CN102646962B - 一种用于功率器件的过温保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功率器件的过温保护电路，具体包括：温度检测模块、关断控制模块、迟滞温度设置模块和取电模块。本发明无需单独的参考电压源，既可以从输入信号取电，也可以从被保护功率器件取电。检测温度的热感应源是电流值与温度成正比的电流源，当温度达到过温点时，通过关断控制模块来阻断前级驱动与功率器件的电流通路，可靠关断功率器件，并使过温时整体功耗达到最低。本发明可以通过调节两路电流源的比例来设置迟滞温度，当温度比过温点低一个迟滞温度后才解除保护状态，有效的避免了在过温点附近产生震荡，使功率器件不会误开启。

Description

一种用于功率器件的过温保护电路

技术领域

本发明涉及一种适用于功率器件的过温保护电路，尤其适用于功率集成领域。

背景技术

功率器件是目前应用最广，使用效率最高的电力电子器件之一。而功率器件在工作时可能会产生大量热量，如果散热不力、过温保护电路不可靠，很容易造成器件的热击穿，导致器件永久损坏。

目前常采用的过温保护方案，通常是利用双极型晶体管BE结比如申请号2009102367211公开的“一种过温保护电路”、热敏二极管比如申请号200720036138.2公开的“MOS型过温保护电路”或者热敏电阻来做热感应源，这些热敏源的输出信号与温度呈非线性关系，不便于精确计算过温保护点。

现有的功率器件的过温保护电路输出控制级通常是由晶体管和一小电阻构成，小电阻的一端接输入驱动信号，另一端与晶体管的高电位极(如NMOS的漏极，NPN的集电极)相连，并接至功率器件栅极，晶体管的点电位极接地电位，图1给出了一种示例。当未过温保护时时，晶体管截止，输入驱动通过串联在功率器件栅极的小电阻控制功率器件的开关。过温保护时，晶体管导通，其导通电阻与小电阻分压，要想关断被保护功率器件，就要求晶体管的导通电阻很小，使功率器件栅极电压值低于其导通阈值，这样会导致晶体管的面积很大，增加制造成本，不便于在集成电路中应用。而且，由于在过温保护后形成了从输入依次经过栅极串联电阻、导通晶体管的回路，该回路上产生了大电流，使得在该状态下电路的功耗很大，并且由于功率器件栅极电压不能有效拉至地电位，导致其非可靠关断。

发明内容

为了解决传统过温保护方案在过温保护后功率器件不能可靠关断的缺陷，本发明提出了一种用于功率器件的过温保护电路。

本发明的技术方案为：一种用于功率器件的过温保护电路，包括：温度检测模块、关断控制模块、迟滞温度设置模块和取电模块，其中，

所述的取电模块包括输出端、第一输入端和第二输入端，所述的第一输入端与外部的驱动信号相连，所述的第二输入端与功率器件的高电位导通极相连，所述温度检测模块的输出端与关断控制模块的第一输入端相连，所述温度检测模块用于检测功率器件的温度并产生一个与所述温度相关的电流，并将所述电流输入到关断控制模块的第一输入端；所述关断控制模块的第二输入端与外部的驱动信号相连，所述关断控制模块的第一输出端作为所述过温保护电路的输出端，所述关断控制模块的第二输出端与迟滞温度设置模块的输入端相连，所述迟滞温度设置模块的输出端与温度检测模块的输入端相连。

所述取电模块的输出端为温度检测模块、关断控制模块和迟滞温度设置模块提供电源；

所述关断控制模块将接收到的温度检测模块输入的电流和预设值的阈值进行判断，若大于该阈值，则关断控制模块的第一输出端输出一个低电平关断所述功率器件并启动迟滞温度设置模块；否则，输出外部的驱动信号。

进一步的，所述温度检测模块包括：第一PTAT电流源和第一电阻单元，所述第一PTAT电流源用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，第一PTAT电流源的输出端与第一电阻单元的一个端子相连，并作为所述温度检测模块的输入端和输出端；第一电阻单元的另一个端子连接至地电位。

