CN105071350B - 功率器件逐脉冲保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于保护电路领域，尤其涉及功率器件的短路和过电流保护。该功率器件逐脉冲保护电路包括脉冲发生器、电流检测单元、驱动单元和保护执行单元；电流检测单元连接在脉冲输出端与功率器件的电流输入端之间，驱动单元连接在脉冲输出端与功率器件的控制端之间，保护执行单元连接在电流检测单元的输出端与驱动单元的使能端之间；脉冲发生器输出方波驱动信号实时监测功率器件的过电流，当超过安全阈值时，保护执行单元控制驱动单元关闭功率器件，并且在本开通周期内保持关闭状态，直到开通周期结束，保护电路自动解锁。在单个方波驱动信号脉冲时间内实现逐脉冲的电流监测、逐脉冲过电流保护，有效解决功率器件因过流、短路而失效的问题。

Description

功率器件逐脉冲保护电路

技术领域

本发明属于保护电路领域，尤其涉及功率器件的短路和过电流保护。

背景技术

在功率器件MOSFET、IGBT等的控制电路中，过流和/或短路保护的方法主要是检测回路电流，预置保护点进行比较作为保护判断的条件。这种常见的保护方法有较大的缺点：保护阈值设置过高，容易造成保护失败，保护阈值设置过低，又不能充分发挥功率管的性能。而且，功率器件MOSFET、IGBT等工作在不同的温度下所承受的过电流又相差较大，因此保护点的设置比较困难。

又因为MOSFET、IGBT等功率器件的工作温度和导通压降存在一定的比例关系，现有技术中提出了利用MOSFET、IGBT等功率器件的导通压降的方法实现保护，有效地避免了以上缺点。但在执行保护关断控制信号时，MOSFET、IGBT等功率器件真正得到保护时，已经有延时，在MOSFET、IGBT等功率器件保护关断之前已承受了多个脉冲周期的过流或短路电流的冲击，无法实现过流、短路的即时关断。而且，在电路解除保护过后，若MOSFET、IGBT等功率器件过流、短路的原故障并未解除，MOSFET、IGBT功率器件必将承受二次过流、短路的电流冲击。因此，现有的保护方案并不能完全解决MOSFET、IGBT等功率器件因过流、短路而失效的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的即在于提供一种功率器件逐脉冲保护电路，旨在解决现有功率器件保护电路不能实时有效地实现保护的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供的功率器件逐脉冲保护电路，通过脉冲信号实时监测功率器件的过电流并实行保护，具体的，该保护电路包括脉冲发生器、电流检测单元、驱动单元和保护执行单元；所述电流检测单元连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与功率器件的电流输入端之间，所述驱动单元连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与功率器件的控制端之间，所述保护执行单元连接在所述电流检测单元的输出端与所述驱动单元的使能端之间。

所述脉冲发生器输出方波驱动信号，用于功率器件的驱动控制并利用该信号实时监测所述功率器件的过电流，当所述电流检测单元监测到流经所述功率器件的过电流超过安全阈值时，所述保护执行单元控制所述驱动单元关闭所述功率器件执行保护；并且，在所述方波驱动信号的开通周期内保持功率器件的关闭状态，直到开通周期结束，所述保护电路自动解锁。当下一个脉冲方波驱动信号到来时再循环执行以上过程，实现对MOSFET、IGBT或者晶闸管等功率器件的逐脉冲电流监测并且逐脉冲执行保护。

进一步地，所述保护电路还包括：与所述保护执行单元相接、用于将所述保护电路执行保护的工作状态输出给主控制系统的保护信号输出单元。

具体的，所述驱动单元包括一个图腾柱输出；所述图腾柱输出包括两个配对的三极管及相应的电阻；或者包括两个配对的MOSFET及相应的电阻。

进一步地，所述驱动单元还包括一个连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述图腾柱输出的输入端之间、用于放大所述方波驱动信号的同相放大模块。

