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继电器驱动保护电路(下)

2019-05-06 10:00
新能源BMS
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本来今天(周六)早上想出去浪来着,谁知道有些突发的小情况,只能窝在家了。

书接上文,对于理解继电器驱动保护电路的工作原理,首先要了解电感线圈的特性,下图是电感中的电压和电流的可能不可能出现的情况,概况来讲:电感的电流不能突变,必须是连续的电流值,而不能是离散的点;还有就是要避免电流大幅度变化的场景,会造成很大的电压脉冲在电感两端,继电器保护电路就是为了防护这个电压脉冲。

在下图中,开关S1有两个状态,闭合或打开;当S1闭合后,又包括了两个过程:瞬态过程和稳态过程。在瞬态过程中,流过电感L的电流指数增加,而其两边的电压指数下降;在过渡到最终的稳态过程后,流经电感的电流值为V/R,电感两端电压值无限接近0。

但当S1从闭合稳态下,突然打开时,瞬间在线圈L两端会产生一个负的感应电压,它与电阻R上面的压降、电源Uin叠加后,仍然会在S1两端产生一个很大的电压,进而造成拉弧现象,将线圈中储存的能量消耗掉;进入稳态过程后,电压和电流都变成0。

那么L两端的负压是怎么产生的呢?这就要了解一下电磁感应定律了。电磁感应定律包括两部分:法拉利定律与楞次定律。当通过线圈的磁通量发生变化时,就会在线圈的两端产生感应电动势,磁通量变化越快,感应电动势越大,这就是法拉利定律;而楞次定律进一步规定了方向,即感应电动势产生了感生电流,感生电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。简单来说就是,线圈中原电流变小时,感生电流与原电流同向,阻碍它变小;而线圈中原电流增加时,感生电流的方向就与原电流反向,阻碍它变大;感生电流总是对着干。

在上面的例子中,当S1突然打开后,原电流是变小的,所以感生电流与原电流同向,阻碍原磁通的减少,所以L两端感应电动势的方向为下正上负,对GND1是一个负电压。下图标识了开关闭合和断开时电感两端感应电动势的方向。

前文也讲过,在实际的现实应用中,我们使用半导体开关(MOSFET)来代替机械开关,实现高可靠的导通或关断,同时又存在有高边驱动和低边驱动两种电路;不过MOSFET耐压有限,感应电动势会对其造成损害,下图可以看出无论高边还是低边,都会有一个很大的感应电动势,会在MOS的DS两端叠加成浪涌电压,所以就需要一个钳位保护电路,限制DS两端电压超过其最大可承受值。

以高边驱动电动为例(低边类似),钳位保护电路有以下三种,用二极管和TVS管来实现对MOS管的保护(R为线圈的等效电阻)。

图a中,用一个二极管并联在电感两端,为感生电流提供一个泄放的通路(经常被叫做续流二极管),通过二极管的导通压降把MOS管两端的电压钳位住;它的缺点是放电的速度慢,因为二极管的导通压降很小。这个用法大家应该比较熟悉,开关电源里面经常看到。

图b中,用一个TVS管并联到MOS的DS两端,限制其两端电压,而且可以很快放电,但缺点是TVS管要承受来自于电源的浪涌电压,如7637中的几个波形。

图c中,用一个二极管和TVS管串联后,再并联到电感的两端,二极管用来防止驱动电路正常工作时从此导通,TVS用来钳位,也可以很快放电,所以这种保护电路应用比较广泛。

总结:

这一篇主要介绍了线圈反向电压的产生原因和驱动保护电路的原理,对于电感的特性有了一个基本的概念介绍,但并没有深入介绍器件选型与计算,实在是这一块需要很深的了解才能说得清楚,放在以后加深理解后再分享。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行,所有内容,仅供参考,如有错误,欢迎指出。

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