CN106452029A

CN106452029A - 电流保护电路

Info

Publication number: CN106452029A
Application number: CN201510494070.1A
Authority: CN
Inventors: 刘旭; 吴海平
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN106452029B

Abstract

本发明公开了一种电流保护电路。电流保护电路包括功率器件及驱动电路。功率器件与负载的供电电路连接，驱动电路与功率器件的控制端连接。驱动电路产生驱动信号至功率器件的控制端，通过控制功率器件限制负载的电流。上述电流保护电路利用功率器件的固有伏安特性对负载进行限流保护，使得保护作用不需要反应时间，可立即发生，并且上述电流保护电路的电路结构简单。

Description

电流保护电路

技术领域

本发明涉及电子技术，特别是一种电流保护电路。

背景技术

目前常用的电流保护电路利用采样电阻对绝缘栅双极型晶体管驱动电路的母线电流采样，再将采集的电压与参考电压进行比较，根据比较器的比较结果经光耦向数字信号处理处理器输出控制信号，处理器输出脉冲控制绝缘栅双极型晶体管驱动电路。但是上述电流保护电路的电路复杂，并且保护速度慢。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种电流保护电路。

根据本发明实施方式的电流保护电路包括：

功率器件，所述功率器件用于连接负载的供电电路，所述功率器件包括控制端；及

驱动电路，所述驱动电路连接所述控制端，所述驱动电路用于产生驱动信号至所述控制端以控制所述功率器件限制所述负载的电流。

上述电流保护电路根据功率器件的固有伏安特性进行限流，使得限流作用不需要反应时间，可立即发生，并且上述电流保护电路的电路结构简单。

在某些实施方式中，所述功率器件是绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管包括与所述供电电路的电源连接的集电极，与所述负载连接的发射极及作为控制端的栅极。

在某些实施方式中，所述电流保护电路还包括连接在所述驱动电路与所述控制端之间的第一电阻。

在某些实施方式中，所述电流保护电路还包括连接在所述栅极与所述发射极之间的第二电阻。

在某些实施方式中，所述绝缘栅双极型晶体管处于放大区时，当所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压一定时，所述发射极输出电流随所述绝缘栅双极型晶体管的栅极-发射极电压增高而变大。

在某些实施方式中，所述绝缘栅双极型晶体管处于放大区时，所述绝缘栅双极型晶体管处于放大区时，当所述栅极-发射极电压一定时，所述发射极输出电流在所述集电极-发射极电压增大时保持不变。

在某些实施方式中，所述驱动信号的电压值与限制所述负载的电流值对应。

在某些实施方式中，所述驱动电路包括第一电压输出模块及与所述第一电压输出模块连接的第二电压输出模块，所述第一电压输出模块输出的第一电压值与所述第二电压输出模块输出的第二电压值之差等于所述驱动信号的电压值。

在某些实施方式中，所述第二电压输出模块包括用于调节所述驱动信号的电压值的控制元件，所述控制元件为稳压管或可变电阻。

在某些实施方式中，当所述控制元件为所述稳压管时，所述稳压管的不同稳压值对应所述驱动信号的不同电压值。

在某些实施方式中，当所述控制元件为所述可变电阻时，所述可变电阻的不同阻值对应所述驱动信号的不同电压值。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的电流保护电路的电路图；

图2是根据本发明的一个实施方式的功率器件的伏安特性曲线；

图3是根据本发明的一个实施方式的电流保护电路应用实例电路图；

图4是根据本发明的一个实施方式的驱动电路的电路图；及

图5是根据本发明的一个实施方式的驱动电路的又一个电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，根据本发明实施方式的电流保护电路10包括功率器件Z1及驱动电路20。

该功率器件Z1用于连接负载ZX1的供电电路，功率器件Z1包括控制端。负载ZX1为用电器，可由电源Vcc对负载ZX1供电。出于对负载ZX1用电安全及使用寿命的考虑，要对负载ZX1进行限流保护。对流经负载ZX1的电流按照设定电流值进行限制，该设定电流值可为负载ZX1的最大电流值，当供电电路中电流超过最大电流值时，电流保护电路10进入恒流模式，也即是说，限流保护是根据负载ZX1的设定电流值进行限制，属于上限型控制，从而达到电流保护的目的。