具体的，所述电流检测单元包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；所述电阻R1和电阻R2串接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述二极管D1的阳极之间，所述电阻R1和电阻R2的共接端为所述电流检测单元的输出端，所述二极管D1的阴极与所述功率器件的电流输入端同时接工作电源VCC。

进一步地，所述同相放大模块包括电阻R3和NPN型三极管Q2；所述NPN型三极管Q2的基极通过所述电阻R3接第一供电电压，所述NPN型三极管Q2的发射极接所述脉冲发生器的脉冲输出端，所述NPN型三极管Q2的集电极接所述图腾柱输出的输入端；或者，所述同相放大模块包括电阻R4和PNP型三极管Q3；所述PNP型三极管Q3的基极接所述脉冲发生器的脉冲输出端，所述PNP型三极管Q3的发射极接所述图腾柱输出的输入端，所述PNP型三极管Q3的集电极通过所述电阻R4接地。

进一步地，所述保护执行单元包括稳压二极管ZD1和NPN三极管Q4；所述稳压二极管ZD1的阴极接所述电流检测单元的输出端，所述稳压二极管ZD1的阳极接所述NPN三极管Q4的基极，所述NPN三极管Q4的集电极接所述驱动单元的使能端，所述NPN三极管Q4的发射极接地。

进一步地，所述保护执行单元还包括一个延时模块；所述延时模块包括电容C1、电容C2和电阻R5；所述电容C1和电阻R5分别并接在所述稳压二极管ZD1的阴极与地之间；所述电容C2接在所述稳压二极管ZD1的阳极与地之间。

更进一步地，所述保护信号输出单元包括NPN型三极管Q5和电阻R6；所述NPN型三极管Q5的基极接所述NPN三极管Q4的基极，所述NPN型三极管Q5的集电极通过所述电阻R6接第一供电电压，所述NPN型三极管Q5的发射极接地，所述NPN型三极管Q5的集电极同时接所述主控制系统；或者，所述保护信号输出单元包括PNP型三极管Q6和电阻R7；所述PNP型三极管Q6的基极接所述NPN三极管Q4的基极，所述PNP型三极管Q6的发射极通过所述电阻R7接第一供电电压，所述PNP型三极管Q6的集电极接地，所述NPN型三极管Q6的发射极同时接所述主控制系统。

本发明提供的功率器件逐脉冲保护电路，利用功率器件的导通压降检测电流的优点，设定功率器件的安全电流工作点；在单个方波驱动信号脉冲时间内实现逐脉冲的电流监测、逐脉冲过电流保护，能够有效解决功率器件因过流、短路而失效的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构框图；

图2是本发明优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构框图；

图3是本发明优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构示意图；

图4是本发明另一优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构示意图。

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楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构框图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种功率器件逐脉冲保护电路，通过脉冲信号实时监测功率器件的过电流并实行保护，包括脉冲发生器100、电流检测单元200、驱动单元300和保护执行单元400。具体的，电流检测单元200连接在脉冲发生器100的脉冲输出端与功率器件的电流输入端之间，驱动单元300连接在脉冲发生器100的脉冲输出端与功率器件的控制端之间，保护执行单元400连接在电流检测单元200的输出端与驱动单元300的使能端之间。

根据本实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路，脉冲发生器100输出方波驱动信号PULSE，用于功率器件的驱动控制并利用该信号实时监测所述功率器件的过电流，当电流检测单元200监测到流经所述功率器件的过电流超过安全阈值时，保护执行单元400立即控制驱动单元300关闭所述功率器件；并且，在所述方波驱动信号PULSE的开通周期内保持功率器件的关闭状态，直到本开通周期结束，所述保护电路自动解锁。当下一个脉冲方波驱动信号PULSE到来时再循环执行以上过程，实现对功率器件的逐脉冲电流监测，并且逐脉冲执行保护。并且，所述功率器件包括但不限于MOSFET、IGBT和晶闸管。

