CN104348142A - 一种功率管过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率管过流保护电路，包括驱动单元、桥臂单元，电流检测单元、比较锁存单元、驱动缓关单元、故障信号隔离单元和控制单元，所述电流检测单元实时监测功率管电压大小，比较锁存单元根据电压值判断是否过流，比较锁存单元检测到过流时，驱动缓关单元对功率管进行缓关操作，故障信号隔离单元接受到故障信号后向驱动单元发出关闭指令，本发明在检测功率管的电流的同时可灵活设置电流保护值，调节功率管缓关的时间，不仅能消除电路中的干扰信号，还可快速对过流故障做出响应，最终确保功率管的安全，提高产品的性能。

Description

一种功率管过流保护电路

技术领域

本发明属于变流器过流保护领域，具体的说，是涉及一种变流器桥式电路中功率管的过流保护的电路。

背景技术

变流器中功率管保护电路的好坏跟产品的可靠性和安全性密切相关，优秀的保护电路不仅可以缩短产品研发的周期，而且可以增强产品的可靠性和安全性，延长产品的使用寿命。电力电子技术是一门实践性很强的技术，由于高电压大电流的环境，使得产品研发是很大程度上依赖实战经验，在驱动和保护电路的设计方面显得束手无策，多数时候设计人员会在提高驱动设计和布局的合理性方面下功夫，忽略保护电路的设计，虽然在正常情况下产品能稳定工作不出问题，但是产品的可靠性会大大降低。

在现有技术的产品设计中，技术人员通常采用两种技术方法以实现功率管电流过流时对功率管的保护。一种方法为在现有电路的基础上加装智能功率模块，但此种方法会大大增加产品的成本。另一种方法将现有电路的驱动芯片改为带有保护功能的驱动芯片来简化设计，以达到过流保护的目的。但是带有保护功能的驱动芯片过流保护值不能调节，加上实际电路中不可避免的存在干扰问题，这就使得过流保护功能容易误动作，从而不能正常工作，严重影响电路的灵活性和适用性，不具备被广泛应用的潜力。此外，现有技术产品的驱动模块还存在设计普遍比较复杂的问题，例如采用双电源供电模式，导致电路模块体积大，功耗大，使用起来也不方便。

发明内容

针对上述技术问题，本发明目的在于提供一种经济实用、简单易实现的解决功率管的过流保护的电路，以提高变流器产品的可靠性和稳定性。

一种功率管过流保护电路，包括驱动单元和数个桥臂单元，每个桥臂单元连接有一个功率管，驱动单元连接桥臂单元控制功率管的导通和关闭；所述保护电路还包括：

电流检测单元，输入端与驱动单元及桥臂单元相连，用以实时监测流过功率管的电流的电压大小；

比较锁存单元，输入端与电流检测单元相连，用以根据电流的电压值判断电流是否过流；

驱动缓关单元，输入端与比较锁存单元相连，当比较锁存单元检测到功率管过流时，用以对功率管进行缓关操作，以延长功率管的耐流时间；

故障信号隔离单元，输入端与驱动缓关单元相连，输出端与控制单元输入端相连，故障信号隔离单元接受到故障信号后向驱动单元发出关闭指令，当驱动单元收到该指令后关闭桥臂单元功率管；

控制单元，输入端与故障信号隔离单元相连，输出端与驱动单元相连，用以接收故障信号触发中断响应，当检测到有故障信号时，控制单元会立即停止其它工作转而处理该故障。

所述比较锁存单元包括滞环比较器和参考电压产生电路，所述参考电压产生电路为比较器提供参考电压，所述滞环比较器的输入端输入参考电压和实时电压，所述滞环比较器的输出端输出一电平信号。