进一步的，所述关断控制模块包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一非门和第二电阻单元，其中，第二晶体管的控制极作为所述关断控制模块的第一输入端，第二晶体管的高电位导通极与第二电阻单元的一个端子相连，同时还与第一非门的输入端相连，第二晶体管的低电位导通极连接至地电位，第二电阻单元的另一端与取电模块输出端相连，第一非门输出分别与第一晶体管和第三晶体管的控制极相连，第一晶体管是P型晶体管，第三晶体管是N型晶体管，第一晶体管的低电位导通极和第三晶体管的高电位导通极相连，并作为关断控制模块的第一输出端，第一晶体管的高电位导通极作为关断控制模块的第二输入端，第一晶体管的控制极作为关断控制模块的第二输出端，第三晶体管的低电位导通极接至地电位。

进一步的，所述迟滞温度设置模块用来设置所述过温保护电路的动作解除的温度点，包括第二PTAT电流源和与第二PTAT电流源串联的第四晶体管，第二PTAT电流源用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，其输出端与第四晶体管的高电位导通极相连，第四晶体管的控制极与关断控制模块的第二输出端相连，第四晶体管的低电位导通极作为迟滞温度设置模块的输出端，当未过温保护时，关断控制模块第二输出端输出一控制信号到所述迟滞温度设置模块的输入端，关断第二PTAT电流源；当过温保护时，关断控制模块第二输出端输出另一控制信号到所述迟滞温度设置模块的输入端，开启第二PTAT电流源，该电流输出到温度检测模块，并与第一PTAT电流源叠加。

进一步的，所述取电模块具体通过单刀双掷开关实现。

本发明的有益效果：

1)过温保护时，关断控制模块会使第一晶体管截止，第三晶体管导通。第一晶体管截止就阻断了前级驱动电路的联系，使前级电流不能流到被保护器件的栅极或基极，这样就使保护后功率器件和保护电路功耗降到最低；同时，第三晶体管导通保证了功率器件的可靠关断。

2)由于迟滞温度设置模块的引入，当过温保护后，功率器件的温度需降一个设定的迟滞温度才能解除保护动作，这就可以有效防止在临界温度点附近被保护功率器件产生的不稳定开启与关断振荡。

3)可选择两种取电方式，功率器件在常规应用时，一般从被保护功率器件的驱动信号取电，当功率器件在低压应用时，栅极电压可能不足以维持过温保护电路正常工作，这时就可以从功率器件的高电位导通极取电，这就使得过温保护电路有更宽的功率应用范围。

4)可以通过解析表达式精确计算出过温保护点以及恢复点的温度值。

5)适用于基于BiCMOS或BCD工艺的功率集成芯片。

附图说明

图1是现有的过温保护电路的结构示意图。

图2是本发明一种用于功率器件的过温保护电路的原理框图。

图3是本发明一种用于功率器件的过温保护电路的实施电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，一种用于功率器件的过温保护电路10，包括：温度检测模块102、关断控制模块105、迟滞温度设置模块104和取电模块103，其中，

所述的取电模块103包括第一输入端和第二输入端，所述的第一输入端与外部的驱动信号Vin相连，所述的第二输入端与功率器件的高电位导通极相连，所述温度检测模块102的输出端与关断控制模块105的第一输入端相连，所述温度检测模块102用于检测功率器件的温度并产生一个与所述温度相关的电流，并将所述电流输入到关断控制模块105的第一输入端；所述关断控制模块105的第二输入端与外部的驱动信号Vin相连，所述关断控制模块105的第一输出端作为所述过温保护电路的输出端Vout，所述关断控制模块105的第二输出端与迟滞温度设置模块104的输入端相连，所述迟滞温度设置模块104的输出端与温度检测模块102的输入端相连，

所述的取电模块103的输出端为温度检测模块102、关断控制模块105和迟滞温度设置模块104提供电源；

所述关断控制模块105将接收到的温度检测模块102输入的电流和预设值的阈值进行判断，若大于该阈值，则关断控制模块105的第一输出端输出一个低电平关断所述功率器件并启动迟滞温度设置模块104；否则，输出外部的驱动信号Vin。

