电力系统的安全和保护对于确保电子元件和用户的保护至关重要。过电流、过电压、短路、高温和极性反转都可能严重损坏电路。使用熔断器、齐纳电、光隔离器和隔离变压器，可以设计出坚固可靠的系统。本文介绍主要保护技术，并附有实际案例和实际应用。
介绍
安全在电力电子领域极为重要。系统必须设计以承受极端且不可预测的工作环境。如果没有足够的保护策略，不仅有损坏电子元件的风险，也会影响终端用户。
主要威胁包括：
- 负载突然激增引起的过电流
- 过电压，由大气放电、切换瞬态或连接不良引起
- 短路，即两个节点发生意外短路的情况
- 极性反转，由布线过程中的人为错误引起
- 缺乏电隔离，存在直接接触带电部件和温度失控升高的风险
为了解决所有这些问题，采用了经过充分测试的工具，甚至是传统上仍被广泛使用的工具，这些工具至今仍在电力电路中使用。现在让我们通过实际示例、应用图和根据系统类型选择最合适保护的方法来探讨其中一些方法。
过流保护：保险丝
保险丝（见图1）是一种保护装置，当电流超过预定值时，会自动断开电路。它是防止过载或短路造成损坏的最简单且最有效的方法之一，可能是最古老的。保险丝有多种类型：圆柱形、刀片型和可重复使用型。例如，在通用电源中，12A熔断器只要电流超过该上限，就能保证保护且不中断正常运行。
图中展示了两个图表，表示负载中电流随时间变化的变化，电流值逐渐增加。上图是简单的线性模拟，下图则更为真实，考虑了熔断器的响应时间。使用标准12A熔断器（可能是快型）用于保护电路免受电气过载。当电路电流超过最大限制（12A）时，熔断器内部导线烧毁，中断电流流动，保护敏感元件。这种保护方式简单且成本低。如果熔断器烧毁，必须更换同类型的新熔断器。切勿用简单的铜线代替熔断器。
过流保护：自复位保险丝
它们类似于传统保险丝，但在保护激活后可以重置，无需拆解和更换。遇到大电流时，电流不会完全中断，而是瞬间降至极低值，导致下游设备停止运行。经过手动关机和排查后，当电力恢复时，这种类型的保险丝会自动恢复到初始状态，电路恢复正常工作，无需更换。如果问题没有解决，自动复位保险丝会重新启动保护，甚至多次。
过流保护：电子断路器
电子断路器取代了传统熔断器，通过使用电流传感器（如分流器或运算放大器）和比较器来工作，当电流超过某个阈值时，激活MOSFET或继电器以关闭电路。当负载变轻时，它们会自动复位，可以编程以承受一定的电流，并且被封装在集成电路内部。图2中的通用示例展示了使用NPN双极型晶体管作为电流放大器的电流控制电路。其主要目的是管理流经负载的电流，无论负载电阻或环境条件的变化如何，电流始终保持恒定。
过压保护：TVS二极管
这些P-N结二极管用于保护电子元件免受高压瞬变和突发浪涌的影响。当电压过高时，这些电能会立即激活，并将多余能量放电到地。完成功能后，它们会恢复正常状态。他们的反应非常迅速。其结节截面比标准二极管大，能够将大电流导向地而不损坏。市场上有高达数百千瓦的型号。
TVS二极管用于防护闪电、感性负载尖峰和静电放电。例如，如果信号总线电压为12 V，且电压瞬变可能达到200或300 V，这会超过元件的标称电压，可能会损坏电路。脉冲可以是正的或负的，单一的或重复的。为了保护系统，必须限制最大电压，并确保其保持在安全水平，供现有组件使用。连接TVS二极管后，尽管存在危险脉冲，负载电压会大幅降低。
图3中的电气示意图展示了保护电路免受过电压脉冲的解决方案。它由一个固定的12伏电压发生器组成（这是负载的正常工作电压），为电路提供稳定的电压。与之串联的是脉冲信号源，包括负信号和正信号。它模拟任何可能扰动电路的瞬态脉冲。R1电阻代表电线的自然电阻。TVS二极管是SMBJ30CA型号，能保护电路免受不必要的过压。R2是一个通用负载，代表实际电路的负载，电路可以是单元件或更复杂的电路。当电压超过保护阈值时，TVS二极管迅速激活并变得导电，将多余能量释放到地，并将总线上的最大电压限制在元件的安全水平。
负峰值可以用以下方程描述：
V=0.077-exp（3.25*357.93*（0.0054-time）-（-7.74）*floor（sqrt（time）-0.033））
对于负峰值和正峰值，表征要复杂得多。图表显示了两种不同情况下的电压轨迹：第一条是没有TVS二极管保护的负载电压，第二条是带有TVS二极管保护的电压。如你所见，它能保护电路免受过压尖峰的影响。
在过电压尖峰时，TVS二极管将大部分功率耗散到自身，因此必须使用相当坚固的元件。耗散的功率在几毫秒内可能轻易达到数百千瓦。图4中的图表显示了负值和正值瞬态期间的耗散水平。
压敏电阻
这些二极管与TVS二极管相似。它们是非线性、电压依赖的器件，能够极好地抑制瞬态电压，如闪电击中或高压尖峰。它们在正常情况下漏电流低，漏电流也很低。它们用于抑制工业和消费电子、照明与通信系统以及有线网络设备的瞬变。
短路与反极性保护
短路发生在两个电势不同点直接连接时。如果不及时发现，可能会造成灾难性损害。最常见的解决方案是电流传感器、电子断路器、通过控制逻辑保护的MOSFET等。在检查反极性保护时，注意反向电源可能会迅速损坏集成电路、晶体管及其他元件。最常见的方法之一是使用阻断二极管，即与输入串联的二极管，防止反向电流通过。也可以使用由二极管桥制成的自动逆变电路来纠正错误。这些方案的一个缺点是二极管的电压降，导致效率略有下降。
电隔离与光隔离器
其他解决方案允许用户物理隔离两个电路（见图5），同时保持信号传输系统的完整性。光隔离器通过电气分离两个电路，通过光传输信号。它们有助于保护微控制器免受高电压影响。隔离变压器还能在初级和次级之间实现物理隔离，防止电流直接通过。最新技术提供了数字隔离器，取代了传统的光隔离器，实现了更高的速度和可靠性。
结论
电力系统的安全性不是可选的;这是确保产品寿命和用户保护的基本要求。电压和电流尖峰不仅仅是理论事件;实际上，它们发生的频率远比人们想象的要高得多。现代电路日益复杂，设计要求从初始阶段就包含集成保护措施。所研究解决方案的综合应用在保护系统免受过电流、过电压、短路、极性反转及绝缘缺失方面表现优异。设计师不仅要考虑电气特性，还要考虑国际法规、极端作条件以及潜在的人为错误。如今，得益于先进的仿真工具和专用集成组件，能够构建越来越安全、高性能的电力系统。