CN104993811B - 一种半导体开关的过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体开关的过流保护电路，包括依次串联连接的电流采样电路、过流保护比较器电路、NE555单稳态电路、驱动控制电路和驱动关断网络。本发明利用NE555单稳态电路的时间保持功能，保证在负载过流或短路状态持续的情况下，将过流保护比较器电路的输出信号的频率从几十kHz降低到1Hz左右，极大减小了负载过流或短路时半导体功率管的开关损耗和导通损耗；利用驱动关断网络，实现半导体功率管的驱动慢关断功能，减小驱动关断时半导体功率管的反向电压尖峰、同时在驱动关断时，实现半导体功率管的快速退出饱合状态功能，以减小负载短路(或过流)发生时刻半导体功率管的电流，从而保证半导体功率管的电压和电流应力都在其参考规格范围内。

Description

一种半导体开关的过流保护电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种半导体开关的过流保护电路。

背景技术

如图1所示为现有的驱动控制半导体开关示意图，通过对IGBT、MOSFET等半导体功率管的驱动控制通断，可以使其作为一种电子开关，这种电子开关与传统的继电器、断路器等机械开关相比，不存在灭弧问题，具有体积小，成本低，易于控制等特点。但是由于半导体功率管都存在很严格的电压电流应力限制，所以当出现负载过流或短路时，这种结构的开关很容易出现半导体功率管的损坏。

如图2所示是现有技术中一种半导体开关负载过流或短路的保护电路：通过电流采样电路检测负载电流，然后通过一个过流保护比较器电路，再通过驱动控制电路控制开关。当负载电流达到保护点后，过流保护电路的比较器动作，从而关闭半导体功率管的驱动。但是上述电路存在两个问题，一是当驱动关断后，负载电流减小，比较器又复位，驱动重新开通，如图3所示为图2所示保护电路在过流保护时的工作示意图，可以看到，驱动每200μs即通断一次，这样会导致驱动出现高达5kHz的高频开关动作，而且在这个过程中负载电流无法有效关断，使半导体功率器件过压、过流或过热失效；二是由于负载线上存在寄生电感，驱动关断以后，电流的关断会使半导体功率管两端产生很高的反向电压尖峰，导致功率管雪崩击穿而损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在负载过流或短路时能够保护半导体功率管的过流保护电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种半导体开关的过流保护电路，包括电流采样电路、过流保护比较器电路、驱动控制电路，还包括NE555单稳态电路和驱动关断网络电路，所述电流采样电路、过流保护比较器电路、NE555单稳态电路、驱动控制电路和驱动关断网络电路依次串联连接。

本发明的有益效果在于：利用NE555单稳态电路的时间保持功能，保证在负载过流或短路状态持续的情况下，将过流保护比较器电路的输出信号的频率从几十kHz降低到1Hz左右，极大减小了负载过流或短路时半导体功率管的开关损耗和导通损耗。利用驱动关断网络电路实现了在单次过流保护动作时，半导体功率管的电压和电流应力在其降额范围内。

附图说明

图1为现有技术的驱动控制半导体开关示意图；

图2为现有技术半导体开关的负载过流或短路保护电路示意图；

图3为图2所示保护电路在过流保护时的工作示意图；

图4为本发明实施例一的半导体开关的过流保护电路示意图；

图5本发明实施例一的NE555单稳态电路示意图；

图6为本发明实施例一的保护电路在过流保护时的工作示意图；

图7为本发明实施例二的半导体开关的过流保护电路示意图；

图8为实施例一的驱动关断效果示意图；

图9为实施例二的驱动关断效果示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:在过流保护电路中增加了NE555单稳态电路和驱动关断网络。

请参照图4，一种半导体开关的过流保护电路，包括电流采样电路、过流保护比较器电路、驱动控制电路，还包括NE555单稳态电路，所述电流采样电路、过流保护比较器电路、NE555单稳态电路和驱动控制电路依次串联连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：利用NE555单稳态电路的时间保持功能，保证在负载过流或短路状态持续的情况下，将过流保护比较器电路的输出信号的频率从几十kHz降低到1Hz左右，极大减小了负载过流或短路时半导体功率管的开关损耗和导通损耗。