这高电位导通极可以这样理解，对于N型MOSFET，具体指代其漏极；对于N型BJT的功率器件，具体指代其集电极，对于P型MOSFET，具体指代其源极；对于P型BJT的功率器件，具体指代其发射极。

这低电位导通极可以这样理解，对于N型MOSFET，具体指代其源极；对于N型BJT，具体指代其发射极，对于P型MOSFET，具体指代其漏极；对于P型BJT，具体指代其集电极。

以下与此类似，不再详细描述。

如图3所示，温度检测模块102包括：第一PTAT(Proporational To Absolute Temperature)电流源I1和第一电阻单元R1，第一PTAT电流源I1用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，第一PTAT电流源I1的输出端与第一电阻单元R1的一个端子相连，并作为所述温度检测模块102的输入端和输出端；第一电阻单元R1的另一个端子连接至地电位。

如图3所示，关断控制模块105包括：第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第一非门U1和第二电阻单元R2，其中，第二晶体管Q2的控制极作为所述关断控制模块的第一输入端，第二晶体管Q2的高电位导通极与第二电阻单元R2的一个端子相连，同时还与第一非门U1的输入端相连，第二晶体管Q2的低电位导通极连接至地电位，第二电阻单元R2的另一端与取电模块103输出端相连，第一非门U1输出分别与第一晶体管Q1和第三晶体管Q3的控制极相连，第一晶体管Q1是P型晶体管，第三晶体管Q3是N型晶体管，第一晶体管的低电位导通极和第三晶体管Q3的高电位导通极相连，并作为关断控制模块的第一输出端，第一晶体管Q1的高电位导通极作为关断控制模块的第二输入端，第一晶体管Q1的控制极作为关断控制模块的第二输出端，第三晶体管Q3的低电位导通极接至地电位。

作为一种优选方案，第一晶体管Q1是P型MOSFET，第三晶体管Q3是N型MOSFET。这里选择MOSFET是因为MOSFET的电压控制型器件，降低了对反相器U1输出电流能力的要求，可以降低电路的功耗，而且在实际应用中，功率MOSFET的栅极与外接驱动间都会接一小电阻并上二极管，二极管正端接功率MOSFET栅极，负端接驱动，在功率MOSFET导通过程中，二极管截止，驱动电流通过电阻对功率MOSFET栅极寄生电容充电，该电阻在此过程起缓冲作用，对功率MOSFET有保护作用，在功率MOSFET截止的过程中，功率MOSFET栅极寄生电容通过二极管放电，电阻被导通的二极管短路，使功率MOSFET栅极寄生电容迅速放电，减小功率MOSFET的关断损耗。由于集成电路制造工艺的原因，P型MOSFET Q1的源漏极之间会有一寄生二极管，该寄生二极管正端接Q1的漏极，负端接Q1的源极。当外接驱动信号为高电平时，该寄生二极管截止，驱动电流通过P型MOSFETQ1的小的导通电阻到达功率MOSFET的栅极，给功率MOSFET的栅寄生电容充电，所以无需再外接小电阻；当驱动外接信号为低电平时，该寄生二极管导通，将P型MOSFET Q1的导通电阻短路，功率MOSFET栅极寄生电容通过二极管快速的将电荷放电，减小了功率器件的关断损耗，所以Q1用P型MOSFET可以省去外接的电阻和与并联的二极管。

如图3所示，迟滞温度设置模块104用来设置所述过温保护电路10的动作解除的温度点，包括第二PTAT电流源I2和与第二PTAT电流源I2串联的第四晶体管Q4，第二PTAT电流源I2用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，其输出端与第四晶体管Q4的高电位极相连，第四晶体管Q4的控制极与关断控制模块105的第二输出端相连，第四晶体管Q4的输出端与温度检测模块102的输入端相连，当未过温保护时，关断控制模块105第二输出端输出一控制信号到所述迟滞温度设置模块104的输入端，关断第二PTAT电流源I2；当过温保护时，关断控制模块105第二输出端输出另一控制信号到所述迟滞温度设置模块104的输入端，开启第二PTAT电流源I2，该电流输出到温度检测模块102，并与第一PTAT电流源I1叠加。

