CN107086539B - 过流保护电路和过流保护方法 - Google Patents

过流保护电路和过流保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种过流保护电路和过流保护方法，其中，该过流保护电路包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，其中：采样电路，输入端与被保护电路部件相连，输出端与比较电路的第一输入端相连；比较电路，第一输入端与采样电路的输出端相连，第二输入端与预设比较值相连，输出端与信号处理电路相连；信号处理电路，第一输入端与比较电路的输出端相连，第二输入端与驱动信号相连，输出端与驱动电路的输入端相连；驱动电路，输入端与信号处理电路的输出端相连，输出端与被保护电路部件相连。通过上述方案实现在保证保护电路快速性的同时提高电路的抗干扰能力的目的。

Description

过流保护电路和过流保护方法
技术领域
本发明涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种过流保护电路和过流保护方法。
背景技术
SiC器件具有禁带宽度高、饱和电子漂移速度高、临界电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特性，因此，基于SiC的电力电子器件阻断电压高、工作频率高且耐高温能力强，同时又具有通态电阻低和开关损耗小的优势。进一步的，采用SiC电力电子器件可以进一步提升电力电子装置的功率密度及效率，尤其是在高频、高温和大功率电力电子应用领域，SiC电力电子器件具有Si半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。
但是，在中大功率的应用场合，对器件的可靠性要求较高，目前，硅IGBT的过流保护电路技术较为成熟，IGBT过流保护电路主要通过检测集电极的电流大小来检测过流故障，从而避免其因过流故障而受到损坏。
IGBT在固定的门极电压下，其集电极电流随着UCE电压的增加，集电极电流存在一个明显的拐点。当IGBT电流上升到一定数值时，IGBT会发生退饱和现象，退饱和现象的标志是UCE电压会快速上升至输入电压，而IGBT电流则没有明显变化。
UCE电压在数值随着集电极电流的增大而增大，根据这一特性，可以通过检测UCE电压判断IGBT是否发生退饱和现象，进而判断IGBT是否过流。
然而，碳化硅MOSFET的输出特性与IGBT不同，碳化硅MOSFET没有退饱和现象，也没有明确的过流标志，针对如何在保证保护电路快速性的同时提高其抗干扰能力目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种过流保护电路和过流保护方法，以在保证保护电路快速性的同时提高电路的抗干扰能力。
一方面，提供了一种过流保护电路，包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，其中：
所述采样电路，输入端与所述被保护电路部件相连，输出端与所述比较电路的第一输入端相连；
所述比较电路，第一输入端与所述采样电路的输出端相连，第二输入端与预设比较值相连，输出端与所述信号处理电路相连；
所述信号处理电路，第一输入端与所述比较电路的输出端相连，第二输入端与驱动信号相连，输出端与所述驱动电路的输入端相连；
所述驱动电路，输入端与所述信号处理电路的输出端相连，输出端与所述被保护电路部件相连。
在一个实施方式中，所述采样电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一二极管、第二二极管和第一电容，其中：
所述第一二极管的第一端与所述被保护电路部件相连，第二端与第三电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与第二电阻的第一端、第一电阻的第一端、第一电容的第一端、第四电阻的第一端相连，第二电阻的第二端与第二二极管的第一端相连，第二二极管的第二端和所述第一电阻的第二端与所述信号处理电路的输出端相连，第一电容的第二端接地，第四电阻的第二端与第五电阻的第一端和所述比较电路的第一输入端相连，第五电阻的第二端接地。
在一个实施方式中，所述比较电路包括：比较器。
在一个实施方式中，所述信号处理电路包括：与门。
在一个实施方式中，所述驱动电路包括：第六电阻、第七电阻、第三二极管和第二电容，其中，所述第六电阻第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第六电阻的第二端与第二电容的第一端和所述被保护电路部件相连，所述第二电容的第二端接地，所述第七电阻的第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第七电阻的第二端与第三二极管的第一端相连，所述第三二极管的第二端与所述第二电容的第一端相连。