功率器件Z1是具有短路能力的功率器件，其通常是具有处理高电压，大电流能力的半导体器件，包括电压控制器型器件及电流型控制器件，例如，电压控制器型器件可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，电流型控制器件可为三极管等。

本实施方式中，功率器件Z1为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块Z1，IGBT模块Z1包括集电极C、发射极E及栅极G。其中，集电极C与电源Vcc连接，发射极E与负载ZX1输入端连接，栅极G与驱动电路20的输出端连接，同时，栅极G也是IGBT模块Z1的控制端。电流保护电路10利用IGBT模块Z1的伏安特性对负载ZX1进行保护，IGBT模块Z1属于电压控制型器件，电压控制型器件通过输入端电压变化即可控制输出端电流的变化。如此通过控制IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g，利用IGBT模块Z1在放大区的伏安特性可达到对负载ZX1进行电流保护的目的，并且这种保护即时发生。

驱动电路20连接控制端，驱动电路20用于产生驱动信号至所述控制端G以控制功率器件Z1限制负载ZX1的电流。驱动电路20产生驱动信号用以驱动IGBT模块Z1，驱动信号通常为门极驱动信号，所述门极即是IGBT模块Z1的栅极G，通过驱动栅极G可使得IGBT模块Z1从阻断状态转化为导通状态。通过调节驱动信号的电压值可确定通过栅极G的最大电流。如此，根据不同负载ZX1电流阈值的需求，可通过调节驱动电路20的驱动信号的电压值以实现对不同负载ZX1的限流保护。

如此，所述的电流保护电路10根据IGBT模块Z1的固有伏安特性进行限流，限流作用不需要反应时间，立即发生，并且电流保护电路10的电路结构简单。

在本实施方式中，电流保护电路10还包括连接在驱动电路20与IGBT模块Z1的控制端G之间的第一电阻R1，第一电阻R1为栅极电阻。

具体的，首先IGBT模块Z1的栅射(栅极-发射极)极之间是容性结构，栅极回路在驱动电路20的驱动脉冲激励下会产生强振荡，因此栅极电阻R1可以加速振荡衰减。其次，栅极电阻R1可改善驱动信号的上升沿，使驱动信号缓慢上升至预定电压，有助于减少驱动信号对IGBT模块Z1的冲击作用。此外，驱动电路20的电容电感都是无功元件，栅极电阻R1可以转移驱动电路的功率损耗。需要注意的是，通常情况下，额定电流大的IGBT模块Z1将采用阻值较小的栅极电阻R1，同样的，额定电流小的IGBT模块Z1将采用阻值较大的栅极电阻R1。选取栅极电阻R1时，要参考输出需求及IGBT模块Z1的具体型号，从而选取阻值适当的栅极电阻R1，若R1太大，增开通关断时间延长，使得开通消耗增加，若R1太小，则电流上升速率增加，容易产生误导通。

如此，栅极电阻R1在电流保护电路10中，可改善驱动信号的上升速率，减少电路对于IGBT模块Z1的冲击，起到缓冲作用。

在本实施方式中，电流保护电路10还包括连接在所述IGBT模块Z1的栅极G与发射极E之间的第二电阻，第二电阻R2为下拉电阻。

具体的，IGBT模块Z1为防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空。当驱动电路20不产生驱动信号时，即IGBT模块Z1没有导通时，下拉电阻R2可以吸收一部分电流，起到限流作用。通常第二电阻R2的阻值较大。

如此，下拉电阻R2在IGBT模块Z1没有导通时，对负载ZX1起到限流保护作用。

请参阅图2，图2是根据本发明实施方式的IGBT模块Z1的伏安特性曲线。

在本实施方式中，当IGBT模块Z1工作在放大区时，在集射电压(集电极-发射极电压)V_CE一定的情况下，发射极E输出电流I_E随栅射电压(栅极-发射极电压)V_GE的增高而变大。