如图3所示，取电模块具体通过单刀双掷开关实现，其中，第一输入端与前级输入信号相连，第二输入端与被保护功率器件的高电位极相连。

下面结合图3对过温保护电路10作如下分析，为了便于分析，下述说明设定了具体晶体管的具体类型，本领域的技术人员应该意识到，本发明的技术方案不仅仅局限于这些类型。

PTAT电流源的电流公式为：

$I_{\mathrm{PTAT}}=\frac{V_T\ln N}{R1},$ $V_T=\frac{\mathrm{kT}}{q}---\left(1\right)$

式中，N为PTAT电流源内部两个双极型晶体管发射结面积比或双极型晶体管个数比，k为波尔兹曼常数，T为开尔文温度，q为电子的电荷量，从式中可以看出该PTAT电流与温度成正比。

如果将过温点设在T＝T0，则选取电阻R1的值R₁为：

$R_1=\frac{V_{\mathrm{be}}}{I_1}{|}_{T=T_0}---\left(2\right)$

式中，V_be为晶体管Q2的BE结导通阈值。上式的V_be和I₁都是T0温度时的对应值。

在未达到过温点T0时，节点A的电压VA小于晶体管Q2的BE结正向导通阈值，晶体管Q2截止，反相器U1输出低电平，则NMOS管Q3，Q4也截止，PMOS管Q1导通，过，驱动信号通过Q1直接到了被保护功率器件的栅极。随着温度升高，PTAT电流源的电流值上升，导致节点A的电压VA也上升。当温度上升到过温点T0时，节点A的电压VA大于晶体管Q2的BE结正向导通导通压降，晶体管Q2导通，反相器输出高电平，则NMOS管Q3，Q4也导通，PMOS管Q1截止，阻断驱动信号与功率器件之间的电流通路，同时功率器件栅极电压被拉低到地电位，功率器件被关断，电路进入过温保护模式，由于保护之后没有电流通路，所以此时功率器件以及过温保护电路的损耗都达到了最小，而且Q3的导通可靠地将被保护功率器件的栅极电平拉至地电位。同时，由于NMOS管Q4导通，使第二PTAT电流源I2与第一PTAT电流源I1的电流一起叠加在电阻单元R1上，在A点产生了附加的电位，进一步加速了Q2的导通，设电流I₂/I_i＝m，这时Q2的基极电压VA变为：

$V_A=(I_1+I_2)R_1{|}_{T=T_0}=(1+m)I_1{R}_1{|}_{T=T_0}=(1+m)V_{\mathrm{be}}{|}_{T=T_0}---\left(3\right)$

从式(2)和(3)可以知道，解除过温保护，则需要V_A降至Q2的导通阈值V_be以下，关断Q2但由于过温保护之后的VA电位是过温点T0温度时A点电位的(1+m)倍，这样就只有使电流PTAT电流I1降至更低，也就是更低温度点T1(T1＜T0)，才能让V_A降至Q2的导通阈值以下，从而关断Q2，解除过温保护，这个T0温度与T1温度之差就是迟滞温度，通过调整I₂/I_i＝m的大小可以设置这个迟滞温度。如果想将恢复点设在T＝T1，结合(2)和(3)，则I₂与I₁电流比应为：

$m=(\frac{V_{\mathrm{be}}}{I_1{R}_1}-1){|}_{T=T_1}---\left(4\right)$

式中，V_be为Q2的导通阈值，I₁为第一PTAT电流源I1在T1温度点处的电流。

引入迟滞温度避免了电路在临界温度点附近的震荡，从而提高了电路的稳定性。

图3中的单刀双掷开关也可以打到2端，这样与打到3端的取电方式的区别是功率器件高电位极电压一般高于前级驱动电路的驱动电压。当功率器件在低压应用时，栅极驱动电压可能不足以维持过温保护电路正常工作，这时就可以从功率器件的漏极取电。

