CN107394753A - 一种用于功率器件的软关断保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功率器件的软关断保护电路及方法，其中，软关断保护电路包括：DSP控制电路、与功率器件和DSP控制电路连接的过流检测电路。过流检测电路还连接有延时关断电路，延时关断电路内设有第一电容，第一电容连接功率器件的控制端。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号，延时关断电路导通给第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。本发明能有效避免直接关断功率器件造成的过电压损坏。

Description

一种用于功率器件的软关断保护电路及方法

技术领域

本发明涉及功率器件的保护电路技术领域，尤其涉及一种用于功率器件的软关断保护电路及方法。

背景技术

功率器件主要用于电子电力的开关、功率转换、功率放大、线路保护等，是在电力控制电路和电源开关电路中必不可少的电子元器件。常见的功率器件有：大功率晶体管、晶闸管、双向晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT等。

以IGBT为例，其由驱动电路保证IGBT安全可靠的工作，IGBT工作在高频导通和关断的状态会有较大的di/dt，线路中的杂散电感可以减少但不能避免。因此，当IGBT突然关断时，电感中储存的能量将以L*di/dt释放出来，造成IGBT过电压。传统的关断技术中，当IGBT出现过流时，通常将过流信号发送到DSP控制电路中进行处理，DSP控制电路包含DSP芯片和驱动电路，DSP芯片控制驱动电路输出低电平到IGBT的栅极完成关断，这种直接关断IGBT的方式会造成IGBT过压损坏。

因此，如何设计一种能有效避免直接关断造成功率器件过电压损坏的软关断保护电路及方法是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种用于功率器件的软关断保护电路及方法，该软关断保护电路在功率器件发生过流时，可以快速降低功率器件的控制端电压，实现对功率器件的软关断保护。

本发明采用的技术方案是，设计一种用于功率器件的软关断保护电路，包括：DSP控制电路、与功率器件和DSP控制电路连接的过流检测电路。

过流检测电路还连接有延时关断电路，延时关断电路内设有第一电容，第一电容连接功率器件的控制端。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号，延时关断电路导通给第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。

优选的，延时关断电路包括：第一NPN三极管、第一电阻、第二电阻及第一电容，第一NPN三极管的集电极串联第一电阻、发射极接地，第一电容的第一端连接外部电源、第二端连接第一电阻，第二电阻与第一电容并联，第一电容的第二端连接功率器件的控制端。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，第一NPN三极管被触发导通，外部电源给第一电容充电以逐渐降低功率器件的控制端电压。

优选的，延时关断电路还包括：第一二极管，第一二极管的负极连接外部电源、正极连接在第一电容的第二端上。

优选的，过流检测电路与延时关断电路之间连接有触发自恢复电路。延时关断电路还包括：第二电容、第三电阻及反相器，第二电容的第一端连接第一NPN三极管的基极、第二端接地，第三电阻的第一端连接第一NPN三极管的基极，反相器连接在第三电阻的第二端和触发自恢复电路之间。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，触发自恢复电路向反相器输入低电平触发第一NPN三极管导通，触发自恢复电路随后恢复初始状态，向反相器输入高电平，第一NPN三极管通过第二电容放电维持导通。

优选的，触发自恢复电路包括：555定时器，555定时器的RS引脚连接有RS电路、TR引脚连接有TR电路、THR引脚连接过流检测电路、DIS引脚连接反相器，TR引脚通过TR电路与555定时器的OUT引脚关联。RS电路在555定时器初始状态时将RS引脚置1，过流检测电路在检测到功率器件发生过流时拉高THR引脚。

其中，RS电路包括：PNP三极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容及第二二极管，PNP三极管的基极串联第五电阻连接外部电源，第三电容的一端连接外部电源、另一端接地、第二二极管的正极接地、负极连接PNP三极管的基极，第六电阻的一端连接外部电源、另一端连接PNP三极管的发射极，第七电阻的一端连接PNP三极管的发射极、另一端接地，第八电阻的一端连接RS引脚、另一端接地。

TR电路包括：第二NPN三极管、第九电阻、第十电阻、第十一电阻及第四电容，第二NPN三极管的集电极串联第九电阻连接外部电源、基极串联第十电阻连接OUT引脚、发射极连接TR引脚，第十一电阻的一端连接第二NPN三极管的发射极、另一端接地，第四电容的一端连接第二NPN三极管的发射极、另一端接地。

优选的，过流检测电路包括：与功率器件连接的传感器、与传感器连接的比较器，比较器内设有预设值，比较器将传感器的检测值与预设值比较，当检测值超过预设值时，比较器向DSP控制电路及触发自恢复电路输出控制信号。