所述驱动缓关单元包括连接桥臂单元的缓关电路，当驱动缓关单元接收到比较锁存单元发出的电平信号为低电平时，缓关电路调节功率管关闭速度，保证功率管安全关闭。

所述故障信号隔离单元包括一个光耦隔离电路，所述光耦隔离电路将驱动缓关单元输入的电平信号转换为可被控制单元识别的数字信号。

所述控制单元还包括一个累加器，当控制单元产生中断响应时，累加器会进行计数累加，当累加次数超过系统预设值时，控制单元即发出停机信号。

所述驱动单元包括一光耦驱动电路，所述光耦驱动电路输入端接入控制单元，输出端分别与桥接单元和电流检测单元相连。

所述故障信号隔离单元与驱动单元均通过弱电电源供电。

本发明提供的一种功率管过流保护电路，可以方便检测功率管的电流，同时灵活地设置电流保护值，并且调节功率管缓关的时间，不仅能消除电路中的干扰信号，而且还可快速对过流故障做出响应，最终确保功率管的安全，提高产品的性能；此外在对变流器产品进行安全认证的时候，可以顺利保障功率管通过破坏性试验，而不会引起炸管；在实际使用中也能大幅提高产品的安全性和可靠性，增强产品的竞争力。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明电流检测单元电路图；

图3是本发明比较锁存单元电路图；

图4是本发明驱动缓关单元电路图；

图5是本发明故障信号隔离单元电路图；

图6是本发明控制单元示意图；

图7是本发明功率管驱动单元电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。

本发明的目的是在功率管发生过流的情况下，要能够保证功率管安全关闭，不被损坏。这一目的是通过如图所示的各个单元相互协作来完成的。如图1所示本发明的桥臂单元700的功率管由驱动单元600控制开和关，还包括包括电流检测单元100、比较锁存单元200、驱动缓关单元300、故障信号隔离单元400、控制单元500。

电流检测单元100输入端与驱动单元600及桥臂单元700相连，实时监测流过功率管的电流大小；比较锁存单元200输入端与电流检测单元100相连，用于判断电流值是否超限；驱动缓关单元300输入端与比较锁存单元200相连，当发生过流时，对功率管进行缓关操作，以延长功率管的耐流时间，缓关操作不至产生高的感应电压损坏功率管，同时输出端连接故障信号隔离单元400；故障信号隔离单元400输入端接受驱动缓关单元300发来的信号，输出端与控制单元500输入端相连，控制单元500接受到故障信号后会给驱动单元发出关闭指令，当驱动单元600收到该指令后会关闭桥臂单元700功率管。

通过上述各单元间的设置，调节好各环节的时间常数，便可以在发生过流之后安全关闭功率管，保护器件及相关电路的安全。

如图2所示，为本发明实施例中的电流检测单元100。包含第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第五二极管D5和第六二极管D6。第五二极管D5正极与第十三电阻R13相连，再与第十二电阻R12串联，第六二极管D6正极接在第十二电阻R12和第十三电阻R13的公共点上，第六二极管D6的负极与第十四电阻R14相连。检测单元100输入与桥臂单元700相连，即接口J2；检测单元100另一输入与驱动单元600相连，即接口J3；检测单元100输出与比较锁存单元200相连，即接口J4。本实施例中有桥臂单元700包含有两个桥臂，需要对两个桥臂都要进行保护，所以应有两个电流检测单元100分别检测两个桥臂的下管的电流。两个检测单元100的输出一起接到比较锁存单元200的输入，即J4。

当J3高电平时，D5二极管和D6二极管导通，由于J3电压信号恒定，所以J4接口的电压信号随J2接口的电压信号变化而变化；J2是功率管的导通压降，直接反映了功率管的电流值，所以J4的电压值就反映了流过功率管的电流大小，起到电流检测的作用。

请参阅图3，为本发明实施例中的比较锁存单元200。包含一个比较器U2；第五电阻R5一端接电源V1，第十一电阻R11一端接地V1GND，二者串联后的公共端接比较器U2的同相输入端，第五电容C5与第十一电阻R11并联；比较器的反相输入端接第二稳压管ZD2到地V1GND，第四电容C4与第二稳压管ZD2并联；第二二极管D2正极与比较器U2同相端相连，负极接在比较器U2的输出端上；比较器U2输出端接第六电阻R6到电源V1。比较锁存单元200输入端与电流检测单元100相连，接口J4；比较锁存单元200输出端与驱动缓关单元300相连，接口J5。

