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现阶段五大功率器件保护措施

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现阶段适用于电子产品和自动化电子控制设备及功率半导体器件的保护方式有以下几种:

 

 

 

一、保险丝法


这是一种常用的保护方式。保险丝常串接在电路的电源输入端用来控制全部电路的总电流。其工作原理是靠电路出现问题后增大的故障电流流过保险丝时导致其发热升温自行熔化,以切断电源供给实现保护目的。保险丝法有执行简单易行、维护比较容易、成本费用较低,保护时电源切断彻底等优点,因此被广泛运用在现阶段所有的电子电路和电子设备中。


但是,鉴于保险丝中流过的是电路的总电流,单只功率半导体器件中工作电流的变化并不能引起其有效反应;另外由于保险丝熔化速度慢,只有在功率半导体器件损坏后或电路恶性短路故障发生后故障电流成倍增加过后才会熔断,因此,只能起到防止故障进一步扩大的作用,对功率半导体器件起不到保护作用。

 

 

 

二、检测主电路电流法


该方式是在主电路电源输入端串联接入检测元件(检测电阻、互感器等),通过检测电路中总电流在检测元件上的电压降或电流大小获得相应电流或电压信号,经过电路放大处理,与保护电路的动作阈值比较,决定保护与否;


该保护方式鉴于采用了电子技术,和保险丝法相比其灵敏度和反映速度都得到了提高,但是这种方式依然检测的是电路的总电流,而故障功率半导体器件的工作电流只是总电流的几分之一甚至几十分之一,其变化并不能引起保护电路有效反应。


因此该方式总是在故障电流形成过后才有响应,造成检测结果和保护动作的滞后,根本适应不了对功率半导体器件的保护要求。因此该保护方式和保险丝一样,只有在功率半导体器件已经损坏和恶性过流故障发生后起到防止故障进一步扩大的作用。对功率器件的保护仍没有办法。

 

 

 

三、检测功率器件工作电流法

 

这是目前比较常用的功率半导体器件保护方法,对功率半导体器件有一定的保护作用。该方法是在被保护的功率半导体器件工作电流通路中串入检测元件(电阻或电流互感器等),通过检测被保护器件的工作电流在检测元件上的电流或电压信号,再经电路处理获得故障信号,通过保险丝或关断电源等方法进行保护。

 

检测功率器件工作电流法的工作原理和线路结构与检测主电路电流法相同,不同的是检测对象是被保护器件的工作电流,所以灵敏度比检测主电路电流法要高,效果也要好。如果该方法是采用电子器件关断电流通路来实施保护,就能在管子发生过流故障后起到一定保护作用。

 

不过因该方案仍采用检测电流法,即总是在故障形成、被保护器件受到高电压、大电流的冲击后才能检测出故障信号然后进行保护,仍然造成信号获取滞后。如果被保护器件选用的功率余量小或电路故障严重,被保护器件仍然会立即损坏;若被保护器件功率余量大而且故障程度不严重时器件一般不会损坏;

 

不过由于故障电流的冲击仍造成被保护器件的性能明显下降、寿命减短,给整机的性能和可靠性埋下隐患。所以该方法对恶性过流、负载短路等故障起初几次有一些保护效果,但性能仍不理想。实际使用证明,器件经过有限几次故障电流的冲击就失效了。

 

检测被保护器件工作电流法除检测和保护滞后外,还存在下列缺陷:

1、由于主电流通路中接有电阻或电流互感器等检测元件,降低了输出电压,使输出功率下降,电源利用率降低,这在采用低电压供电的电路中矛盾更突出。

2、检测电阻发热量大、散热困难,易造成整机温度升高、工作稳定性下降。

3、互感器体积大,使用不便;检测电阻阻值小,要求精度高,导致成本也高。当然,采用其它检测元件同样存在这个问题。

4、保护电路复杂,制作困难;一般都是随机设计、通用性差等。

 

 

 

四、并联式检测功率器件电压法

 

顾名思义,这种方法就是保护电路与被保护功率器件并联连接,通过检测被保护器件工作时的电压来获得信号,根据电压情况判断电路是否出现故障,保护方法采用就地式保护方式,即通过强行切断被保护功率器件本身的控制信号,迫使其停止工作以实现对其的保护。(检测被保护器件的电压,直接对被保护器件实施保护)

 

由于该方法检测的是电压信号,可以在电路出现异常时即时发现故障,在故障电流还未形成时即进行保护,避免了故障电流对器件的冲击。根据对实际应用电路的测试和长期使用证明,保护动作时被保护功率器件的工作电流由正常值减小到零,不存在大电流冲击,对功率器件的性能寿命无任何影响。所以不怕恶性故障和永久性故障。是一种比较理想的保护方法。

 

该保护方法还有下列特点:

1、保护电路并联接入,主工作回路中不串接任何元件,电源利用率高,无热源。

2、检测对象是被保护功率器件的工作电压,所以保护电路的输入阻抗高、功耗小,检测精度高。

3、检测的是被保护对象本身的工作状态,保护又直接施加在被保护对象上,因此针对性强,保护及时可靠。

4、在电路正常时,保护电路只起监视功率半导体器件工作情况的作用,不参与更不影响功率半导体器件的工作,当实施保护时只关断故障涉及到的功率器件(当然,也可在关断被保护器件的同时切断单元电路或整个设备的电源供给),不影响设备其它部分的工作,这点对很多设备非常必要。

 

该保护电路的不足是:只对被保护器件的工作状态进行定性检测,所以,若用于电压控制型功率器件,只能对负载短路和严重过流故障有理想的保护效果。

 

 

 

五、并联式检测工作压降法

 

由于功率半导体器件本身导通电阻的存在,任何情况的过载过流都会引起其饱和压降或工作压降的增大,即不管半导体器件的工作状态如何,通过其任何大小的电流时器件本身都会有一个对应的工作电压降值;监视和监测功率半导体器件导通时的电压降,根据其电压降的大小即可判断过流过载的情况和程度。

 

该方法的工作原理和连接方法与并联式功率器件工作状态电压检测法相同,所以也具有并联式检测功率半导体器件工作状态电压法的所有优点;区别是该方法对被保护器件的工作电压进行定量检测,因而对工作状态的测量和故障的判断更准确。该方法可以对功率半导体器件的激励不足、过流过载、负载短路故障进行检测并实施保护,效果非常理想。

 

以上就是功率器件的一些相关知识,功率器件不断发展,这就需要我们的科研人员的不断努力,推动技术不断发展,让我们的电子产品更加高效。

2019年10月9日 13:59

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