传感器为电流互感器或电压互感器，当检测值超过预设值时向DSP控制电路输出控制信号、向THR引脚输出高电平。

本发明还提出一种用于功率器件的软关断保护方法，包括以下步骤：

步骤1、过流检测电路实时检测功率器件是否发生过流，当功率器件未发生过流时，过流检测电路继续检测，当功率器件发生过流时，进行步骤2；

步骤2、过流检测电路向DSP控制电路和延时关断电路发送控制信号；

步骤3、DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号，延时关断电路导通给与功率器件的控制端连接的第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。

优选的，步骤2中过流检测电路通过触发自恢复电路控制延时关断电路，触发自恢复电路接收过流检测电路的控制信号，向延时关断电路内控制第一电容充电的第一NPN三极管输入导通电平。步骤3中第一NPN三极管导通给第一电容充电，随后触发自恢复电路恢复初始状态，向第一NPN三极管输入断开电平，延时关断电路通过与第一NPN三极管连接的第二电容放电维持第一NPN三极管导通。

与现有技术相比，本发明具备以下优点：

1、延时关断电路通过给第一电容充电实现功率器件的软关断，避免传统直接关断造成的过压损坏；

2、通过调节第一电阻和第一电容的值可控制第一电容的充电时间和速度，电路的软关断时间可控；

3、通过调节第一二极管的值可控制功率器件的控制端电压最小值；

4、过流检测电路通过触发自恢复电路控制延时关断电路，触发自恢复电路采用555定时器，不仅能实现对功率器件的软关断保护，还具有自恢复性；

5、通过改变555定时器的CV引脚的电压值，可以调节定时器内部比较器的阈值电压，抬升其比较电压可提高可靠性和抗干扰能力。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明中软关断保护电路的连接框图；

图2是本发明中延时关断电路的连接示意图；

图3是本发明中触发自恢复电路的连接示意图；

图4是本发明中过流检测电路的连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明了提出一种软关断保护电路，包括：DSP控制电路、过流检测电路及延时关断电路。过流检测电路与功率器件和DSP控制电路连接，用于检测功率器件是否发生过流，并在功率器件发生过流时向DSP控制电路输出控制信号。

DSP控制电路包含DSP芯片和与DSP芯片连接的驱动电路，DSP芯片通过驱动电路控制功率器件的通断，当DSP芯片未接收到过流检测电路发出的控制信号时，DSP芯片控制驱动电路输出高电平到功率器件的控制端保持其正常工作；当DSP芯片接收到过流检测电路发出的控制信号时，DSP芯片控制驱动电路输出低电平到功率器件的控制端准备关断功率器件。

延时关断电路与过流检测电路连接，延时关断电路内设有第一电容C1，第一电容C1连接功率器件的控制端。当过流检测电路检测到功率器件发生过流时，过流检测电路向延时关断电路发送控制信号，延时关断电路被触发导通给第一电容C1充电，充电过程中将功率器件的控制端电压逐渐降下来，避免功率器件直接关断。

具体来说，如图2所示，延时关断电路包括：第一NPN三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2及第一电容C1，第一NPN三极管Q1的集电极串联第一电阻R1、发射极接地，第一电容C1的第一端连接外部电源、第二端连接第一电阻R1，第二电阻R2与第一电容C1并联，第一电容C1的第二端连接功率器件的控制端。当过流检测电路检测到功率器件发生过流时，第一NPN三极管Q1被触发导通，外部电源通过第一电阻R1给第一电容C1充电，充电过程中第一电容C1的第一端电压逐渐升高、第二端电压逐渐降低，当第二端电压降低到功率器件的关断值时，功率器件被关断。在这过程中，第一电容C1的充电时间和速度可通过调节第一电容C1和第一电阻R1的值来控制，从而使得功率器件的软关断时间可控。

较优的，延时关断电路还包括：第一二极管ZD1，第一二极管ZD1的负极连接外部电源、正极连接在第一电容C1的第二端上，通过第一二极管ZD1钳制功率器件的控制端电压最小值的作用，调节第一二极管ZD1的值可以调节功率器件的控制端电压最小值。

进一步的，如图1所示，过流检测电路与延时关断电路之间连接有触发自恢复电路。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，过流检测电路向触发自恢复电路发送控制信号，通过触发自恢复电路触发延时关断电路导通。

其中，如图2、3所示，延时关断电路还包括连接在触发自恢复电路和第一NPN三极管Q1之间的中间电路，中间电路由第二电容C2、第三电阻R3及反相器U1构成，第二电容C2的第一端连接第一NPN三极管Q1的基极、第二端接地，第三电阻R3的第一端连接第一NPN三极管Q1的基极，反相器U1连接在第三电阻R3的第二端和触发自恢复电路之间，反相器U1通过VCC供电。过流检测电路检测到功率器件发生过流时，触发自恢复电路向反相器U1输入低电平触发第一NPN三极管Q1导通，触发自恢复电路随后恢复初始状态，向反相器U1输入高电平，第一NPN三极管Q1通过第二电容C2放电维持导通，第一NPN三极管Q1的导通时间通过第二电容C2的放电时间控制。

