CN102983844B - 高压功率开关保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压机电控制领域，特别涉及一种高压功率开关保护装置。一种高压功率开关保护装置，高压电源正极VDD依次连接高压功率开关、负载后接高压电源的地，负载两端并联有续流反向二极管D5，高压功率开关的三级接有保护装置，所述保护装置由监测及控制电路、复位电路构成。本电路中高压功率MOSFET管或IGBT模块的导通压降直接反应工作电流，一旦检测到短路、过流，保护装置可以快速软关断高压功率开关，保护时间在微秒级。
Description
技术领域
本发明涉及高压机电控制领域，特别涉及一种高压功率开关保护装置。
背景技术
在功率控制电路中，高压功率开关的短路、过流保护通常采用检测回路电流与预置的保护值进行比较，当超过预置的保护值时，直接关断高压功率开关。这样做存在以下缺点：一是高压功率开关工作在预置的保护值附近时，由于软件或硬件的电路滤波处理，无法进行有效的保护，造成保护失败而损坏高压功率开关；二是需要电流采样器件及其判断电路，成本较高；三是从短路检测到保护动作的时间长达ms级，在高压大电流的情况下，这个时间内高压功率开关可能已经被损坏；四是短路检测保护直接硬关断，由于导线电感存在，产生反应电动势，高压功率开关在硬关断动作的瞬间会产生很高的电压，容易被电压击穿造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压功率开关保护装置，有效、可靠地保护高压功率开关。
为达到以上效果，本发明采用的技术方案为：一种高压功率开关保护装置，高压电源正极VDD依次连接高压功率开关、负载后接高压电源的地，负载两端并联有续流反向二极管D5，高压功率开关的三级接有保护装置，所述保护装置由监测及控制电路、复位电路构成，所述监测及控制电路有一个输入端V0与控制信号相连，监测及控制电路有四个输出端，其中三个输出端V1、V2、V3与高压功率开关的三级相连，另一个输出端V4连接复位电路的输入端V5，复位电路输出端V6输出信号至监测及控制电路的输入端V0。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本电路中高压功率MOSFET管或IGBT模块的导通压降直接反应工作电流，一旦检测到短路、过流，保护装置可以快速软关断高压功率开关，保护时间在微秒级。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是高压功率开关为高压功率MOSFET管时的电路原理图；
图3是高压功率开关为高压IGBT模块时的电路原理图。
具体实施方式
下面结合图1至图3，对本发明做进一步详细叙述：
参阅图1，一种高压功率开关保护装置，高压电源正极VDD依次连接高压功率开关10、负载20后接高压电源的地，负载20两端并联有续流反向二极管D5，二极管D5的正极接高压电源的地，高压功率开关10的三级接有保护装置30，所述保护装置30由监测及控制电路31、复位电路32构成，所述监测及控制电路31有一个输入端V0与控制信号40相连，监测及控制电路（31）有四个输出端，其中三个输出端V1、V2、V3与高压功率开关10的三级相连，另一个输出端V4连接复位电路32的输入端V5，复位电路32输出端V6输出信号至监测及控制电路31的输入端V0。
