TOP1 繼電器保護電路設計盤(pán)點(diǎn)

光耦亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)發(fā)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(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)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(jīng)過(guò)高頻變壓器轉換再整流，實(shí)驗項目是三相進(jìn)線(xiàn)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(guò)單片機輸出控制繼電器動(dòng)作，而且由于抗干擾的要求，我必須通過(guò)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(chǎn)的TIL117光耦芯片。該芯片無(wú)需供電，通過(guò)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(gè)+24V供電電源，大部分繼電器設計的時(shí)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(chǎn)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(jià)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(gè)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(guò) 100℃，否則將使加熱元件燒壞，故在這類(lèi)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(shí)人們洗完澡后忘關(guān)了電源，或者使用中過(guò)早關(guān)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(shí)，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(shí)，立即停止熱水器的供電，并發(fā)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(kāi)關(guān)電路和報警發(fā)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(fā)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(kāi)關(guān)電路。當檢測水位高于檢測針的位置時(shí)，水位檢測針因淹沒(méi)在水中，使BG1、BG2管的基極與發(fā)射極短接，導致BG1、BG2管截止，繼電器J不動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)J1接通熱水器的電源插座電源，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)報警聲光電路；當箱體內的水位低于水位檢測針時(shí)，由于BG1、BG2管的基極同發(fā)射極斷開(kāi)，則BG1、BG2管立即導通，繼電器J動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)熱水器插座電源，停止供電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通報警聲光電路的電源，發(fā)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(kāi)關(guān)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(zhuān)用機箱組裝的。

數據采集系統硬件組成

數據采集系統又稱(chēng)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(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)CPU主系統進(jìn)行數據處理與運算，開(kāi)關(guān)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(jiàn)圖2。該系統中，共有3個(gè)部分組成：互感器與變換器、低通有源濾波器、限壓電路?；ジ衅髋c變換器分別包括電流和電壓?；ジ衅鞯淖饔檬遣杉妇€(xiàn)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?yōu)? A。另外，由于要求實(shí)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(shí)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(wǎng)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(jiàn)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(wǎng)電流可能產(chǎn)生瞬時(shí)脈動(dòng)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(shí)兩個(gè)電阻產(chǎn)生分壓效果。當電壓過(guò)高，會(huì )使二極管導通，輸入A／D轉換器的電壓會(huì )箝制在3．3 V。CMSP430系列單片機是由美國德州儀器設計開(kāi)發(fā)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(yōu)點(diǎn)。對微機保護裝置的開(kāi)關(guān)量輸入／輸出，即接點(diǎn)狀態(tài)的輸入／輸出可以分為兩類(lèi)：安裝在裝置面版上的接點(diǎn)；從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的接點(diǎn)。保護模塊不僅要有保護裝置，還要與測量顯示模塊實(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，必須要有開(kāi)關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開(kāi)關(guān)量直接接在P3口上，而自身得到的開(kāi)關(guān)量需要有開(kāi)關(guān)量輸入電路。

TOP3 開(kāi)關(guān)量輸入電路

圖5中，開(kāi)關(guān)量經(jīng)過(guò)光電隔離后與CPU相連。其中，當輸人端為高電平時(shí)，輸出端為低電平。

開(kāi)關(guān)量輸出電路

開(kāi)關(guān)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(guò)流保護設計方案

生產(chǎn)廠(chǎng)家對IGBT提供的安全工作區有嚴格的限制條件，且IGBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒（SCR、GTR等器件承受過(guò)流時(shí)間為幾十微秒），耐過(guò)流量小，因此使用IGBT首要注意的是過(guò)流保護。產(chǎn)生過(guò)流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線(xiàn)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(guò)流檢測保護分兩種情況：（1）驅動(dòng)電路中無(wú)保護功能。這時(shí)在主電路中要設置過(guò)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(guò)電阻兩端的電壓來(lái)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(xiàn)所示;二是串接在每個(gè)IGBT上，如圖1（b）所示。前者只用一個(gè)電流互感器檢測流過(guò)IGBT的總電流，經(jīng)濟簡(jiǎn)單，但檢測精度較差;后者直接反映每個(gè)IGBT的電流，測量精度高，但需6個(gè)電流互感器。過(guò)電流檢測出來(lái)的電流信號，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實(shí)現
過(guò)流保護。