较优的，如图3所示，触发自恢复电路包括：555定时器U2，555定时器U2的RS引脚连接有RS电路、TR引脚连接有TR电路、THR引脚连接过流检测电路、DIS引脚连接反相器U1，TR引脚通过TR电路与555定时器U2的OUT引脚关联。RS电路在555定时器U1初始状态时将RS引脚置1，过流检测电路在检测到功率器件发生过流时拉高THR引脚。其中，CV引脚为555定时器U2的控制引脚，通过改变CV引脚的电压值，可以调节定时器内部比较器的阀值电压，抬升其比较电压可提供可靠性和抗干扰能力。

其中，RS电路包括：PNP三极管Q2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三电容C3及第二二极管ZD2，PNP三极管Q2的基极串联第五电阻R5连接外部电源，第三电容C3的一端连接外部电源、另一端接地、第二二极管ZD2的正极接地、负极连接PNP三极管Q2的基极，第六电阻R6的一端连接外部电源、另一端连接PNP三极管Q2的发射极，第七电阻R7的一端连接PNP三极管Q2的发射极、另一端接地，第八电阻R8的一端连接RS引脚、另一端接地。

TR电路包括：第二NPN三极管Q3、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11及第四电容C4，第二NPN三极管Q3的集电极串联第九电阻R9连接外部电源、基极串联第十电阻R10连接OUT引脚、发射极连接TR引脚，第十一电阻R11的一端连接第二NPN三极管Q3的发射极、另一端接地，第四电容C4的一端连接第二NPN三极管Q3的发射极、另一端接地。

触发自恢复电路的具体运行过程如下，当555定时器U2上电时，通过RS电路中的PNP三极管Q2将RS引脚置1，保持555定时器U2可输出状态，由于555定时器U2在初始状态时，TR引脚及THR引脚均为低电平、通过555定时器内部比较电路，OUT引脚为高电平，由于OUT引脚为高电平，此时TR电路中的第二NPN三极管Q3导通，TR引脚变成高电平，555定时器内部比较器此时都为0，因此OUT引脚保持高电平，DIS引脚也为高电平，延时关断电路关闭。当过流检测电路检测到功率器件发生过流时，过流检测电路向THR引脚输出高电平，此时555定时器被置0，OUT引脚为低电平，DIS引脚为高电平，延时关断电路导通，由于OUT引脚为低电平，TR引脚被拉为低电平，此时555定时器被置1，OUT引脚输出高电平，DIS引脚也为高电平，555定时器U2恢复到初始状态，延时关断电路关闭。本发明利用定时器的特性，使得软关断保护电路具有自恢复功能。

如图4所示，过流检测电路包括：与功率器件连接的传感器、与传感器连接的比较器U3，比较器U3内设有预设值，比较器U3将传感器的检测值与预设值比较，当检测值超过预设值时，比较器U3向DSP控制电路输出控制信号，向THR引脚输出高电平。过流检测有两种方式，一种是传感器为电流互感器，通过检测功率器件的电流，当检测值超过预设电流值时，判断功率器件发生过流；另一种是传感器为电压互感器，通过检测功率器件的Uce电压，由于Uce电压会随着集电极的电流增大而增大，当检测值超过预设电压值时，判断功率器件发生过流。

本发明还提出一种用于功率器件的软关断保护方法，包括以下步骤：

步骤1、过流检测电路实时检测功率器件是否发生过流，当功率器件未发生过流时，过流检测电路继续检测，当功率器件发生过流时，进行步骤2；

步骤2、过流检测电路向DSP控制电路和延时关断电路发送控制信号；

步骤3、DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号，延时关断电路导通给与功率器件的控制端连接的第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。

较优的，步骤2中过流检测电路通过触发自恢复电路控制延时关断电路，触发自恢复电路接收过流检测电路的控制信号，向延时关断电路内控制第一电容充电的第一NPN三极管输入导通电平。步骤3中第一NPN三极管导通给第一电容充电，随后触发自恢复电路恢复初始状态，向第一NPN三极管输入断开电平，延时关断电路通过与第一NPN三极管连接的第二电容放电维持第一NPN三极管导通。

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，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 (10)

1.一种用于功率器件的软关断保护电路，包括：DSP控制电路、与功率器件和所述DSP控制电路连接的过流检测电路，所述过流检测电路检测到功率器件发生过流时，所述DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号；