参阅图2、图3，本实施例中采用如下电路图实现，所述监测及控制电路31包括高压驱动芯片N1，所述高压驱动芯片N1的引脚1、4、5、8接地，引脚9、12、16接参考地GND1，引脚14通过电容C2接参考地GND1，引脚2、13接+5V电压；高压驱动芯片N1的引脚2、5之间依次连接有电阻R1和电容C1，所述电阻R1、电容C1之间引出一条支路与高压驱动芯片N1的引脚3相连，并作为监测及控制电路31的输出端V4与复位电路32输入端V5相连；高压驱动芯片N1的引脚6、7相连并作为监测及控制电路32的输入端V0与控制信号40相连；高压驱动芯片N1的引脚9、11之间依次连接有稳压二极管D3和电阻R3，所述稳压二极管D3的正极接高压驱动芯片N1的引脚9并作为监测及控制电路31的一个输出端V3与高压功率开关10相连，所述电阻R3和稳压二极管D3之间引出一条支路作为监测及控制电路31的一个输出端V2与高压功率开关10相连；高压驱动芯片N1的引脚14经过电阻R2连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与稳压二极管D2的正极相连，稳压二极管D2的负极作为监测及控制电路31的一个输出端V1与高压功率开关10相连。
所述复位电路32包括复位芯片N2，所述复位芯片N2的引脚1作为复位电路32的输入端V5与监测及控制电路31相连，引脚2接+5V电压，引脚3接地，引脚2、3之间连接有电容C3；三极管Q1的基极通过电阻R4、二极管D4接+5V电压，所述二极管D4的负极与+5V电压相连，所述电阻R4、二极管D4间引出一条支路与复位芯片N2的引脚8相连；所述三极管Q1的基极和发射极之间连接有电阻R5，三极管Q1的发射极接地，集电极作为复位电路32的输出端V6与监测及控制电路31的输入端V0相连。
所述电路中的高压功率开关有两种选择：
其一，所述高压功率开关10为高压功率MOSFET管，高压功率MOSFET管的漏极与高压电源正极VDD、监测及控制电路31中稳压二极管D2的负极相连，高压功率MOSFET管的源极与负载20、监测及控制电路31中稳压二极管D3的正极相连，高压功率MOSFET管的栅极与监测及控制电路31中稳压二极管D3的负极相连。
其二，所述高压功率开关10为高压IGBT模块，所述高压IGBT模块的集电极与高压电源正极VDD、监测及控制电路31中稳压二极管D2的负极相连，高压IGBT模块的发射极与负载、监测及控制电路31中稳压二极管D3的正极相连，高压IGBT模块的栅极与监测及控制电路31中稳压二极管D3的负极相连。
所述复位电路32中复位芯片N2的引脚7作为另一个输出端V7连接MCU或指示灯50，可以用于指示电路的工作状态。
现在以高压功率MOSFET管为例，简要说明其工作原理，如下：
检测及控制电路31中，采用专用的驱动芯片N1ACPL-333J产生驱动高压功率MOSFET管的栅源极电压，当栅源极电压为0V时，高压功率MOSFET管截止，A点电压（相对与B点）等于栅极电压即0V，V4输出高电平；当驱动芯片输出栅极电压使高压功率MOSFET管导通时，A点电压等于高压功率MOSFET管导通压降加上二极管D1和稳压二极管D2的管压降，R2为限流电阻，A点电压与高压驱动芯片N1内部VDESAT检测电压比较，当大于高压驱动芯片N1内部VDESAT检测电压时，高压驱动芯片N1驱动栅源极电压信号5us内彻底软关断高压功率开关10，从而实现高压功率开关10的保护；同时V4输出低电平送至复位电路32的输入端V5，即送至复位芯片N2SP708EN的引脚1；复位芯片N2SP708EN产生200ms封锁信号使三极管Q1导通，复位电路32输出端V6输出低电平，控制信号无效；复位芯片N2SP708EN还产生信号V7上报给MCU或指示灯进行显示。
上文中所说的高压功率MOSFET管导通压降=导通电阻×工作电流，通过高压功率开关10的导通电阻与高压功率开关10可以承受的短路电流乘积作为短路保护的保护电压，实际应用时，考虑保护速度以及余量等因素，保护电压可以略低一点点。当检测到高压功率开关10的导通压降超过保护电压值时进行保护，不需要电流检测器件。
另外，高压功率开关10的导通电阻与工作温度有关，温度越高导通电阻越大，高压功率开关10的导通压降越大，功耗也越大，温升越大。因此，采用高压功率开关器件导通压降进行保护兼有过流保护和温度保护的特点。
