原標(biāo)題：成就電子電路設(shè)計(jì)高手(11)，保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)下篇

在電子電路設(shè)計(jì)中，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它關(guān)乎到電路的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備的安全。本篇將深入探討保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)的具體策略和方法，重點(diǎn)介紹過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。

一、過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)流保護(hù)是防止電路因電流過(guò)大而損壞的重要措施。

1. IGBT的過(guò)流保護(hù)

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為一種高功率半導(dǎo)體器件，對(duì)過(guò)流非常敏感。其過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)需特別謹(jǐn)慎。

• 驅(qū)動(dòng)電路無(wú)保護(hù)功能時(shí)：

• 小容量變頻器：將電阻直接串接在主電路中，通過(guò)電阻兩端的電壓來(lái)反映電流的大小。

• 大中容量變頻器：使用電流互感器（如霍爾傳感器），可串接在主回路中檢測(cè)流過(guò)IGBT的總電流，或串接在每個(gè)IGBT上直接反映每個(gè)IGBT的電流。

• 方法：在主電路中設(shè)置過(guò)流檢測(cè)器件，如電阻或電流互感器。

• 實(shí)現(xiàn)方式：

• 保護(hù)動(dòng)作：過(guò)電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號(hào)，關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

• 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有保護(hù)功能時(shí)：

• 改變二極管型號(hào)與個(gè)數(shù)：如IGBT通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)臨界動(dòng)作電壓值為7.84V時(shí)，可選用7個(gè)硅二極管（每個(gè)通態(tài)壓降約0.7V）與1個(gè)鍺二極管（通態(tài)壓降約0.3V）串聯(lián)，使總通態(tài)壓降之和為5.20V，與臨界動(dòng)作電壓值相匹配。

• 二極管與電阻相結(jié)合：用電阻取代部分二極管，實(shí)現(xiàn)精確配合。

• 使用混合驅(qū)動(dòng)模塊：如日本英達(dá)公司的HR065、富士電機(jī)的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能于一體。

• 保護(hù)原理：利用在某一正向柵壓Uge下，正向?qū)ü軌航?span id="hgbmvkd8g7h3" class="math math-inline" style="box-sizing: border-box; padding: 0px; -webkit-font-smoothing: antialiased; font-variant-numeric: normal; font-variant-east-asian: normal; font-variant-alternates: normal; font-variant-position: normal; font-variant-emoji: normal; font-size-adjust: none; font-kerning: auto; font-optical-sizing: auto; font-feature-settings: normal; font-variation-settings: normal; font-stretch: normal; text-rendering: auto; list-style: none; margin: 0px; scrollbar-width: none; position: relative; text-wrap-mode: nowrap; width: min-content; display: inline-block; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, Ubuntu, "Helvetica Neue", Helvetica, Arial, "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", "Source Han Sans CN", sans-serif, "Apple Color Emoji", "Segoe UI Emoji" !important; font-size: 1em !important; line-height: 1.75 !important;">Uce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性，通過(guò)檢測(cè)Uce(ON)的大小來(lái)判斷Ie的大小。

• 調(diào)整保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)：

• 橋臂互鎖保護(hù)：

• 原理：防止同一橋臂上的兩個(gè)IGBT因控制信號(hào)重疊或開(kāi)關(guān)器件本身延時(shí)過(guò)長(zhǎng)等原因?qū)е轮蓖ǘ搪贰?/span>

• 實(shí)現(xiàn)方式：用兩個(gè)與門(mén)對(duì)同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互鎖，確保一個(gè)IGBT被確認(rèn)關(guān)斷后，另一個(gè)IGBT才能導(dǎo)通。

2. 其他過(guò)流保護(hù)電路

• 穩(wěn)壓器保護(hù)電路：通過(guò)監(jiān)測(cè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)。

• 運(yùn)算放大器過(guò)流保護(hù)電路：使用運(yùn)算放大器監(jiān)測(cè)分流電阻上的電壓降，與預(yù)設(shè)閾值比較，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

• 保險(xiǎn)絲和斷路器：用于較大交流電流的過(guò)流保護(hù)，保險(xiǎn)絲在電流過(guò)大時(shí)熔斷，斷路器則利用雙金屬片或小型電感元件在電流過(guò)大時(shí)跳閘。