图2是本发明另一优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构框图。同样的，为了便于说明，也仅示出了与本实施例相关的部分。

参见图2，图2所示实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路除了包括脉冲发生器100、电流检测单元200、驱动单元300和保护执行单元400之外，还包括一个保护信号输出单元500。该保护信号输出单元500与保护执行单元400相接，用于将整个功率器件逐脉冲保护电路执行保护的工作状态输出给主控制系统。在具体实现时，保护信号输出单元500可以把保护电路已经执行保护的工作状态，以低电平输出(也可以是高电平)给主控制系统。主控制系统一般为MCU单片机或DSP类的微电脑处理器，在此不对工作状态的输出形式和主控制系统的种类作任何限制。

在具体实施过程中，驱动单元300一般可选图腾柱输出。并且，该图腾柱输出由两个相互配对的三极管或者MOSFET再加上相应的电阻组成。

在另一实施方式中，驱动单元300还可以包括一个连接在图腾柱输出之前的同相放大模块。该同相放大模块连接在脉冲发生器100的脉冲输出端与图腾柱输出的输入端之间，可用于放大方波驱动信号。

为了对本发明提供的功率器件逐脉冲保护电路做进一步的说明，图3示出了本发明一优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构示意图。参见图3：

电流检测单元200包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；电阻R1和电阻R2串接在脉冲发生器的脉冲输出端PULSE与二极管D1的阳极之间，电阻R1和电阻R2的共接端为电流检测单元100的输出端，二极管D1的阴极与功率器件的电流输入端同时接工作电源VCC。

进一步地，本实施例中的驱动单元300包括同相放大模块和图腾柱输出模块。同相放大模块包括电阻R3和NPN型三极管Q2；NPN型三极管Q2的基极通过电阻R3接第一供电电压，NPN型三极管Q2的发射极接脉冲发生器100的脉冲输出端PULSE，NPN型三极管Q2的集电极接图腾柱输出的输入端。图腾柱输出模块包括两个配对的三极管和相应的电阻，分别为NPN型三极管Q31、PNP型三极管Q32、电阻R31、电阻R32和电阻R33。NPN型三极管Q31的基极和PNP型三极管Q32的基极共接在一起，同时接NPN型三极管Q2的集电极和保护执行单元400的输出端，同时，NPN型三极管Q31的基极还通过上拉电阻R31接第二工作电压，NPN型三极管Q31的集电极也接第二工作电压，NPN型三极管Q31的发射极和PNP型三极管Q32的发射极分别通过电阻R32和电阻R33同时接功率器件MOSFET的控制端基极，PNP型三极管Q32的集电极接地。

进一步地，在本实施例中，保护执行单元400包括稳压二极管ZD1和NPN型三极管Q4；稳压二极管ZD1的阴极接电流检测单元100的输出端、即电阻R1和电阻R2的共接端，稳压二极管ZD1的阳极接NPN型三极管Q4的基极，NPN型三极管Q4的集电极接图腾柱输出的输入端，NPN型三极管Q4的发射极接地。

进一步地，该保护执行单元400还包括一个延时模块，图中并未隔离框出而已。该延时模块包括电容C1、电容C2和电阻R5；电容C1和电阻R5分别并接在稳压二极管ZD1的阴极与地之间；电容C2接在稳压二极管ZD1的阳极与地之间。

在优选本实施例中，还包括一个保护信号输出单元500。保护信号输出单元500包括NPN型三极管Q5和电阻R6；NPN型三极管Q5的基极接NPN三极管Q4的基极，NPN型三极管Q5的集电极通过电阻R6接第一供电电压，NPN型三极管Q5的发射极接地，NPN型三极管Q5的集电极同时接主控制系统。本实施例中，主控制系统采用MCU单片机。

