开关电源中几种过流保护方式的比较

2万 · 2013-9-27 15:52

　25Hz逆变电源是铁路区段信号中的供电设备，分别向轨道回路和局部回路供电。由于它是整个铁路区段中的关键设备，因而在电压稳定度、波形畸变以及可靠性上有非常严格的要求。特别是在可靠性上，它要求在负载过载、变压器接入、负载短路这样的冲击情况下都不应造成设备的损坏，并要求能够承受长期短路这样的极端故障。但是，由于功率半导体器件的过载能力差，当负载短路或者接入变压器这样的冲击?负荷的时候，必将导致器件的损坏。因而，对接入冲击性负荷时进行保护是必不可少的。

　　基于传统模拟保护方法的不足，本文提出了一种通过计算等效输出阻抗来对冲击负荷进行相应保护的策略，依靠DSP控制的灵活性，能够对短路、变压器接入以及过载等进行不同程度的保护，并能承受长期短路这样的故障，实验证明它是一种有效的保护策略。

2万 · 2013-9-27 16:34

　1 传统抗负荷冲击策略
　　单相逆变器主电路结构如图1所示，控制电路根据输出电压和电感电流，来控制功率器件的开通与关断，输出电压经过一级LC滤波以后，就得到了高质量的正弦波。
　　传统的保护策略有如下几种。

2万 · 2013-9-27 16:34

　1.1 降低输出电压

　　降压方法是在检测到输出过载电流以后，立即将电压的参考值拉低，这样，便软化了冲击电流。由于电路检测的是电流的瞬时值，因而电路响应快，能对恶劣的电流冲击进行有效的保护。当冲击消失时，电路又能自行恢复正常的输出电压。

但是，由于降压电路是事先设计好降压值的，为了适应大的冲击，必须将设定值定得很低，对轻度过载情况而言，这种保护是过度的。而对于像短路这样的冲击，这种方法又起不到有效的保护作用。

　　1.2 加入滞环的瞬时值限流电路

　　这种方法是当检测到输出电流超出设定值I1时，就封锁开关管的门极信号，迫使电流下降，当电流下降到另一设定值I2时，便把封锁信号撤掉，让电路继续正常工作，当电流再次超过设定值I1时，便再次加入封锁信号，如此重复进行。实际上这就是将输出电流通过滞环比较器来控制封锁信号。相对降压电路来讲，它能够根据不同的冲击使电压下降到适宜的程度，而且，它可以对短路等大冲击起到有效的保护作用。

2万 · 2013-9-27 16:34

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由于滞环比较器的开通和封锁工作在高频状态，因此，这种方法将有可能导致开关管的超高频工作，这对于开关器件来说是相当危险的，当出现长期短路这样的故障时，这种方法就不能对设备起到有效的保护作用。

　　2 DSP控制的短路保护策略

　　随着高速数字处理器DSP的问世，传统的模拟控制逐渐被数字控制所替代。由于DSP的易调试性和灵活的控制能力，可以使限流、短路保护做得更加可靠，使系统更加稳定。

　　2.1 系统对短路保护的要求和分析

　　为保证25Hz逆变电源的可靠性，合理的保护控制需要符合以下几点要求：

　　——过载时不能使输出电压变为零，只能适当地限制；

　　——输出短路时能及时切断输出电压，并能承受长期短路故障；

　　——当输出接入变压器时，不应该对输出电压造成过大的影响；

　——当过载或短路故障解除时，设备应能自动恢复工作。

2万 · 2013-9-27 16:35

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在实际电路中，短路情况可以相当于接入了一个非常重的负载，若对于纯阻性负载而言，即负载电阻R非常小，因而，对于过载和短路便可根据R的大小来区分，在DSP程序中就可以通过计算等效输出阻抗来正确判断。这样，对于上述要求，便是要输出电压符合图2的曲线便可。图2中，Vnom为正常输出电压，Rnom为额定负载。当过载时，电压适当下降，而负载短路时，则将电压限到一个极低值，以保证设备的安全。

　　2.2 控制策略

　　基于上述分析，系统在过流、短路、变压器接入时电路应该有相应的保护，因而，DSP必须对这3种情况加以区别，采取不同的保护措施。对于正弦波输出电压而言，过载情况只能通过检测输出电流在一个周波内的有效值才能确定，并且，短时间的过载也是允许的，不应该对输出有所影响。而负载短路这样的情况是要求逆变器能迅速作出反应的。基于此，程序在每一个开关周期检测输出电流值，判断是否短路，而在每个工频周期计算输出电流的有效值，判断输出是否过载。

　　DSP在每个开关周期中断时对输出电流进行采样，当输出电流大于设定值Ilim时，便是负载短路或者负载端接入了变压器，程序便通过限制开关管的门极信号，保证输出电流小于Ilim。由于此时对于负载是短路还是变压器接入这两种情况无法区分，因而，在前几次检测到冲击时需再次恢复门极重试，以保证变压器接入之后输出没有大的反应。当进行几次重试后，若输出电流还是超过Ilim，便是负载短路的情况，不再重试。当接入的是变压器时，只是在接入瞬间才有电流过冲，几次重试后逆变器便重新正常工作了，不会对输出电压产生非常大的影响。

2万 · 2013-9-27 16:36

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在每一个工频周期中，程序计算输出电流的有效值，当输出电流的有效值超过额定值的120％时，便属于过载情况。当判断到过载的时间超过设定值（10s），便根据过载的情况适当地降低输出电压，过载越严重，电压下降越低。整个控制策略的流程如图3所示。

　　2.3 故障解除后的自动恢复

　　当故障解除后，系统应该在最短的时间内恢复正常。通过检测输出电流有效值和输出电压有效值可以正确地判断出负载的情况。当短路故障或过载故障解除后，DSP通过计算输出电压有效值与电流有效值之比得出负载的等效阻抗，若发现故障已经解除，便恢复开关管的门极信号，逆变器便重新恢复工作，而无须人工恢复。

　　3 实验结果

　　上述策略在一台25Hz/1kVA逆变电源上得到了验证。逆变电源的参数如下：输入市电220V/50Hz，输出电压分两路，一路为轨道电源，输出220V/25Hz，另一路为局部电源，输出110V/25Hz，两路电压相位相差90°，局部超前轨道。本文以局部电压为例，其输出滤波电感为4mH，输出滤波电容为5μF。DSP控制器采用的是TI公司的TMS320F241。电流使用霍尔器件进行采样，以提高响应速度。

　　图4（a）为过载10s以后的电压和电流波形，图4（b）为过载消失后逆变器恢复正常工作的波形。从图4中可以看出，当负载过载时，输出电压只是适当降低，并没有完全切断输出。图5（a）为负载短路时电压和电流波形，当DSP检测到输出电流超过设定值时，便立即将输出电流限到安全值，为了适应变压器接入的情况，进行了4次重试，从图5中可以看出，通过限流保护，输出电流已经限到了设备工作的安全值以下，使得设备能够承受长期短路的情况。图5（b）为短路切除以后输出电压电流恢复的波形。