具体的，如图2所示，X轴为集射电压V_CE，其中BV_CE为集射击穿电压，Y轴为发射极输出电流I_E。当IGBT模块Z1工作在放大区时，截取某一特定集射电压V_CE值时，可知栅射电压V_GE越大，发射极E输出电流I_E越大，例如V_GE2大于V_GE1，其对应的电流I_E2也大于电流I_E1，即发射极E输出电流I_E随栅射电压V_GE的增高而变大。集射电压V_CE为负载ZX1的输入电压，I_E为负载ZX1的输入电流。

当IGBT模块Z1工作在放大区时，当集射电压V_CE一定时，即负载ZX1的输入电压一定时，可以通过调节驱动电路20的驱动门极信号从而调节栅射电压V_GE的大小，使得负载ZX1的输入电流产生变化。如此可以调节负载ZX1的输入电流，即电流保护电路10所允许的最大电流值，达到限流的目的。

在本实施方式中，当IGBT模块Z1处于放大区时，在栅射电压V_GE一定时，发射极E的输出电流I_E在集射电压V_CE增大时保持不变。

具体的，如图2所示，当IGBT模块Z1工作在放大区时，在某一特定栅射电压V_GE下，例如V_GE1、V_GE2、V_GE3及V_GE4中的任一曲线，可知发射极E的输出电流I_E基本保持不变，即输出电流I_E不随集射电压V_CE的增大而变化。集射电压V_CE为负载ZX1的输入电压，I_E为负载ZX1的输入电流。当IGBT模块Z1工作在放大区时，负载ZX1的输入电流基本保持不变。也即是说，当驱动电路20产生的驱动门极信号一定时，栅射电压V_GE也相应确定，从而可以限定电流保护电路10的发射集E输出电流I_E。如此，使得流经负载ZX1的电流不因输入电压V_CE变化而发生过流现象，从而达到限流目的。

如此，根据IGBT模块Z1的伏安特性曲线及所保护负载ZX1的特性，通过调节驱动电路20的驱动门极信号可以有效的对负载ZX1进行限流保护。

请参阅图3，图3是根据本发明实施方式的电流保护电路10的应用实例。如图3所示，IGBT模块Z1所在的回路为电流保护电路主回路，IGBT模块Z2及IGBT模块Z3所在回路为被保护的负载。正常工作状态下，负载中IGBT模块Z2及IGBT模块Z3可由各自驱动电路驱动进行工作。当IGBT模块Z2或IGBT模块Z3失效时，可利用IGBT模块Z1对其进行保护。

在本实施方式中，驱动信号的电压值V_g即门极驱动信号与限制负载ZX1的电流值对应。

具体的，驱动电路20用于产生不同的门极驱动电压V_g(即驱动信号的电压)以驱动IGBT模块Z1工作，利用IGBT模块Z1的伏安特性对负载ZX1进行限流保护，驱动信号的电压V_g即是栅射电压V_GE。对于不同的负载，其所需限流的电流值也不相同。在电流保护电路10中，负载ZX1的输入电流用IGBT模块Z1进行控制。因此，通过调节IGBT模块Z1发射极E的输出电流I_E即可实现对负载ZX1限流的目的。根据IGBT模块Z1的伏安特性曲线可知，在集射电压V_EC一定时，输出电流I_E与栅射电压V_GE正相关。也即是说，根据负载ZX1的特性确定输入电流I_E后，可确定相应的栅射电压V_GE，而栅射电压V_GE即是驱动信号的电压V_g。确定栅射电压V_GE后，负载ZX1的电流不再与其输入电压V_CE及电源电压Vcc有关，从而达到限流的目的。如此，驱动电路20可根据负载ZX1的电流额定值，对IGBT模块Z1提供相应的驱动信号的电压V_g，不同的驱动信号的电压V_g对应不同的限制电流值。

请参阅图4及图5，在本实施方式中，驱动电路20包括第一电压输出模块及第二电压输出模块，第一电压输出模块输出的第一电压值V_G与第二电压输出模块输出的第二电压值V_E之差V_g即是驱动信号的电压值。

具体的，第一电压输出模块输出的第一电压值V_G为定值，第二电压输出模块输出的第二电压值V_E为可调值。如此，通过改变第二电压值V_E，可获取所需的驱动信号的电压值V_g。

