CN105406846A - 一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，包括开通关断电路、驱动保护电路、瞬态抑制电路、缓开通电路、电流采样电路、续流二极管D2和MOS管M1。本发明可以解决因上电顺序错误引起的MOS管M1误开关动作，以及解决现有固态功率控制器带容性负载能力差，对寄生参数依赖大、瞬态大电流无法正常启动等问题。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种基于MOS管的控制电路。
背景技术
固态功率控制器采用功率管作为核心控制开关，现在已被广泛应用于各个领域，具有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高等优点。固态功率控制器中，其功率管工作在满占空比开关状态。
传统的功率管控制电路由于工作在占空比可调的工作模式，通过控制占空比来实现负载电流的控制，且驱动信号与功率电通过严格的上电时序来保证，驱动电路无需考虑大电流启动保护及上电瞬间因功率管内部寄生参数导致功率管出现瞬时微导通的潜通路问题。固态功率控制器作为智能开关功能，其功率管长期工作在全开与全闭合状态，功率管流过的电流受负载特性的影响，且其驱动电与功率电上电顺序无严格限制，使其对驱动的控制要求更为严格苛刻，容易出现大电流负载无法正常启动、上电瞬间开关状态不可控等问题。
此外，传统的驱动电路驱动方案无法解决固态功率控制器功率管的驱动问题，改进型的驱动电路通过在功率管栅-源极之间增加RC延时来达到抑制启动过程瞬态大电流的问题，使得带载能力得到改善，但会严重影响功率管的开通和关断时间，对开关管的散热与安全性提出了很高的要求，且无法响应负载端对快速上电的时间要求，同时也无法避免因驱动电加电滞后于功率电加电时可能带来的安全隐患问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种功率管驱动控制电路，可以解决因上电顺序错误引起的误开关动作，以及解决现有固态功率控制器带容性负载能力差，对寄生参数依赖大、瞬态大电流无法正常启动等问题。
本发明的技术解决方案是：一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，包括开通关断电路、驱动保护电路、瞬态抑制电路、缓开通电路、电流采样电路、续流二极管D2和MOS管M1，其中：
MOS管M1：控制负载的加电或者断电，漏极端接功率电源的正端，源极端接负载的一端，负载的另一端接功率电源的负端；
续流二极管D2：并联在负载的两端，当MOS管M1关断后，使得负载完成续流；
开通关断电路：接收外部的电平控制信号Control1，并根据电平控制信号Control1产生高电平或者低电平施加于MOS管M1的栅极端，控制MOS管M1的导通或者关断；
电流采样电路：串联于MOS管M1的源极端和负载之间，实时采样获取流入负载的电流并反馈至外部；
驱动保护电路：当电流采样电路获取的采样电流值大于预先设定的电流阈值时，根据外部的驱动保护控制信号控制MOS管M1关断；
缓开通电路：串接在MOS管M1的漏极端和栅极端之间，通过改变漏极端和栅极端之间的电容使得由功率电源加载至MOS管M1上的电流逐渐增大；
瞬态抑制电路：串接在MOS管M1的源极端和栅极端之间，保护MOS管的栅极端并防止在MOS管M1导通前将功率电压施加于负载上。
所述的开通关断电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R13和三极管Q3，其中电阻R2的一端同时与电阻R6的一端以及驱动供电输入端VCC相连，电阻R2的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端同时与电阻R4的一端以及电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接MOS管M1的栅极端，电阻R4的另一端接地端，电阻R6的另一端接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极同时与电阻R10的一端以及电阻R13的一端连接，电阻R10的另一端接外部的电平控制信号Control1，电阻R13的另一端同时与地端、三极管Q3的发射极以及负载的输入端相连。
所述的缓开通电路包括电容C1、电容C2、电阻R1和电阻R5，电阻R5、电容C2、电容C1和电阻R1顺序串联在一起，电阻R5的另一端与MOS管M1的栅极端相连，电阻R1的另一端与MOS管M1的漏极端相连。
所述的瞬态抑制电路包括电容C3、三极管Q2、电阻R5、电阻R14、二极管D1、稳压管Z1，电阻R5的一端同时与三极管Q2的集电极、电容C3的一端以及稳压管Z1的阴极端相连，电容C3的另一端同时与三极管Q2的基极、电阻R14的一端，二极管D1的阴极端相连，稳压管Z1的阳极端、二极管D1的阳极端、电阻R14的另一端、三极管Q2的发射极同时与负载的输入端相连。
所述的驱动保护电路包括两级保护电路，其中第一级保护电路包括电阻R8、电阻R11和三极管Q1，第二级保护电路包括电阻R9、电阻R12和三极管Q4；三极管Q1的集电极通过电阻R2接驱动供电输入端VCC，同时三极管Q1的集电极还通过电阻R5接至MOS管M1的栅极端，电阻R11的一端同时接三极管Q1的基极和电阻R8的一端，电阻R11的另一端接外部的驱动保护控制信号Control2，电阻R8的另一端接三极管Q3的集电极，三极管Q1的发射极接地端；三极管Q4的集电极接电阻R9的一端，R9的另一端依次通过串联的电阻R3和电阻R2接驱动供电输入端VCC，同时R9的另一端还通过电阻R5接至MOS管M1的栅极端，电阻R12的一端接三极管Q4的基极，电阻R12的另一端接外部的驱动保护控制信号Control3，三极管Q4的发射极接地端。