被比较电流信号通过J4接入与比较器U2反相端相连，当小于同相端电压时输出信号J5为高电平，当大于同相端电压时输出信号为低电平。稳压管ZD2用来抑制可能产生的瞬间高压，防止损坏比较器U2；电容C4用来滤除电流信号上的干扰；电阻R5和电阻R11用来设置过流保护的上限值，可以根据不同的器件和电路特性进行调节，电容C5用来滤除参考电压上的干扰；二极管D2用于将比较器配置成滞环比较器，当比较器U2输出低电平后，二极管D2会导通，从而将参考电压拉低至约0.7伏，这样使得比较器输出信号稳定，不会产生抖动；电阻R6是比较器输出端的上拉电阻。由于加上两个桥臂下管信号的互补性，所以在功率管工作状态下，比较器反相端是一个稳定的电平；又由于比较器的滞环功能，所以比较器一旦输出低电平，参考值会被拉低，并且低于反相端电压，这样输出状态即被自动锁存，直到控制单元关闭所有驱动信号，比较器才会复位。

请参阅图4，为本发明实施例中的驱动缓关单元300。包含PNP第二三极管V2，其集电极接地V1GND，发射集接第十五电阻R15，第十五电阻R15的另一端接第三二极管D3负极；第六电容C6一端接地V1GND，另一端接第四二极管D4，其公共点与第三二极管D3相连。驱动缓关单元300输入端与比较锁存单元200相连，即接口J5；驱动缓关单元300输出端与桥臂单元700相连，即接口J1&J9；驱动缓关单元300另一输出端与故障信号隔离单元400相连，即接口J6。

图4中的三极管V2基极为低电平后，二极管D3、D4导通，功率管栅极的电荷通过二极管D3/D4、电阻R15、三极管V2泄放到地V1GND；电容C6和电阻R15配合用来调节栅极电荷泄放的速度，以确保功率管安全关闭。接口J6从电容C6引出，当电容C6的电压降到某一值时，便触发后级的故障信号隔离单元400。

请参阅图5，为本发明实施例中的故障信号隔离单元400。光耦E1初级二极管的负极与第一发光二极管LD1正极相连，光耦E1初级二极管的正极与第二电阻R2相连；第七电阻R7与第一稳压管ZD1负极相连，第一稳压管ZD1另一端接地，第七电阻R7另一端接电源V1；第一稳压管ZD1的负端与第二电阻R2的另一端相连；光耦E1次级集电极接第八电阻R8上拉到电源V3，发射集接地DGND；电源V3和地DGND之间接第三电容C3。故障信号隔离单元400的输入端与驱动缓关单元相连，接口J6；故障信号隔离单元400的输出端与控制单元500相连，接口J7。

光耦E1初级二极管的正极通过电阻R2上拉到稳压管ZD1上，目的是防止光耦初级二极管的误导通，因为接口J6的电压低于电源V1的电压；放光二极管LD1方便调试的时候查看是否有过流保护故障；电容C3是光耦E1次级供电的退耦电容，电阻R8是输出端集电极上拉电阻。电源V3的电平是与控制单元相匹配的，J7可以直接连到控制器的引脚上进行检测。

本实施例中控制单元500的输入与故障信号隔离单元400相连，接收故障信号用来触发中断响应。当检测到有故障信号时，控制单元500会立即中止其它任务转而处理该中断。进入中断服务程序后，控制单元500不会立即做出停机处理，而是再次重复检测故障信号，判断是否稳定，已达到排除干扰信号的目的。当确认是真的故障后，控制单元会进行计数累加，如果连续累加3次过流故障，控制单元500会做出停机处理，不再使机器运行，同时通知用户进行维修排故。控制单元500的输出与驱动单元600相连，即接口J8，控制单元500通过J8将结果输出给驱动单元600。

请参阅图7，为本发明驱动单元600。包含一个驱动光耦U1，其输入端供电正端接电源V2，负端接地DGND，电源和地直间接第一电容C1，输入信号引脚接第一电阻R1下拉到地DGND；驱动光耦次级电源正端接电源V1，负端接地V1GND，第二电容C2接在正负之7间；驱动光耦次级信号输出端接第九电阻R9，第九电阻R9另一端与第一二极管D1正极相连；第一二极管D1负极接第十电阻R10，第十电阻R10另一端接PNP第一三极管V1的发射集，第一三极管V1的集电极接地V1GND，其基极接第四电阻R4，基极同时与第一二极管D1正极相连，第四电阻R4另一端接地V1GND；第一二极管D1负极与地V1GND之间接第三电阻R3，第三稳压管ZD3与第三电阻R3并联。驱动单元600的输入与控制单元500相连，即接口J8；驱动单元600的输出与桥臂单元700相连，即接口J1；驱动单元600的另一个输出与电流检测单元100相连，即接口J3。