图4示出了本发明另一优选实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路的结构示意图。参见图4：

在本实施例中，电流检测单元200、保护执行单元400以及驱动单元300中的图腾柱输出模块等的结构都与图3所示实施例相同。不同之处主要体现在两个方面：

一方面，驱动单元300中的同相放大模块包括电阻R4和PNP型三极管Q3。PNP型三极管Q3的基极接脉冲发生器100的脉冲输出端PULSE，PNP型三极管Q3的发射极接图腾柱输出的输入端，PNP型三极管Q3的集电极通过电阻R4接地。

另一方面，保护信号输出单元500包括PNP型三极管Q6和电阻R7；PNP型三极管Q6的基极接保护执行单元400中NPN三极管Q4的基极，PNP型三极管Q6的发射极通过电阻R7接第一供电电压，PNP型三极管Q6的集电极接地，NPN型三极管Q6的发射极同时接所述主控制系统。

下面，根据图3所示的优选实施例，对本发明提供的功率器件逐脉冲保护电路的工作原理进行简要说明。

本实施例中，功率器件以MOSFET为例，预设第一供电电压为5V，第二供电电压为15V。

电阻R3和NPN型三极管Q2组成同相放大模块，保证电流监测与控制逻辑相对应，完成5V电压输入脉冲到15V电压驱动脉冲的转换放大。NPN型三极管Q31、PNP型三极管Q32和电阻R31组成图腾柱输出模块，电阻R32控制驱动脉冲的上升沿，电阻R33控制驱动脉冲的下降沿，可以调整电阻R32、电阻R33来得到功率器件MOSFET理想的驱动脉冲波形。

稳压二极管ZD1和NPN型三极管Q4组成保护执行单元，ZD1可以根据需要选取不同的稳压值。而保护执行单元中的延时模块C1电容的取值不能太大，也不能太小。它的值要满足：电阻R1和电容C1的充电时间常数大于功率器件MOSFET的开通时间.防止正脉冲到来时，功率器件MOSFET还未打开前保护电路，产生误动作。

NPN型三极管Q5和电阻R6组成保护信号输出单元，NPN型三极管Q5和保护执行单元中的NPN型三极管Q4并联。当NPN型三极管Q4进行保护动作，Q6也同时动作，把已执行保护的工作状态，以低电平输出给MCU单片机或DSP类的微电脑处理器。

在实际工作过程中，脉冲发生器输出5V的方波脉冲驱动信号，电阻R1和电阻R5分压该正5V的方波脉冲。给稳压二极管ZD1设定静态工作电压，该静态工作电压应大于ZD1的反向击穿电压加NPN型三极管Q4的基极门电压之和。本实施例中设定该静态工作电压为4.16V，稳压二极管ZD1的反向击穿电压为2.5V，NPN型三极管Q4的基极门电压定为0.5V。则上述公式可以表示为：

5V/(R1+R5)*R5＞ZD1反向击穿电压+Q4基极门电压———公式1

而本实施例中的功率器件MOSFET的保护电流设定为2A，该MOSFET内阻假定为1Ω,其漏源极的保护压降Vds为2V。当该功率器件MOSFET的漏源极压降Vds、二极管D1的正向压降和电阻R2上的压降三者之和大于ZD1反向击穿电压和Q4基极门电压之和时，本电路就执行保护。

本实施例中二极管D1的正向压降设定为0.7V，则本电路中各元器件的配置应满足以下关系式：

{[5V-(D1正向压降+Vds)]/(R1+R2)}*R2＝(ZD1稳压值+Q4基极&集电极电压)-(D1正向压降+Vds)——————————公式2

根据以上公式，代入各器件的参数，可以得出电阻R2的阻值为300Ω。当需要得到不同的功率器件MOSFET不同的电流保护值时，该功率器件逐脉冲保护电路的元器件参数同时满足公式1和公式2即可。

综上所述，本发明实施例提供的功率器件逐脉冲保护电路，利用功率器件的导通压降检测电流的优点，设定功率器件的安全电流工作点；在单个方波驱动信号脉冲时间内实现逐脉冲的电流监测、逐脉冲过电流保护，能够有效解决功率器件因过流、短路而失效的问题。