Claims (5)
1.一种高压功率开关保护装置，高压电源正极VDD依次连接高压功率开关（10）、负载（20）后接高压电源的地，负载（20）两端并联有续流反向二极管D5，高压功率开关（10）的三极接有保护装置（30），其特征在于：所述保护装置（30）由监测及控制电路（31）、复位电路（32）构成，所述监测及控制电路（31）有一个输入端V0与控制信号（40）相连，监测及控制电路（31）有四个输出端，其中三个输出端V1、V2、V3与高压功率开关（10）的三极相连，另一个输出端V4连接复位电路（32）的输入端V5，复位电路（32）输出端V6输出信号至监测及控制电路（31）的输入端V0；
所述监测及控制电路（31）包括高压驱动芯片N1，所述高压驱动芯片N1的引脚Vs、CATHODE接地，引脚Vee、Ve接参考地GND1，引脚DESAT通过电容C2接参考地GND1，引脚Vcc1、Vcc2接+5V电压；高压驱动芯片N1的引脚Vcc1、CATHODE之间依次连接有电阻R1和电容C1，所述电阻R1、电容C1之间引出一条支路与高压驱动芯片N1的引脚FAULT相连，并作为监测及控制电路（31）的输出端V4与复位电路（32）输入端V5相连；高压驱动芯片N1的引脚ANODE相连并作为监测及控制电路（31）的输入端V0与控制信号（40）相连；高压驱动芯片N1的引脚Vee、Vout之间依次连接有稳压二极管D3和电阻R3，所述稳压二极管D3的正极接高压驱动芯片N1的引脚Vee并作为监测及控制电路（31）的一个输出端V3与高压功率开关（10）相连，所述电阻R3和稳压二极管D3之间引出一条支路作为监测及控制电路（31）的一个输出端V2与高压功率开关（10）相连；高压驱动芯片N1的引脚DESAT经过电阻R2连接二极管D1的正极，二极管D1的负极与稳压二极管D2的正极相连，稳压二极管D2的负极作为监测及控制电路（31）的一个输出端V1与高压功率开关（10）相连。
2.如权利要求1所述的高压功率开关保护装置，其特征在于：所述复位电路（32）包括复位芯片N2，所述复位芯片N2的引脚/IVR作为复位电路（32）的输入端V5与监测及控制电路（31）相连，引脚Vcc接+5V电压，引脚GND接地，引脚Vcc、GND之间连接有电容C3；三极管Q1的基极通过电阻R4、二极管D4接+5V电压，所述二极管D4的负极与+5V电压相连，所述电阻R4、二极管D4间引出一条支路与复位芯片N2的引脚RET相连；所述三极管Q1的基极和发射极之间连接有电阻R5，三极管Q1的发射极接地，集电极作为复位电路（32）的输出端V6与监测及控制电路（31）的输入端V0相连。
3.如权利要求1所述的高压功率开关保护装置，其特征在于：所述高压功率开关（10）为高压功率MOSFET管，所述高压功率MOSFET管的漏极与高压电源正极VDD、监测及控制电路（31）中稳压二极管D2的负极相连，高压功率MOSFET管的源极与负载（20）、监测及控制电路（31）中稳压二极管D3的正极相连，高压功率MOSFET管的栅极与监测及控制电路（31）中稳压二极管D3的负极相连。
4.如权利要求1所述的高压功率开关保护装置，其特征在于：所述高压功率开关（10）为高压IGBT模块，所述高压IGBT模块的集电极与高压电源正极VDD、监测及控制电路（31）中稳压二极管D2的负极相连，高压IGBT模块的发射极与负载、监测及控制电路（31）中稳压二极管D3的正极相连，高压IGBT模块的栅极与监测及控制电路（31）中稳压二极管D3的负极相连。
5.如权利要求2所述的高压功率开关保护装置，其特征在于：所述复位电路（32）中复位芯片N2的引脚/RET作为另一个输出端V7连接MCU或指示灯（50）。
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