光耦U1初级由电源V2供电，地为DGND，与控制单元500及故障信号隔离单元次级共用一个电源系统。在电气上与强电部分进行了有效隔离，减少了强电对弱电电路的干扰。驱动单元600中的R9、D1构成驱动电压的正向通道，当光耦U1的1脚输出高电平时，电流会迅速通过R9、D1对功率管栅极电容充电，从而开启功率管，根据实际情况选择合适R9大小，保证功率管快速、平稳的开启；二极管D1用来防止关闭时倒灌进光耦的电流。驱动单元600中的三极管V1、R10、R4构成栅极电压放电回路，起迅速关闭功率管的作用，当光耦U1的1脚输出低电平时，三极管V1导通，二极管D1截止，功率管栅极寄生电容通过R10、V1放电，R10可以调节放电的速度。电阻R3用来消除栅极电容的静电积累，防止功率管意外导通。本实施例中的驱动电路，不需要负电源，可以达到很好的效果，相关应用场合都可以借鉴该电路。

作为一个实施例，本发明还提供了一种逆变电路，包含上述桥臂单元700、驱动单元600、电流检测单元100、比较锁存单元200、驱动缓关单元300、故障信号隔离单元400、控制单元500，从而构成一个具有功率管过流保护功能的逆变电路。

综上所述，在电路正常工作时，将桥臂单元700的上管短路，这样当下管闭合时便产生短路，下管的电流会急剧上升，如果不能在电流上升到危险值之前将管子关闭，功率管就会损坏。在本发明实施例中，反复进行短路试验，结果保护电路都能很好的起到保护作用，迅速安全的关闭了功率管。借助本发明，在对变流器产品进行安全认证的时候，可以顺利通过功率管的破坏性试验，而不会引起炸管；在实际产品使用中也会大幅提高产品的安全性和可靠性，增强产品的竞争力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种功率管过流保护电路，包括驱动单元和数个桥臂单元，每个桥臂单元连接有一个功率管，驱动单元连接桥臂单元控制功率管的导通和关闭，其特征在于，所述保护电路还包括：

电流检测单元，输入端与驱动单元及桥臂单元相连，用以实时监测流过功率管的电流的电压大小；

比较锁存单元，输入端与电流检测单元相连，用以根据电流的电压值判断电流是否过流；

驱动缓关单元，输入端与比较锁存单元相连，当比较锁存单元检测到功率管过流时，用以对功率管进行缓关操作，以延长功率管的耐流时间；

故障信号隔离单元，输入端与驱动缓关单元相连，输出端与控制单元输入端相连，故障信号隔离单元接受到故障信号后向驱动单元发出关闭指令，当驱动单元收到该指令后关闭桥臂单元功率管；

控制单元，输入端与故障信号隔离单元相连，输出端与驱动单元相连，用以接收故障信号触发中断响应，当检测到有故障信号时，控制单元立即停止工作处理该故障。

2.如权利要求1所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述比较锁存单元包括滞环比较器和参考电压产生电路，所述参考电压产生电路为比较器提供参考电压，所述滞环比较器的输入端输入参考电压和实时电压，所述滞环比较器的输出端输出一电平信号。

3.如权利要求1所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述驱动缓关单元包括连接桥臂单元的缓关电路，当驱动缓关单元接收到比较锁存单元发出的电平信号为低电平时，缓关电路调节功率管关闭速度，保证功率管安全关闭。

4.如权利要求1所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述故障信号隔离单元包括一个光耦隔离电路，所述光耦隔离电路将驱动缓关单元输入的电平信号转换为可被控制单元识别的数字信号。

5.如权利要求1所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述控制单元还包括一个累加器，当控制单元产生中断响应时，累加器会进行计数累加，当累加次数超过系统预设值时，控制单元即发出停机信号。

6.如权利要求1所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述驱动单元包括一光耦驱动电路，所述光耦驱动电路输入端接入控制单元，输出端分别与桥接单元和电流检测单元相连。

7.如权利要求5或7所述的一种功率管保护电路，其特征在于，所述故障信号隔离单元与驱动单元均通过弱电电源供电。