本发明的过温保护电路无需单独的参考电压源，既可以从输入信号取电，也可以从被保护功率器件取电。检测温度的热感应源是电流值与温度成正比的电流源，当温度达到过温点时，通过关断控制模块关断晶体管来阻断前级驱动与功率器件的电流通路，可靠关断功率器件，并使过温时整体功耗达到最低。本发明可以通过调节两路电流源的比例来设置迟滞温度，当温度比过温点低一个迟滞温度后才解除保护状态，有效的避免了在过温点附近产生震荡，使功率器件不会误开启。

综上所述，本发明可作为一种用于功率器件的过温保护电路，既可以将温度检测模块、关断控制模块，迟滞温度设置模块、取电模块与功率器件集成在一起构成带过温保护功能的模块，也可以是单独的过温保护电路，尤其适用于基于BiCMOS或BCD工艺的功率集成芯片，它取电方式灵活，且具有功耗低、功率器件关断可靠、临界温度点附近无震荡等优点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于功率器件的过温保护电路，其特征在于，包括：温度检测模块、关断控制模块、迟滞温度设置模块和取电模块，其中，

所述的取电模块包括输出端、第一输入端和第二输入端，所述的第一输入端与外部的驱动信号相连，所述的第二输入端与功率器件的高电位导通极相连，所述温度检测模块的输出端与关断控制模块的第一输入端相连，所述温度检测模块用于检测功率器件的温度并产生一个与所述温度相关的电流，并将所述电流输入到关断控制模块的第一输入端；所述关断控制模块的第二输入端与外部的驱动信号相连，所述关断控制模块的第一输出端作为所述过温保护电路的输出端，所述关断控制模块的第二输出端与迟滞温度设置模块的输入端相连，所述迟滞温度设置模块的输出端与温度检测模块的输入端相连；

所述取电模块的输出端为温度检测模块、关断控制模块和迟滞温度设置模块提供电源；

所述关断控制模块将接收到的温度检测模块输入的电流和预设值的阈值进行判断，若大于该阈值，则关断控制模块的第一输出端输出一个低电平关断所述功率器件并启动迟滞温度设置模块；否则，输出外部的驱动信号；

所述关断控制模块包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第一非门和第二电阻单元，其中，第二晶体管的控制极作为所述关断控制模块的第一输入端，第二晶体管的高电位导通极与第二电阻单元的一个端子相连，同时还与第一非门的输入端相连，第二晶体管的低电位导通极连接至地电位，第二电阻单元的另一端与取电模块输出端相连，第一非门输出分别与第一晶体管和第三晶体管的控制极相连，第一晶体管是P型晶体管，第三晶体管是N型晶体管，第一晶体管的低电位导通极和第三晶体管的高电位导通极相连，并作为关断控制模块的第一输出端，第一晶体管的高电位导通极作为关断控制模块的第二输入端，第一晶体管的控制极作为关断控制模块的第二输出端，第三晶体管的低电位导通极接至地电位。

2.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述温度检测模块包括：第一PTAT电流源和第一电阻单元，所述第一PTAT电流源用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，第一PTAT电流源的输出端与第一电阻单元的一个端子相连，并作为所述温度检测模块的输入端和输出端；第一电阻单元的另一个端子连接至地电位。

3.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述迟滞温度设置模块用来设置所述过温保护电路的动作解除的温度点，包括第二PTAT电流源和与第二PTAT电流源串联的第四晶体管，第二PTAT电流源用于产生一个与功率器件的温度成正比的电流，其输出端与第四晶体管的高电位导通极相连，第四晶体管的控制极与关断控制模块的第二输出端相连，第四晶体管的低电位导通极作为迟滞温度设置模块的输出端，当未过温保护时，关断控制模块第二输出端输出一控制信号到所述迟滞温度设置模块的输入端，关断第二PTAT电流源；当过温保护时，关断控制模块第二输出端输出另一控制信号到所述迟滞温度设置模块的输入端，开启第二PTAT电流源，该电流输出到温度检测模块，并与第一PTAT电流源叠加。

4.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述取电模块具体通过单刀双掷开关实现。

5.根据权利要求1所述的过温保护电路，其特征在于，所述第一晶体管的类型具体为P型MOSFET，第三晶体管的类型具体为N型MOSFET。