其特征在于，所述过流检测电路还连接有延时关断电路，所述延时关断电路内设有第一电容，所述第一电容连接功率器件的控制端；

所述过流检测电路检测到功率器件发生过流时，所述延时关断电路导通给第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。

2.如权利要求1所述的软关断保护电路，其特征在于，所述延时关断电路包括：第一NPN三极管、第一电阻、第二电阻及所述第一电容，所述第一NPN三极管的集电极串联第一电阻、发射极接地，所述第一电容的第一端连接外部电源、第二端连接所述第一电阻，所述第二电阻与所述第一电容并联，所述第一电容的第二端连接功率器件的控制端；

所述过流检测电路检测到功率器件发生过流时，所述第一NPN三极管被触发导通，外部电源给所述第一电容充电以逐渐降低功率器件的控制端电压。

3.如权利要求2所述的软关断保护电路，其特征在于，所述延时关断电路还包括：第一二极管，所述第一二极管的负极连接外部电源、正极连接在所述第一电容的第二端上。

4.如权利要求2或3所述的软关断保护电路，其特征在于，所述过流检测电路与所述延时关断电路之间连接有触发自恢复电路；

所述延时关断电路还包括：第二电容、第三电阻及反相器，所述第二电容的第一端连接所述第一NPN三极管的基极、第二端接地，所述第三电阻的第一端连接所述第一NPN三极管的基极，所述反相器连接在所述第三电阻的第二端和触发自恢复电路之间；

所述过流检测电路检测到功率器件发生过流时，所述触发自恢复电路向反相器输入低电平触发第一NPN三极管导通，所述触发自恢复电路随后恢复初始状态，向反相器输入高电平，所述第一NPN三极管通过第二电容放电维持导通。

5.如权利要求4所述的软关断保护电路，其特征在于，所述触发自恢复电路包括：555定时器，所述555定时器的RS引脚连接有RS电路、TR引脚连接有TR电路、THR引脚连接所述过流检测电路、DIS引脚连接所述反相器，所述TR引脚通过TR电路与所述555定时器的OUT引脚关联；

所述RS电路在555定时器初始状态时将RS引脚置1，所述过流检测电路在检测到功率器件发生过流时拉高THR引脚。

6.如权利要求5所述的软关断保护电路，其特征在于，所述RS电路包括：PNP三极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第三电容及第二二极管，所述PNP三极管的基极串联第五电阻连接外部电源，第三电容的一端连接外部电源、另一端接地、第二二极管的正极接地、负极连接PNP三极管的基极，所述第六电阻的一端连接外部电源、另一端连接PNP三极管的发射极，所述第七电阻的一端连接PNP三极管的发射极、另一端接地，所述第八电阻的一端连接RS引脚、另一端接地；

所述TR电路包括：第二NPN三极管、第九电阻、第十电阻、第十一电阻及第四电容，所述第二NPN三极管的集电极串联第九电阻连接外部电源、基极串联第十电阻连接OUT引脚、发射极连接TR引脚，所述第十一电阻的一端连接第二NPN三极管的发射极、另一端接地，所述第四电容的一端连接第二NPN三极管的发射极、另一端接地。

7.如权利要求5或6所述的软关断电路，其特征在于，所述过流检测电路包括：与功率器件连接的传感器、与所述传感器连接的比较器，所述比较器内设有预设值，所述比较器将所述传感器的检测值与预设值比较，当检测值超过预设值时向所述DSP控制电路及触发自恢复电路输出控制信号。

8.如权利要求7所述的软关断保护电路，其特征在于，所述传感器为电流互感器或电压互感器，当检测值超过预设值时，比较器向所述DSP控制电路输出控制信号、向THR引脚输出高电平。

9.一种用于功率器件的软关断保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、过流检测电路实时检测功率器件是否发生过流，当功率器件未发生过流时，过流检测电路继续检测，当功率器件发生过流时，进行步骤2；

步骤2、过流检测电路向DSP控制电路和延时关断电路发送控制信号；

步骤3、所述DSP控制电路向功率器件的控制端发送关断信号，所述延时关断电路导通给与功率器件的控制端连接的第一电容充电，以控制功率器件的控制端电压延时下降。

10.如权利要求9所述的软关断保护方法，其特征在于，所述步骤2中过流检测电路通过触发自恢复电路控制延时关断电路，所述触发自恢复电路接收过流检测电路的控制信号，向延时关断电路内控制第一电容充电的第一NPN三极管输入导通电平；

步骤3中第一NPN三极管导通给第一电容充电，随后触发自恢复电路恢复初始状态，向第一NPN三极管输入断开电平，所述延时关断电路通过与所述第一NPN三极管连接的第二电容放电维持第一NPN三极管导通。