在一个实施方式中，所述被保护电路部件包括以下至少之一：碳化硅MOSFET、硅功率器件和氮化镓功率器件。
另一方面，提供了一种通过上述过流保护电路进行过流保护的方法，包括：
通过采样电路对被保护电路部件的电压进行采样，得到采样信号；
通过比较电路对所述采样信号进行过流判断；
在确定所述被保护电路部件出现过流现象的情况下，通过信号处理电路封锁驱动信号。
在一个实施方式中，通过比较电路对所述采样信号进行过流判断，包括：
将所述采样信号与所述预设比较值进行比较；
在所述采样信号高于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为高电平，在所述采用信号低于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为低电平，在所述输出信号由高电平变为低电平的情况下，确定所述被保护电路部件出现过流现象。
在一个实施方式中，在通过信号处理电路封锁驱动信号之后，所述方法还包括：
控制中央处理器停止输出驱动信号，其中，所述驱动信号为脉冲信号。
在一个实施方式中，上述过流保护方法还包括：通过调整第四电阻和第五电阻的比例关系调整过流保护值，或者通过调整预设比较值的大小调整过流保护值。
在上述实施例中，提供了一种过流保护电路和过流保护方法，包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，在确定被保护电路部件存在过流现象的情况下，封锁驱动信号，以实现对被保护电路部件的保护，实现了在保证保护电路快速性的同时提高电路的抗干扰能力。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的过流保护电路的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的过流保护方法的方法流程图；
图3是根据本发明实施例的过流保护电路的另一结构示意图；
图4是根据本发明实施例的过流保护电路的电路图；
图5是根据本发明实施例的过流保护电路的另一电路图；
图6是根据本发明实施例的过流保护电路的又一电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，提供了一种过流保护电路，如图1所示，可以包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，其中，采样电路，输入端与被保护电路部件相连，输出端与所述比较电路的第一输入端相连；比较电路，第一输入端与所述采样电路的输出端相连，第二输入端与预设比较值相连，输出端与所述信号处理电路相连；所述信号处理电路，第一输入端与所述比较电路的输出端相连，第二输入端与驱动信号相连，输出端与所述驱动电路的输入端相连；所述驱动电路，输入端与所述信号处理电路的输出端相连，输出端与所述被保护电路部件相连。
为了实现采样电路，可以通过第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一二极管、第二二极管和第一电容形成采样电路，其中：所述第一二极管的第一端与所述被保护电路部件相连，第二端与第三电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与第二电阻的第一端、第一电阻的第一端、第一电容的第一端、第四电阻的第一端相连，第二电阻的第二端与第二二极管的第一端相连，第二二极管的第二端和所述第一电阻的第二端与所述信号处理电路的输出端相连，第一电容的第二端接地，第四电阻的第二端与第五电阻的第一端和所述比较电路的第一输入端相连，第五电阻的第二端接地。
采样电路的功能是在信号为高电平时，检测被保护电路部件的电压(例如碳化硅MOSFDT的漏极和源极的电压值)，然后，将检测到的电压值输入到比较电路作为比较电路的输入。其中，比较电路可以是比较器，比较电路将给定信号与采样电路的输出信号进行比较，用于判断电路是否出现过流现象。
上述的信号处理电路可以是与门，该信号处理电路用于将比较电路的比较结果与脉冲信号进行比较，以确定是否发生过流现象，在确定出现过流现象的情况下，信号处理电路先于中央处理器封闭脉冲信号，关断被保护电路部件。中央处理器用于处理故障信号，停止发送脉冲信号。
为了实现对被保护电路部件的驱动，还设置有驱动电路，其中，该驱动电路可以包括：第六电阻、第七电阻、第三二极管和第二电容，其中，所述第六电阻第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第六电阻的第二端与第二电容的第一端和所述被保护电路部件相连，所述第二电容的第二端接地，所述第七电阻的第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第七电阻的第二端与第三二极管的第一端相连，所述第三二极管的第二端与所述第二电容的第一端相连。
上述被保护电路部件可以包括但不限于以下之一：碳化硅MOSFET、硅功率器件和氮化镓功率器件。
