保护电路的方法不计其数，每种方法都旨在应对特定的工作条件和不同的故障情况。在本课程的前几期中，我们已经研究过其中的一些方法，分析了它们的工作原理和主要应用。本文将深入探讨其他方法，以拓宽对最常见和实用技术的概述。

需要强调的是，可用的保护解决方案繁多且各异，从简单的分立元件到更复杂的集成系统。因此，我们无法面面俱到地检视所有方案;相反，我们将重点关注那些最重要、最具代表性的解决方案，它们为设计安全可靠的电路提供了坚实的基础。

应对故障状况

在电力电子系统中，故障状况不仅由外部事件引起，也常常由电路自身或用户错误引发。一个典型的例子是感性负载(继电器、电机、螺线管)，在关断阶段，由于电流变化，会产生非常高的电压尖峰。

在缺乏适当对策的情况下，这些尖峰会损坏器件和电路。因此，通常使用反并联二极管来为电流提供安全路径并限制过电压。同样，像电源极性接反这样的人为错误也可能造成即时且不可逆的损坏。在这些情况下，会采用简单而有效的解决方案，例如串联二极管、保护mosfet或能够阻断反向电流的专用电路。因此，设计必须同时考虑固有的电路现象和误用场景，从开发的最初阶段就实施适当的保护。

反极性保护

反极性保护是最容易实现的。只需在输入电源路径中放置一个简单的二极管即可。但是，该元件必须具备足够的额定电流。

参考图1，它展示了一个正在供电的功率负载。

图1

如果负载在没有二极管的情况下供电，电压源极性反接可能会摧毁整个电路。然而，二极管会阻断反向电压，从而保护器件。二极管会产生0.6至0.7 V的恒定压降，但这不应该是问题;实际上，可以稍微提高输入电压。

压降的问题在于它会导致功率损耗，从而在二极管上产生一定的热量。每个二极管，包括肖特基二极管，都有自己的压降(参见数据手册中的参数Vf，正向压降)。以下原理图是一个简单的直流电路，其中串联了一个功率二极管。它由以下组件构成：

V1：96 V 直流电源;

D1：TO220 SIC 肖特基功率二极管;

R1：10 欧姆负载。

“IN”节点代表电源输入端，而“OUT”节点代表经过保护二极管后供给负载的电压。如果二极管方向正确，它会导通，电流流经 V1、D1 和 R1。电流约为 9.5 A。如果电源极性接反，二极管将反向偏置并完全阻断电流。在示例电路中，阳极和阴极之间的电势差为 1.324 V，符合官方数据手册的技术参数：

STPSC10H12 功率肖特基碳化硅二极管

封装：TO-220AC

IF：10 A

Vrrm：1200 V

Tj (最大值)：175 °C

VF (典型值)：1.35 V

尽管该二极管是 SiC 肖特基器件，特点是“反向恢复”时间为零，因此特别适用于高功率、高速开关应用，但它同样可以非常有效地用于保护目的。其优异的特性，如低开关损耗、高反向电压和高温工作能力，使其不仅在转换器和开关电源中是可靠的选择，而且在设计用于抵御异常状况的电路中也是如此。特别是，SiC材料的快速响应和稳健性有效地限制了敏感元件上的电气应力，有助于提高电子系统的安全性和整体寿命。

然而，如果电路需要在非常低的电压下工作，串联二极管的压降可能会成为问题。在这种情况下，可以使用图2所示的配置，该配置实现了一个与负载并联的二极管。

图2

当输入电压正确接入时，约有7 A的电流流过负载，而二极管处于反向偏置，流过约6 pA的电流，几乎可以忽略不计。当输入电压反接时，二极管导通，导致保险丝熔断。电路工作正常，但二极管必须能够承受电源的全部最大电流，直到保险丝熔断断开。因此需要一个额定电流至少为10 A的二极管。

另一种极性反接保护方法可以使用P沟道MOSFET来实现，将其串联在正电源线上，其栅极通过下拉电阻接地。该解决方案提供了有效的反极性保护，且压降非常低。图3显示了一个基本电路示例。