所述的电流采样电路为电压型或电流型传感器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的功率驱动电路通过设计缓开通电路，能够有效抑制开关瞬间容性负载和感性负载引起的浪涌电流和尖峰电压，避免容性大电流负载无法启动问题，提高功率管的带载能力，提高了功率管的可靠性与使用寿命，确保设备安全、稳定、可靠地工作；
(2)本发明的功率驱动电路通过设计瞬态抑制电路，能够有效避免上电瞬间因功率电源先于驱动电源上电或功率管内部寄生参数影响，功率管瞬时微导通的现象，避免上电时序引起的开关状态不可控问题，负载安全性得到提高，对功率管器件寄生参数依赖大大减小；
(3)本发明的功率驱动电路通过设计驱动保护电路同缓开通电路、瞬态抑制电路相结合，既能够提高带容性负载能力，也同时能减小了对开通关断时间的影响；
(4)本发明通过采集功率管漏-源端的电流实现两级驱动保护，适用于固态功率控制器I2t反时限保护和立即跳闸保护，立即跳闸时间为微秒级，电路结构简单，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为本发明固态功率控制器的功率管驱动控制电路原理图；
图3为本发明固态功率控制器的功率管驱动控制电路开关过程关键点波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1、图2所示，本发明一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，包括开通关断电路、驱动保护电路、瞬态抑制电路、缓开通电路、电流采样电路、续流二极管D2和MOS管M1，其中MOS管M1控制负载的加电或者断电；续流二极管D2并联在负载的两端，当MOS管M1关断后，负载通过续流二极管D2完成续流；开通关断电路接收外部的电平控制信号Control1，并根据电平控制信号Control1产生高电平或者低电平施加于MOS管M1的栅极端，控制MOS管M1的导通或者关断；电流采样电路实时采样获取流入负载的电流并反馈至外部；在外部，将电流采样电路获取的实时电流值与预先设定的电流阈值进行比较，当实时电流值大于预先设定的电流阈值时，由外部产生保护信号控制MOS管M1关断；缓开通电路通过改变漏极端和栅极端之间的电容使得由功率电源加载至MOS管M1上的电流逐渐增大；瞬态抑制电路串接在MOS管M1的源极端和栅极端之间，保护MOS管的栅极端并防止在MOS管M1导通前将功率电压施加于负载上。
整个电路主要由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14，电容C1、C2、C3，二极管D1，稳压管Z1，三极管Q1、Q2、Q3、Q4，功率MOS管M1以及二极管D2、电流采样传感器RS构成。
1.开通关断电路由电阻R2、R3、R4、R5、R6、R10、R13、三极管Q3组成；
2.缓开通电路由电容C1、C2、电阻R1和R5构成；
3.瞬态抑制电路由电容C3、三极管Q2、电阻R14、二极管D1、稳压管Z1共同构成；
4.驱动保护电路由两级保护组成，其中第一级保护电路在过流时根据I2t曲线完成保护动作。由电阻R8、电阻R11、三极管Q1组成；第二级保护电路在短路情况下立即跳闸保护，由电阻R9、R12、三极管Q4组成；
5.电流采样电路由采样传感器RS构成，连接于功率管电流回路，采样传感器采集功率管漏-源极的电流，RS可采用电压型或电流型传感器实现。
如图3所示，对本发明电路的原理进行展开说明，其中图3(a)为开通过程，图3(b)为关断过程，图中IG为功率管M1的G极电流，VGS为功率管M1的G-S极间电压，VDS为功率管M1的D-S极间电压，Iload为负载电流。
(1)正常开通过程：当VCC上电后，Control2与Control3都会保持为低电平状态，当开通的外部控制信号Control1(Control1为高电平信号)发出后，电流通过电阻R10与R13分压，Q3导通，Q1关闭。VCC电压通过电阻R2、R3、R4分压后流入R5，功率管M1的G极完成充电，G极电压开始升高，M1的D-S间电流逐渐建立，至M1完全导通时，电流达到最大值。
(2)正常关断过程：VCC上电后，当Control1发出关断指令(Control1为低电平)，Q13断开。VCC电流通过电阻R6、R8对三极管Q1基极充电，Q1导通，VCC电流由电阻R2、Q1流入到GND回路，Q1的集电极电平被拉低，功率管M1的G极充电回路被旁路，G极电压开始通过电阻R5、R3、Q1和R5、R4回路放电，M1的D-S间电压下降，至MOS管M1完全关闭。
(3)缓开通过程：当驱动电开始加电，一部分电流流过电阻R5进入G-S回路，另一部分电流通过电容C2、C1、电阻R1流回功率管M1源极，M1的G极电压开始缓慢上升，当高于开启阈值电压逐渐进入米勒平台区，如图3所示，在该段时间完成功率管的缓开通过程，D-S间电流在该段区域逐渐上升至最大值后维持正常电流不变。