在本实施方式中，第二电压输出模块包括控制元件，控制元件用于调节第二电压输出模块输出的第二电压值V_E从而调节驱动信号的电压V_g。控制元件可以是稳压管D1或可变电阻RV1。

具体的，稳压管D1或可变电阻RV1都是用来控制电压的元件，如此在驱动电路20中，通过采用不同稳压值的稳压管D1或调节可变电阻RV1的阻值，可以获得所需的驱动信号的电压V_g。

在本实施方式中，当控制元件为稳压管D1时，根据需要选取不同稳压值的稳压管D1可以获得所需IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g。

具体的，稳压管D1在一定电流范围内端电压几乎不变，即稳压管D1可以将电压限制在某一特定值。如图4所示IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g＝V_G-V_E,V_G为第一电压输出模块输出的第一电压值，该第一电压值为定值，若想获得所需的V_g，则需要通过改变第二电压值V_E来实现。如此，选取不同稳压值的稳压管D1，可得到所需的V_E,进而获得所需的IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g。

优选的，在某些实施方式中，控制元件可以是可变电阻RV1。根据需要通过调节可变电阻RV1的阻值可以获得所需IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g。

具体的，可变电阻RV1可以是滑线变阻器或变阻箱，如图5所示IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g＝V_G-V_E,V_G为第一电压输出模块输出的第一电压值，该值为定值，若想获得所需的V_g，则需要通过改变第二电压值V_E来实现。如此，调节可变电阻RV1，可得到所需的V_E,进而获得所需的IGBT模块Z1的驱动信号的电压V_g。与选用稳压管D1相比，可变电阻RV1在调解过程中无需多次安装拆卸，只需调节阻值到所需值即可，更加方便。

需要注意的是，驱动电路20包括但不限于控制元件，其他为本领域的普通技术人员熟知的元件及驱动方式不在此赘述。

优选的，在某些实施方式中，用于保护负载ZX1的元件还可以是除IGBT模块Z1之外的其他电压控制型器件。

具体的，电压控制型器件在工作时主要由输入端电压的变化实现对输出端的控制，例如，该电压控制型器件还可以是MOSFET模块。MOSFET模块具有与IGBT模块相类似的伏安特性，如此，利用MOSFET模块的伏安特性同样可以达到限流保护的目的。

优选的，在某些实施方式中，用于保护负载ZX1的元件还可以是电流控制型器件。

具体的，电流控制型器件在工作时主要由输入端电流的变化实现对输出端的控制，例如，该电流控制型器件可以是三极管模块。利用三极管模块的伏安特性同样可以达到限流保护的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种电流保护电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于，所述功率器件是绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管包括与所述供电电路的电源连接的集电极，与所述负载连接的发射极及作为控制端的栅极。

3.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于，所述电流保护电路还包括连接在所述驱动电路与所述控制端之间的第一电阻。

4.如权利要求2所述的电流保护电路，其特征在于，所述电流保护电路还包括连接在所述栅极与所述发射极之间的第二电阻。

5.如权利要求2所述的电流保护电路，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管处于放大区时，当所述绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压一定时，所述发射极输出电流随所述绝缘栅双极型晶体管的栅极-发射极电压增高而变大。

6.如权利要求5所述的电流保护电路，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管处于放大区时，当所述栅极-发射极电压一定时，所述发射极输出电流在所述集电极-发射极电压增大时保持不变。

7.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于，所述驱动信号的电压值与限制所述负载的电流值对应。

8.如权利要求1所述的电流保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括第一电压输出模块及与所述第一电压输出模块连接的第二电压输出模块，所述第一电压输出模块输出的第一电压值与所述第二电压输出模块输出的第二电压值之差等于所述驱动信号的电压值。

9.如权利要求8所述的电流保护电路，其特征在于，所述第二电压输出模块包括用于调节所述驱动信号的电压值的控制元件，所述控制元件为稳压管或可变电阻。

10.如权利要求9所述的电流保护电路，其特征在于，当所述控制元件为所述稳压管时，所述稳压管的不同稳压值对应所述驱动信号的不同电压值。

11.如权利要求9所述的电流保护电路，其特征在于，当所述控制元件为所述可变电阻时，所述可变电阻的不同阻值对应所述驱动信号的不同电压值。