原标题：成就电子电路设计高手(11)，保护电子电路设计下篇

在电子电路设计中，保护电路的设计至关重要，它关乎到电路的稳定运行和设备的安全。本篇将深入探讨保护电子电路设计的具体策略和方法，重点介绍过流保护、过压保护以及过热保护等关键技术。

一、过流保护设计

过流保护是防止电路因电流过大而损坏的重要措施。

1. IGBT的过流保护

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为一种高功率半导体器件，对过流非常敏感。其过流保护设计需特别谨慎。

• 驱动电路无保护功能时：

• 小容量变频器：将电阻直接串接在主电路中，通过电阻两端的电压来反映电流的大小。

• 大中容量变频器：使用电流互感器（如霍尔传感器），可串接在主回路中检测流过IGBT的总电流，或串接在每个IGBT上直接反映每个IGBT的电流。

• 方法：在主电路中设置过流检测器件，如电阻或电流互感器。

• 实现方式：

• 保护动作：过电流检测信号经光耦管向控制电路输出封锁信号，关断IGBT的触发，实现过流保护。

• 驱动电路设有保护功能时：

• 改变二极管型号与个数：如IGBT通态饱和压降为2.65V，驱动模块过流保护临界动作电压值为7.84V时，可选用7个硅二极管（每个通态压降约0.7V）与1个锗二极管（通态压降约0.3V）串联，使总通态压降之和为5.20V，与临界动作电压值相匹配。

• 二极管与电阻相结合：用电阻取代部分二极管，实现精确配合。

• 使用混合驱动模块：如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，集驱动与保护功能于一体。

• 保护原理：利用在某一正向栅压Uge下，正向导通管压降Uce(ON)与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测Uce(ON)的大小来判断Ie的大小。

• 调整保护动作点：

• 桥臂互锁保护：

• 原理：防止同一桥臂上的两个IGBT因控制信号重叠或开关器件本身延时过长等原因导致直通短路。

• 实现方式：用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁，确保一个IGBT被确认关断后，另一个IGBT才能导通。

2. 其他过流保护电路

• 稳压器保护电路：通过监测晶体管的基极-发射极电压，当电压达到设定值时触发保护。

• 运算放大器过流保护电路：使用运算放大器监测分流电阻上的电压降，与预设阈值比较，实现过流保护。

• 保险丝和断路器：用于较大交流电流的过流保护，保险丝在电流过大时熔断，断路器则利用双金属片或小型电感元件在电流过大时跳闸。

二、过压保护设计

过压保护是防止电路因电压过高而损坏的重要措施。

1. 齐纳二极管过压保护

• 原理：齐纳二极管在反向击穿时具有稳定的电压特性，将电压限制在击穿电压以下。

• 应用：在电源输入端设置齐纳二极管，保护后续电路不受过电压损害。

2. 可编程过压保护电路

• 原理：使用可编程齐纳二极管（如TL431）作为基准电压源，通过调整外部电阻设置触发电压。

• 优点：提供更大的灵活性，可根据实际需求调整过压保护点。

3. 电压调节和保险丝过压保护电路

• 原理：结合电压调节器和保险丝，实现过压和短路保护。

• 应用：在电源管理电路中广泛使用，保护负载免受过电压和短路损害。

4. MOV（金属氧化物压敏电阻）过压保护

• 原理：MOV在电压升高时电阻值迅速下降，吸收过电压能量。

• 应用：在交流电源输入端设置MOV，保护电路免受雷电、电网波动等引起的过电压损害。

5. 撬棒电路过压保护

• 原理：利用SCR（可控硅整流器）的触发特性，在电压过高时触发SCR导通，将电压短路到地。

• 应用：在直流电源输入端设置撬棒电路，防止因操作失误或设备故障引起的过电压损害。

三、过热保护设计

过热保护是防止电子设备因温度过高而损坏的重要措施。

1. 热敏电阻过热保护

• 原理：热敏电阻的阻值随温度变化而变化，通过监测其阻值可以判断设备的温度。

• 应用：在需要精确监测温度的场合使用，如电机、电源等。

2. 温度传感器与微控制器保护法

• 原理：使用温度传感器监测设备的温度，将温度信号传输给微控制器。当温度超过设定值时，微控制器控制继电器切断电源。

• 应用：在需要智能化管理的设备中使用，如服务器、数据中心等。

3. PTC（正温度系数）热敏电阻过热保护

• 原理：PTC热敏电阻在温度升高时阻值迅速增加，限制电流通过，从而降低设备温度。

• 应用：在需要自恢复功能的场合使用，如电池充电器、电机驱动器等。

4. 散热设计

• 重要性：良好的散热设计是防止设备过热的关键。

• 方法：

• 选择合适的散热器：根据设备的发热量和工作环境选择合适的散热器。

• 涂抹导热硅脂：在散热器和发热元件之间涂抹导热硅脂，提高热传导效率。

• 优化电路布局：通过合理的电路布局减少热阻，提高散热效果。

四、其他保护设计

1. 反极性保护

• 原理：在电源输入端串联一个二极管，防止电源反接。

• 应用：在所有需要防止电源反接的场合使用。

2. 反电动势保护

• 原理：在电感负载两端并联一个二极管，防止电感在断电时产生的反电动势损坏开关器件。

• 应用：在包含电感负载的电路中使用，如电机驱动电路、继电器驱动电路等。

五、总结

保护电子电路的设计是电子电路设计中的重要环节。通过合理的过流保护、过压保护和过热保护设计，可以确保电路在各种异常情况下都能安全、稳定运行。同时，良好的散热设计和反极性、反电动势保护也是保障电子设备长期可靠运行的关键。作为电子电路设计高手，应熟练掌握这些保护技术，并在实际设计中灵活运用。