基于上述的过流保护电路，本例还提供了一种过流保护方法，如图2所示，可以包括如下步骤：
步骤201：通过采样电路对被保护电路部件的电压进行采样，得到采样信号；
步骤202：通过比较电路对所述采样信号进行过流判断；
步骤203：在确定所述被保护电路部件出现过流现象的情况下，通过信号处理电路封锁驱动信号。
上述步骤203通过比较电路对所述采样信号进行过流判断，可以包括：
S1：将采样信号与所述预设比较值进行比较；
S2：在所述采样信号高于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为高电平，在所述采用信号低于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为低电平，在所述输出信号由高电平变为低电平的情况下，确定所述被保护电路部件出现过流现象。
在进行过流保护的时候，先控制信号处理电路封锁驱动信号，然后就可以控制中央处理器停止输出驱动信号，其中，驱动信号可以是脉冲信号。
在过流保护的过程中，还可以通过调整第四电阻和第五电阻的比例关系调整过流保护值，或者通过调整预设比较值的大小调整过流保护值。
下面结合一个具体实施例对上述过流保护电路和方法进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本申请，并不构成对本申请的不当限定。
为了及时发现碳化硅MOSFET的过流现象，在本例中通过搭建模拟电路检测碳化硅MOSFET导通时的漏源极电压，判断碳化硅MOSFET是否出现过流现象，以达到过流保护的目的。
如图3所示，该过流保护电流可以包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、中央处理器以及驱动电路。
其中，采样电路的功能是在信号为高电平时，检测碳化硅MOSFET的漏极和源极的电压值，然后将检测到的漏极的电压值和源极的电压值作为采用电路的输出信号输入至比较器中。
比较电路将预先给定的信号与采样电路的输出信号信号相比较，从而判断电路是否出现过流现象，在确定出现过流现象的情况下，生成故障信号。
信号处理电路，在检测到故障信号的情况下，先于中央处理器封闭脉冲信号，关断碳化硅MOSFET；中央处理器在检测到故障信号的情况下，停止发送脉冲信号；驱动电路用于控制碳化硅MOSFET的开通和关断。
如图4所示，采样电路可以包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2、电容C1。比较电路包括：比较器U1组成，信号处理电路包括：与门U2；驱动电路包括：电阻R6、电阻R7、二极管D3、电容C2。
如图5所示，当驱动信号为高电平时，碳化硅MOSFET导通，同时高电平通过电阻R1给电容C1充电，图中的箭头指示方向为电流流动方向。
如图6所示，当驱动信号为低电平时，碳化硅MOSFET关断，电容C1上的电荷通过电阻R1和电阻R2放掉，图中的箭头指示方向为电流流动方向。
基于图3至6所示的过流保护电路，当PWM信号为高电平时，与门U2的输出为高电平，碳化硅MOSFET Q1导通，采样电路中的二极管D1正向导通，二极管D2反向截止，该高电平信号通过电阻R1给电容C1充电，其中，电阻R1和电容C1构成前沿消隐电路，能够防止开关管导通瞬间产生的干扰封闭脉冲信号，通过调节电阻R1和电容C1的大小可以设置前沿消隐的时间，直到电容C1的电压上升到VDS+VF1，其中，VDS为Q1导通时的漏极和源极的电压值，VDS＝RDS_ON*ID，VF1为二极管D1的正向导通压降。
当PWM信号为低电平时，与门U2输出为低电平，碳化硅MOSFET Q1关断，采样电路中二极管D1反向截止，二极管D2正向导通，电容C1上的电压经电阻R1和电阻R2并联放电，直到电容C1上的电压下降到VF2，其中，VF2为二极管D2的正向导通压降。
其中，电阻R4和电阻R5组成分压电路，通过对电容C1上的电压分压后即为采样电路的输出值VO1，VO1＝(RDS_ON*ID+VF1)*R5/(R4+R5)，通过调节电阻R4和电阻R5的比例关系，可改变VO1的大小，从而灵活可靠地设计过流保护值。
当采样电路完成对碳化硅MOSFET Q1的漏源极电压VDS的采样后，信号被送到比较电路进行过流判断。在比较电路中，采样电路的输出信号VO1与比较电路的基准值VREF进行比较，当VO1高于基准电压VREF时，比较电路的输出信号VO2为高电平；当VO1低于基准电压VREF时，比较电路的输出信号VO2为低电平。当比较电路的输出信号VO2由高电平变为低电平时，即表明碳化硅MOSFET Q1出现了过流现象，此时比较电路输出的低电平信号VO2会进入到信号处理电路，信号处理电路先响应故障信号，封锁脉冲，保护碳化硅MOSFET Q1，同时VO2会向中央处理器发送故障信号，中央处理器停止输出脉冲信号，达到过流保护的作用。