进一步的，所述NE555单稳态电路包括555时基电路和RC定时电路。

由上述描述可知，利用555时基电路和RC定时电路，实现了对过流保护电路输出信号的时间保持功能。

进一步的，还包括一驱动电阻，所述驱动电阻与所述驱动控制电路相连。

进一步的，还包括与驱动控制电路连接的驱动关断网络。

由上述描述可知，利用驱动关断网络能够实现在单次过流保护动作时，半导体功率管的电压和电流应力在其规格范围内。

进一步的，所述驱动关断网络包括并联连接的驱动电阻R1和稳压管ZD1。

进一步的，所述稳压管ZD1还串联有一个二极管D1。

进一步的，所述驱动关断网络还包括串联连接的电阻R2和电容C1，所述电阻R2、电容C1还与电阻R1和稳压管ZD1构成的并联结构串联连接。

进一步的，所述NE555单稳态电路和驱动控制电路之间还包括一三极管，所述NE555单稳态电路经过所述三极管形成OC门输出。

进一步的，驱动电阻R1的阻值为500ohm至5000ohm。

由上述描述可知，电阻R1的阻值足够大，能够实现驱动的慢关断功能。

实施例一

请参照图4，本发明的实施例一为：一种半导体开关的过流保护电路，所述半导体开关为IGBT、MOSFET等半导体功率管，其包括连接直流电源的电源端、接地端以及连接控制信号的控制端，所述电源和地之间还连接有负载。所述过流保护电路包括依次串联连接的电流采样电路、过流保护比较器电路、NE555单稳态电路、三极管、驱动控制电路及驱动电阻R1，所述驱动控制电路的输出经驱动电阻R1后用于控制半导体功率管的通断，所述电阻R1的阻值足够大，例如500ohm-5000ohm，能够实现驱动的慢关断功能。所述电流采样电路的输出连接过流保护比较器电路，其中过流保护比较器电路包括一比较器和一反相器，所述比较器输出ocp1信号，ocp1信号经反相器连接NE555单稳态电路，所述NE555单稳态电路输出ocp2信号，ocp2信号经过三极管形成OC门输出，与驱动控制电路相连接。ocp2信号对ocp1信号做了时间保持处理，其中ocp2信号的保持时间为0.5-2s，优选1s，使负载过流或短路发生以后，驱动可以保持一定时间的关断状态。本发明可以在负载过流或短路状态没有解除的情况下，每隔0.5-2s时间才触发一次过流保护动作。

如图5所示为本发明NE555单稳态电路的电路图，其中包括555时基电路芯片和RC定时电路，其中输入端Input连接过流保护比较器电路的输出，输出端Output经所述三极管形成OC门输出。

如图6所示为本发明保护电路在过流保护时的工作示意图，可以看到，与现在技术相比，本发明可以保证在负载过流或短路状态持续的情况下，ocp2信号的保持时间达到1s，其周期从现有技术的200μs提高到了1s左右，也就是说，ocp2信号的频率，即驱动的通断频率从5kHz降低到1Hz左右，极大地减小了半导体功率管的开关损耗和导通损耗。

实施例二

如图7所示，本发明的实施例二对实施例一的驱动电阻R1做了进一步的改进，增加了驱动关断网络，所述驱动关断网络连接于驱动控制电路和半导体功率管的控制端之间。

驱动关断网络由驱动电阻R1、电阻R2、电容C1、稳压管ZD1和二极管D1组成，所述稳压管ZD1和二极管D1串联连接后与驱动电阻R1并联，稳压管ZD1的正极和二极管D1的正极相连，二极管D1的负极连接驱动电阻R1的一端以及驱动控制电路的输出端，所述稳压管ZD1的负极连接驱动电阻R1的另一端以及电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端接半导体功率管的源极(以Mosfet为例)。其中电阻R2与电容C1是在驱动关断时给驱动电压滤波，避免驱动在关断时产生振荡。如果驱动在关断时产生振荡，会影响关断速度，导致驱动关断时半导体功率管反向电压过高。

