关断。 当然，它也可以控制前级的MOS一起关闭。 D8的作用是在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，原理与过流保护类似，只是延时时间比较短，C19的容量小，LM339的速度很快，可以实现短路保护并在几微秒内关断，有效保护高压MOS管的安全。 对了，短路保护点要根据MOS管的ID、安全区、回路的杂散电阻等参数来设计。 一般来说，电流在ID以内什么是全桥逆变电路，动作时间在30微秒以内比较安全。

IGBT驱动和短路保护

IGBT作为一种新型功率器件，具有耐压大、电流容量大等优点，其开关速度远高于双极型晶体管，略低于MOS管。 因此广泛应用于各种电源领域。 也被广泛使用。

IGBT的缺点是集电极电流有长尾——关断时间比较长，所以关断时一般需要加负电压加速关断； 二是抗DI/DT的能力比较差，如果像MOS管的保护一样在有大短路电流的时候快速关断MOS管，很可能造成高DI/DT在集电极处，由于管脚和环路的杂散电感的影响，UCE会感应出高电压。 和损坏。

No.5 IGBT的缺点是集电极电流有长尾——关断时间比较长，所以关断时一般需要加负电压加速关断； 二是抗DI/DT能力较差，如果像MOS管的保护那样在出现大短路电流时迅速关断MOS管，很可能造成集电极处DI/DT过高，这样由于管脚和环路的杂散电感的影响，UCE会被感应得很高。 被电压损坏。

IGBT的短路保护一般是通过检测CE极的饱和压降来实现的。 当集电极电流较大或短路时，IGBT退出饱和区，进入放大区。 如上所述，此时我们不能直接快速关断IGBT。 我们可以通过降低栅极电压来降低集电极电流来延长保护时间的容限，降低集电极的DI/DT。

如果不采取降低栅极电压以减小集电极电流的措施，饱和压降低于2V的IGBT的短路耐受能力仅为5μS。 饱和压降为3V的IGBT的短路容限约为10-15μS，饱和压降为4-5V的IGBT约为30μS。

还有一点就是降低电网电压的时间不能太快，一般控制在2μS左右，也就是说，为了把集电极电流从大的短路电流降低到过载的1.2-1.5倍保护，一般控制在2μS左右，不能太快。 若短路在过载保护延时内消失，可自动恢复。 如果电流超过过载保护电流，IGBT 将被过载保护电路关断。

因此，IGBT的短路保护一般与过载保护相结合。 下面是TLP250增加慢速栅极电压驱动和短路保护的应用电路图：

图 6

图6电路正常工作时，由于D2导通什么是全桥逆变电路，ZD1负端电位不足以导通Q1； D1的负端为高电平，Q3也闭合。 C1不带电，两端电位为0。IGBTQ3短路后，退出饱和状态，集电极电位迅速上升，D2由导通变为截止。

当驱动信号为高电平时，ZD1被击穿，C2可以短时间延迟Q1的导通，使Q3导通时有一个较短的下降时间，避免保护电路的误保护在正常操作期间。 ZD1击穿后，由于C2的存在，Q1经过短暂延时后导通。 C1通过R4和Q1开始充电，D1的负端电位开始下降。 当D1的负端电位开始

当下降到D1和Q3be结压降之和时，Q3开始导通，Q2和Q4的基极电位开始下降，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，降低栅极电压的过程也结束，栅极电压被钳位在一个固定的电平。 Q3 的集电极电流也降低到固定水平。

本文从防反接、IGBT驱动及短路、电池欠压三个方面讲解逆变电源中的保护电路。 通过对这三种保护情况的讲解，希望能帮助大家对逆变电源中的电路保护有进一步的了解和认识，以方便自己的设计。

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