在本例中，保护电路可以用碳化硅MOSFET，也可以应用于硅功率器件和氮化镓功率等器件。在采样电路中，采用的是单独调整电阻R4和电阻R5的比例关系来调整过流保护值，同时也可以通过单独调整比较电路中的基准电压VREF来调整过流保护值，或同时调整两者达到调整过流保护值的目的。
在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。
在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。
从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：提供了一种过流保护电路和过流保护方法，包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，在确定被保护电路部件存在过流现象的情况下，封锁驱动信号，以实现对被保护电路部件的保护，实现了在保证保护电路快速性的同时提高电路的抗干扰能力。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种过流保护电路，其特征在于，包括：采样电路、比较电路、信号处理电路、驱动电路和被保护电路部件，其中：
所述采样电路，输入端与所述被保护电路部件相连，输出端与所述比较电路的第一输入端相连；
所述比较电路，第一输入端与所述采样电路的输出端相连，第二输入端与预设比较值相连，输出端与所述信号处理电路相连；
所述信号处理电路，第一输入端与所述比较电路的输出端相连，第二输入端与驱动信号相连，输出端与所述驱动电路的输入端相连；
所述驱动电路，输入端与所述信号处理电路的输出端相连，输出端与所述被保护电路部件相连；
所述采样电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一二极管、第二二极管和第一电容，其中：
所述第一二极管的第一端与所述被保护电路部件相连，第二端与第三电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与第二电阻的第一端、第一电阻的第一端、第一电容的第一端、第四电阻的第一端相连，第二电阻的第二端与第二二极管的第一端相连，第二二极管的第二端和所述第一电阻的第二端与所述信号处理电路的输出端相连，第一电容的第二端接地，第四电阻的第二端与第五电阻的第一端和所述比较电路的第一输入端相连，第五电阻的第二端接地。
2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述比较电路包括：比较器。
3.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述信号处理电路包括：与门。
4.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括：第六电阻、第七电阻、第三二极管和第二电容，其中，所述第六电阻第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第六电阻的第二端与第二电容的第一端和所述被保护电路部件相连，所述第二电容的第二端接地，所述第七电阻的第一端与所述信号处理电路的输出端相连，所述第七电阻的第二端与第三二极管的第一端相连，所述第三二极管的第二端与所述第二电容的第一端相连。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的过流保护电路，其特征在于，所述被保护电路部件包括以下至少之一：碳化硅MOSFET、硅功率器件和氮化镓功率器件。
6.一种通过权利要求1至5中任一项所述的过流保护电路进行过流保护的方法，其特征在于，包括：
通过采样电路对被保护电路部件的电压进行采样，得到采样信号；
通过比较电路对所述采样信号进行过流判断；
在确定所述被保护电路部件出现过流现象的情况下，通过信号处理电路封锁驱动信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过比较电路对所述采样信号进行过流判断，包括：
将所述采样信号与所述预设比较值进行比较；
在所述采样信号高于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为高电平，在所述采样 信号低于所述预设比较值的情况下，所述比较电路的输出信号为低电平，在所述输出信号由高电平变为低电平的情况下，确定所述被保护电路部件出现过流现象。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在通过信号处理电路封锁驱动信号之后，所述方法还包括：
控制中央处理器停止输出驱动信号，其中，所述驱动信号为脉冲信号。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：通过调整第四电阻和第五电阻的比例关系调整过流保护值，或者通过调整预设比较值的大小调整过流保护值。
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