当驱动关断时，半导体功率管的反向电压尖峰主要由负载线等功率电流走线的寄生电感产生，通过增大驱动电阻，使驱动慢关断，能够减小负载电流变化速度，从而减小所述反向电压尖峰，保证半导体功率管在短路时的电压应力在其参考规格范围以内。具体到本实施例中，将驱动电阻R1取足够大的值，例如500ohm至5000ohm能够实现所述慢关断功能。但是由于电阻R1的取值足够大，在驱动关断时，半导体功率管从饱合导通状态退到临界饱合状态的时间会变长，而在这段时间内，短路电流会持续增大，从而导致半导体功率管过流损坏。为了解决上述问题，本发明采用稳压管ZD1和二极管D1的组合，选择稳压管ZD1的稳压值与半导体功率管的米勒平台电压接近，可以使得驱动关断时，驱动电平快速降低到半导体功率管驱动米勒平台电压左右，使半导体功率管快速的退出饱合状态而又不影响驱动电压在米勒平台以下的慢关断，实现了减小短路时负载电流的目的。

如图8和9分别是实施例一和实施例二的驱动关断效果示意图，当短路电流达到过流保护比较器电路设定的保护点(示意图中简写ocp保护点)时，ocp2信号变成高电平，驱动开始关断。但是短路电流并不是在驱动开始关断时刻就开始下降，而是会继续上升直至驱动电压达到米勒平台电压，然后才开始下降。可以看到，加上驱动关断网络的实施例二中，由于驱动电压会快速的下降到米勒平台电压，短路电流峰值相较实施例一有了非常显著的下降。

需要说明的是，本发明的实施例二的驱动关断网络包含了驱动电阻R1、电阻R2、电容C1、稳压器ZD1和二极管D1，这仅是一最佳的实施例，其中的电阻R2、电容C1以及二极管D1并不是必须的，其中二极管D1也可以换成电阻或电容，均能解决本发明过流保护的技术问题。

综上所述，本发明利用NE555单稳态电路的时间保持功能，保证在负载过流或短路状态持续的情况下，将过流保护比较器电路的输出信号的频率从几十kHz降低到1Hz左右，极大减小了负载过流或短路时半导体功率管的开关损耗和导通损耗；同时还利用驱动关断网络，当负载过流或短路发生时，电阻R1实现半导体功率管的驱动慢关断功能，减小驱动关断时半导体功率管的反向电压尖峰；稳压管ZD1则实现了半导体功率管驱动关断时快速退出饱合状态功能，减小驱动关断时半导体功率管的负载电流。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种半导体开关的过流保护电路，包括电流采样电路、过流保护比较器电路、驱动控制电路，其特征在于：还包括NE555单稳态电路和驱动关断网络电路，所述电流采样电路、过流保护比较器电路、NE555单稳态电路、驱动控制电路和驱动关断网络电路依次串联连接；

所述驱动关断网络电路包括并联连接的驱动电阻R1和稳压管ZD1；

所述稳压管ZD1还串联有一个二极管D1；

所述稳压管ZD1的稳压值接近半导体功率管的米勒平台电压值；

驱动电阻R1的阻值为500ohm至5000ohm；

所述NE555单稳态电路和驱动控制电路之间还包括一三极管，所述NE555单稳态电路经过所述三极管形成OC门输出；

所述过流保护比较器电路包括一比较器和一反相器。

2.根据权利要求1所述的半导体开关的过流保护电路，其特征在于：所述NE555单稳态电路包括555时基电路和RC定时电路。

3.根据权利要求1或2所述的半导体开关的过流保护电路，其特征在于：还包括一驱动电阻，所述驱动电阻与所述驱动控制电路相连。

4.根据权利要求1所述的半导体开关的过流保护电路，其特征在于：所述驱动关断网络电路还包括串联连接的电阻R2和电容C1，所述电阻R2、电容C1还与电阻R1和稳压管ZD1构成的并联结构串联连接。