（2）驅動(dòng)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(dòng)與保護功能于一體的集成電路（稱(chēng)為混合驅動(dòng)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(guò)檢測Uce（ON）的大小來(lái)判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高。不同型號的混合驅動(dòng)模塊，其輸出能力、開(kāi)關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時(shí)要根據實(shí)際情況恰當選用。由于混合驅動(dòng)模塊本身的過(guò)流保護臨界電壓動(dòng)作值是固定的（一般為7～10V），因而存在著(zhù)一個(gè)與IGBT配合的問(wèn)題。通常采用的方法是調整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅動(dòng)模塊之間的二極管V的個(gè)數，如圖2（a）所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅動(dòng)模塊過(guò)流保護動(dòng)作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce（ON）之差。

上述用改變二極管的個(gè)數來(lái)調整過(guò)流保護動(dòng)作點(diǎn)的方法，雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但精度不高。這是因為每個(gè)二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅動(dòng)模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續可調。在實(shí)際工作中，改進(jìn)方法有兩種：（1）改變二極管的型號與個(gè)數相結合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅動(dòng)模塊過(guò)流保護臨界動(dòng)作電壓值為 7.84V時(shí)，那么整個(gè)二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V，此時(shí)選用7個(gè)硅二極管與1個(gè)鍺二極管串聯(lián)，其通態(tài)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(shí)現配合（2）二極管與電阻相結合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進(jìn)方法很難精確設定IGBT過(guò)流保護的臨界動(dòng)作電壓值如果用電阻取代1～2個(gè)二極管，如圖2（b），則可做到精確配合。

TOP4 過(guò)壓/過(guò)熱保護電路設計

另外，由于同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的控制信號重疊或開(kāi)關(guān)器件本身延時(shí)過(guò)長(cháng)等原因，使上下兩個(gè)IGBT直通，橋臂短路，此時(shí)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(gè)與門(mén)對同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅動(dòng)信號進(jìn)行互鎖，使每個(gè)IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個(gè) IGBT驅動(dòng)信號可否通過(guò)的制約條件，只有在一個(gè)IGBT被確認關(guān)斷后，另一個(gè)IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過(guò)流情況的出現。

過(guò)壓保護

IGBT在由導通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，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(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓 uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過(guò)壓能力較差，這樣就會(huì )使IGBT擊穿，因此，其過(guò)壓保護也是十分重要的。過(guò)壓保護可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(lái)說(shuō)，要優(yōu)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(lái)說(shuō)，要優(yōu)化主電路結構（采用分層布線(xiàn)、盡量縮短聯(lián)接線(xiàn)等），減少雜散電感。另外，在整個(gè)線(xiàn)路上多加一些低阻低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線(xiàn)路電感。所有這些，對于直接減少I(mǎi)GBT的關(guān)斷過(guò)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(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過(guò)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(shí)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(guò)大會(huì )受到放電時(shí)間的限制。電阻R選用氧化膜無(wú)感電阻，其阻值的確定要滿(mǎn)足放電時(shí)間明顯小于主電路開(kāi)關(guān)周期的要求，可按R≤T/6C計算，T為主電路的開(kāi)關(guān)周期。二極管V應選用正向過(guò)渡電壓低、逆向恢復時(shí)間短的軟特性緩沖二極管。

（3）適當增大柵極電阻Rg。實(shí)踐證明，Rg增大，使IGBT的開(kāi)關(guān)速度減慢，能明顯減少開(kāi)關(guān)過(guò)電壓尖峰，但相應的增加了開(kāi)關(guān)損耗，使 IGBT發(fā)熱增多，要配合進(jìn)行過(guò)熱保護。Rg阻值的選擇原則是：在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，盡可能選用較大的電阻，實(shí)際工作中按Rg=3000/Ic 選取。

除了上述減少c、e之間的過(guò)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(gè)反向串聯(lián)的穩壓二極管V1、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。

過(guò)熱保護

IGBT 的損耗功率主要包括開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，前者隨開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大，占整個(gè)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(fā)熱較多（尤其是Rg選擇偏大時(shí)），加之IGBT的結溫不能超過(guò)125℃，不宜長(cháng)期工作在較高溫度下，因此要采取恰當的散熱措施進(jìn)行過(guò)熱保護。

編輯點(diǎn)評：在實(shí)際工作中，采用普通散熱器與強迫風(fēng)冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)。當溫度達到75℃～80℃時(shí)，通過(guò) SG3525的關(guān)閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號，從而使驅動(dòng)器封鎖IGBT的開(kāi)關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護。過(guò)電流檢測是利用場(chǎng)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(guò)設定值時(shí)就停止放電，在電路中一般還加有延時(shí)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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