(4)瞬态抑制过程：当功率电源上电建立时间先于控制侧上电建立时间时以及正常时序上电瞬间，一部分电流将会通过功率管M1的D-S造成负载端不可控加电，此时通过电阻R1、电容C1、C2回路会有一部分电流流入瞬态抑制电路对电容C3进行充电，将三极管Q2导通并将功率管M1的G极电压下拉迅速将M1关断阻止D-S间电流的建立，从而避免了功率管M1在上电瞬间的不可控导通现象。当控制电建立时三极管Q2关断，功率管进入正常控制阶段。
(5)保护过程：当功率管M1的D-S间流过的电流值超过安全设定的阈值范围后，通过电流采样电路采样后输出给控制电路，控制电路将根据控制规则将会给出两级驱动保护信号，驱动保护信号输出至Control2、Control3，当Control2为高电平时，电流流过电阻R11使得Q1导通，MOS管M1的G极被拉低，电流从电阻R5、R3通过三极管Q1快速放电，从而完成关断保护动作；当Control3高电平时，电流流过电阻R12使得三极管Q4导通，MOS管M1的G极被拉低，电流从电阻R5、R9通过三极管Q4完成电流泄放，从而完成立即关断保护动作，避免功率管M1的损坏。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，其特征在于包括：开通关断电路、驱动保护电路、瞬态抑制电路、缓开通电路、电流采样电路、续流二极管D2和MOS管M1，其中：
MOS管M1：控制负载的加电或者断电，漏极端接功率电源的正端，源极端接负载的一端，负载的另一端接功率电源的负端；
续流二极管D2：并联在负载的两端，当MOS管M1关断后，使得负载完成续流；
开通关断电路：接收外部的电平控制信号Control1，并根据电平控制信号Control1产生高电平或者低电平施加于MOS管M1的栅极端，控制MOS管M1的导通或者关断；
电流采样电路：串联于MOS管M1的源极端和负载之间，实时采样获取流入负载的电流并反馈至外部；
驱动保护电路：当电流采样电路获取的采样电流值大于预先设定的电流阈值时，根据外部的驱动保护控制信号控制MOS管M1关断；
缓开通电路：串接在MOS管M1的漏极端和栅极端之间，通过改变漏极端和栅极端之间的电容使得由功率电源加载至MOS管M1上的电流逐渐增大；
瞬态抑制电路：串接在MOS管M1的源极端和栅极端之间，保护MOS管的栅极端并防止在MOS管M1导通前将功率电压施加于负载上。
2.根据权利要求1所述的一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，其特征在于：所述的开通关断电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R13和三极管Q3，其中电阻R2的一端同时与电阻R6的一端以及驱动供电输入端VCC相连，电阻R2的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端同时与电阻R4的一端以及电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接MOS管M1的栅极端，电阻R4的另一端接地端，电阻R6的另一端接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极同时与电阻R10的一端以及电阻R13的一端连接，电阻R10的另一端接外部的电平控制信号Control1，电阻R13的另一端同时与地端、三极管Q3的发射极以及负载的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，其特征在于：所述的缓开通电路包括电容C1、电容C2、电阻R1和电阻R5，电阻R5、电容C2、电容C1和电阻R1顺序串联在一起，电阻R5的另一端与MOS管M1的栅极端相连，电阻R1的另一端与MOS管M1的漏极端相连。
4.根据权利要求1所述的一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，其特征在于：所述的瞬态抑制电路包括电容C3、三极管Q2、电阻R5、电阻R14、二极管D1、稳压管Z1，电阻R5的一端同时与三极管Q2的集电极、电容C3的一端以及稳压管Z1的阴极端相连，电容C3的另一端同时与三极管Q2的基极、电阻R14的一端，二极管D1的阴极端相连，稳压管Z1的阳极端、二极管D1的阳极端、电阻R14的另一端、三极管Q2的发射极同时与负载的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种适用于固态功率控制器的功率管驱动控制电路，其特征在于：所述的驱动保护电路包括两级保护电路，其中第一级保护电路包括电阻R8、电阻R11和三极管Q1，第二级保护电路包括电阻R9、电阻R12和三极管Q4；三极管Q1的集电极通过电阻R2接驱动供电输入端VCC，同时三极管Q1的集电极还通过电阻R5接至MOS管M1的栅极端，电阻R11的一端同时接三极管Q1的基极和电阻R8的一端，电阻R11的另一端接外部的驱动保护控制信号Control2，电阻R8的另一端接三极管Q3的集电极，三极管Q1的发射极接地端；三极管Q4的集电极接电阻R9的一端，R9的另一端依次通过串联的电阻R3和电阻R2接驱动供电输入端VCC，同时R9的另一端还通过电阻R5接至MOS管M1的栅极端，电阻R12的一端接三极管Q4的基极，电阻R12的另一端接外部的驱动保护控制信号Control3，三极管Q4的发射极接地端。
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