图3

如果电源连接正确，栅源电压为负，MOSFET导通，允许电流流向负载。然而，如果电源极性接反，栅源电压变为正，使MOSFET保持关断状态并阻断电流。内部二极管的取向是为了在反接时防止电流流动，提供额外保护并确保电路可靠运行。所使用的MOSFET型号为IRF9640，其耗散功率为125 W，最大电流为11 A，最大电压为200 V。

另一种额外的极性反接保护方法可以使用N沟道MOSFET和一个可选的齐纳二极管来实现，该齐纳二极管仅在电压超过G-S击穿电压时才需要(见图4)。需要较低的Rds(ON)来限制导通损耗。NMOS晶体管相当常见且价格低廉。然而，使用它们意味着负载不会接地。如果希望负载侧永久接地，则应使用PMOS晶体管，尽管这些晶体管更难采购。

图4

通常用于整流交流电的Graetz桥(整流桥)也可用作直流电路中的极性反接保护(见图5)。将该桥置于电源输入端，可确保无论源极如何连接，负载两端的极性始终正确：即使电源接反，桥式整流器也能对直流电压进行整流。这可以防止损坏敏感元件。唯一的缺点是存在双倍压降(对于硅二极管约为1.4 V)，这在低压电路中必须加以考虑。

图5

过电压保护

现在让我们讨论过电压，这在开关模式下电感器中是非常常见的现象。续流二极管与电感器并联连接，相对于正常电源极性反向，以保护电路免受开关过程中产生的电压尖峰的影响。

当流过电感器的电流被中断时(例如，通过关断晶体管)，磁场趋于保持电流恒定，从而产生高过电压。然后二极管开始导通，为电流提供路径并耗散存储在电感器中的能量。这可以防止可能损坏晶体管或MOSFET等元件的危险尖峰，从而提高电路的可靠性。这些尖峰可能达到数千伏。

所使用的二极管必须具有较高的PIV(峰值反向电压)值。现代的开关器件(SiC和GaN MOSFET)已经包含了这个二极管，但增加一个额外的二极管总是可取的。参考图6中的原理图。

图6

有两个几乎相同的电路来比较它们的行为。左侧电路未受保护，由一个2N3055晶体管Q1、一个11 mH电感L1、一个24 V电源V3以及通过R1提供的24 V、1000 Hz晶体管基极驱动组成。当晶体管关断时，电感中的电流不能立即消失，会在晶体管集电极产生相当高的过电压，可能损坏元件。

右侧电路等效，但具有一个与电感器反并联的1N4007保护二极管D1。当晶体管关断时，二极管导通，电流在电感器中“再循环”。电压保持受限。图表显示了两个电压：

v(collector1)：无二极管电路;

v(collector2)：有二极管电路。

在第一个图中，极高且窄的尖峰几乎达到1 kV，由磁场的崩溃产生。在第二个电路中，集电极电压保持在约25 V。使用SPICE “.meas”指令，没有保护二极管时的集电极最大峰值电压为965 V，而有保护二极管时仅为24.87 V。没有二极管，晶体管承受近1000 V的电压，存在立即损坏的风险。因此，续流二极管是必不可少的。

功率电路中的保护

功率电路的保护是电子设计的一个基本方面，不能被视为附件。正如我们所展示的，即使极其简单的解决方案，例如串联二极管、Graetz桥或续流二极管，也能防止严重且不可逆的损坏。

使用QSPICE进行的仿真清晰地突显了可预测的现象，例如电感器产生的过电压，如果管理不当，可能达到极高的数值。同样，诸如极性反接等人为错误可以使用有效且低成本的技术来避免。

选择最合适的解决方案取决于应用场景、功率水平和效率限制，但原则是相同的。设计稳健的电路也意味着在故障发生之前预测故障。从一开始就集成充分的保护系统可以提高电力电子设备的可靠性、安全性和使用寿命。