二、過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)壓保護(hù)是防止電路因電壓過(guò)高而損壞的重要措施。

1. 齊納二極管過(guò)壓保護(hù)

• 原理：齊納二極管在反向擊穿時(shí)具有穩(wěn)定的電壓特性，將電壓限制在擊穿電壓以下。

• 應(yīng)用：在電源輸入端設(shè)置齊納二極管，保護(hù)后續(xù)電路不受過(guò)電壓損害。

2. 可編程過(guò)壓保護(hù)電路

• 原理：使用可編程齊納二極管（如TL431）作為基準(zhǔn)電壓源，通過(guò)調(diào)整外部電阻設(shè)置觸發(fā)電壓。

• 優(yōu)點(diǎn)：提供更大的靈活性，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)。

3. 電壓調(diào)節(jié)和保險(xiǎn)絲過(guò)壓保護(hù)電路

• 原理：結(jié)合電壓調(diào)節(jié)器和保險(xiǎn)絲，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和短路保護(hù)。

• 應(yīng)用：在電源管理電路中廣泛使用，保護(hù)負(fù)載免受過(guò)電壓和短路損害。

4. MOV（金屬氧化物壓敏電阻）過(guò)壓保護(hù)

• 原理：MOV在電壓升高時(shí)電阻值迅速下降，吸收過(guò)電壓能量。

• 應(yīng)用：在交流電源輸入端設(shè)置MOV，保護(hù)電路免受雷電、電網(wǎng)波動(dòng)等引起的過(guò)電壓損害。

5. 撬棒電路過(guò)壓保護(hù)

• 原理：利用SCR（可控硅整流器）的觸發(fā)特性，在電壓過(guò)高時(shí)觸發(fā)SCR導(dǎo)通，將電壓短路到地。

• 應(yīng)用：在直流電源輸入端設(shè)置撬棒電路，防止因操作失誤或設(shè)備故障引起的過(guò)電壓損害。

三、過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)熱保護(hù)是防止電子設(shè)備因溫度過(guò)高而損壞的重要措施。

1. 熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)

• 原理：熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)其阻值可以判斷設(shè)備的溫度。

• 應(yīng)用：在需要精確監(jiān)測(cè)溫度的場(chǎng)合使用，如電機(jī)、電源等。

2. 溫度傳感器與微控制器保護(hù)法

• 原理：使用溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度，將溫度信號(hào)傳輸給微控制器。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微控制器控制繼電器切斷電源。

• 應(yīng)用：在需要智能化管理的設(shè)備中使用，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等。

3. PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻過(guò)熱保護(hù)

• 原理：PTC熱敏電阻在溫度升高時(shí)阻值迅速增加，限制電流通過(guò)，從而降低設(shè)備溫度。

• 應(yīng)用：在需要自恢復(fù)功能的場(chǎng)合使用，如電池充電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

4. 散熱設(shè)計(jì)

• 重要性：良好的散熱設(shè)計(jì)是防止設(shè)備過(guò)熱的關(guān)鍵。

• 方法：

• 選擇合適的散熱器：根據(jù)設(shè)備的發(fā)熱量和工作環(huán)境選擇合適的散熱器。

• 涂抹導(dǎo)熱硅脂：在散熱器和發(fā)熱元件之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，提高熱傳導(dǎo)效率。

• 優(yōu)化電路布局：通過(guò)合理的電路布局減少熱阻，提高散熱效果。

四、其他保護(hù)設(shè)計(jì)

1. 反極性保護(hù)

• 原理：在電源輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管，防止電源反接。

• 應(yīng)用：在所有需要防止電源反接的場(chǎng)合使用。

2. 反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)

• 原理：在電感負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，防止電感在斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)損壞開(kāi)關(guān)器件。

• 應(yīng)用：在包含電感負(fù)載的電路中使用，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等。

五、總結(jié)

保護(hù)電子電路的設(shè)計(jì)是電子電路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)合理的過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)，可以確保電路在各種異常情況下都能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，良好的散熱設(shè)計(jì)和反極性、反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)也是保障電子設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。作為電子電路設(shè)計(jì)高手，應(yīng)熟練掌握這些保護(hù)技術(shù)，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用。