值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功率器件逐脉冲保护电路，通过脉冲信号实时监测功率器件的过电流并实行保护，其特征在于，所述保护电路包括：脉冲发生器、电流检测单元、驱动单元和保护执行单元；

所述电流检测单元连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与功率器件的电流输入端之间，所述驱动单元连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与功率器件的控制端之间，所述保护执行单元连接在所述电流检测单元的输出端与所述驱动单元的使能端之间；

所述脉冲发生器输出方波驱动信号，用于功率器件的驱动控制并利用该信号实时监测所述功率器件的过电流，当所述电流检测单元监测到流经所述功率器件的过电流超过安全阈值时，所述保护执行单元控制所述驱动单元关闭所述功率器件；并且，在所述方波驱动信号的开通周期内保持关闭状态，直到开通周期结束，所述保护电路自动解锁；

所述保护执行单元包括稳压二极管ZD1和NPN三极管Q4；

所述稳压二极管ZD1的阴极接所述电流检测单元的输出端，所述稳压二极管ZD1的阳极接所述NPN三极管Q4的基极，所述NPN三极管Q4的集电极接所述驱动单元的使能端，所述NPN三极管Q4的发射极接地；

所述保护执行单元还包括一个延时模块；

所述延时模块包括电容C1、电容C2和电阻R5；所述电容C1和电阻R5分别并接在所述稳压二极管ZD1的阴极与地之间；所述电容C2接在所述稳压二极管ZD1的阳极与地之间；

所述功率器件为MOSFET、IGBT或者晶闸管。

2.如权利要求1所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括：与所述保护执行单元相接、用于将所述保护电路执行保护的工作状态输出给主控制系统的保护信号输出单元。

3.如权利要求1所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述驱动单元包括一个图腾柱输出；

所述图腾柱输出包括两个配对的三极管及相应的电阻；或者包括两个配对的MOSFET及相应的电阻。

4.如权利要求3所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述驱动单元还包括一个连接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述图腾柱输出的输入端之间、用于放大所述方波驱动信号的同相放大模块。

5.如权利要求1-4任一项所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述电流检测单元包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；

所述电阻R1和电阻R2串接在所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述二极管D1的阳极之间，所述电阻R1和电阻R2的共接端为所述电流检测单元的输出端，所述二极管D1的阴极与所述功率器件的电流输入端同时接工作电源VCC。

6.如权利要求4所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述同相放大模块包括电阻R3和NPN型三极管Q2；所述NPN型三极管Q2的基极通过所述电阻R3接第一供电电压，所述NPN型三极管Q2的发射极接所述脉冲发生器的脉冲输出端，所述NPN型三极管Q2的集电极接所述图腾柱输出的输入端；或者，

所述同相放大模块包括电阻R4和PNP型三极管Q3；所述PNP型三极管Q3的基极接所述脉冲发生器的脉冲输出端，所述PNP型三极管Q3的发射极接所述图腾柱输出的输入端，所述PNP型三极管Q3的集电极通过所述电阻R4接地。

7.如权利要求2所述的功率器件逐脉冲保护电路，其特征在于，所述保护信号输出单元包括NPN型三极管Q5和电阻R6；所述NPN型三极管Q5的基极接所述NPN三极管Q4的基极，所述NPN型三极管Q5的集电极通过所述电阻R6接第一供电电压，所述NPN型三极管Q5的发射极接地，所述NPN型三极管Q5的集电极同时接主控制系统；或者，

所述保护信号输出单元包括PNP型三极管Q6和电阻R7；所述PNP型三极管Q6的基极接所述NPN三极管Q4的基极，所述PNP型三极管Q6的发射极通过所述电阻R7接第一供电电压，所述PNP型三极管Q6的集电极接地，所述NPN型三极管Q6的发射极同时接主控制系统。