CN108075443A - 高速晶体管短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速晶体管短路保护电路，该电路由过流检测模块、阈值比较模块、关断执行模块及脉冲放大模块连接组成。相比传统的短路保护电路，本发明的保护响应快(可在2微秒内)，从而能够不降额的使用这类短路时间裕量很小的MOSFET。

Description

高速晶体管短路保护电路

技术领域

本发明本申请涉及电力电子领域，特别涉及一种高速晶体管短路保护电路。

背景技术

随着节能环保深入人心，诸多新兴应用需要功率器件具备更高的转换效率以及更小的体积。这就对电力电子器件提出了高频率、低损耗的新要求。而实现高频率、低损耗往往会带来一些其他性能的降低。例如，有些MOSFET在实现高频率、低损耗的同时降低了其短路时间裕量(小于2微秒)，这就对其短路保护电路提出了新的要求。因此，保护电路的设计就成为实现高速低响应延迟的重要一环。首先，整个电路的各个环节延时要尽可能短，这些环节主要包括过流检测、阈值比较、关断执行；其次，需要考虑较快的关断动作时，对MOSFET带来的负面影响，需采取措施减小这些负面影响。

以往在使用这类MOSFET时，往往对其采取了降额使用的方式，例如，原本可用于电流300A的场合，现仅用于电流150A的场合，以换取MOSFET在短路时有更长的耐受时间(短路时间裕量)。

目前的MOSFET短路保护电路响应时间多在6微秒以上，国内外尚未见到能应对2微秒短路时间裕量的MOSFET的短路保护电路研究成果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对于短路时间裕量很小(2微秒内)的MOSFET目前缺少合适的保护电路。本发明提供一种高速晶体管短路保护电路，它可以在2微秒内动作并保护MOSFET短路情况。而原来需通过MOSFET降额使用的方式，本发明可不必再降额使用，节省了MOSFET的功率，从而降低了成本。

为解决上述技术问题，本发明的高速MOSFET短路保护电路，包括被保护的第一晶体管，其特征在于，还包括过流检测模块、阈值比较模块，关断执行模块以及脉冲放大模块，其中，所述过流检测模块连接第一晶体管的源极或漏极，用于电流采样，所述过流检测模块输出采样信号至所述阈值比较模块，所述阈值比较模块当收到采样信号时输出比较信号至所述关断执行模块，所述关断执行模块当收到比较信号时输出开关信号至脉冲放大模块。

优选地，当采样信号高于或低于一个预定阈值时所述阈值比较模块输出比较信号；所述关断执行模块收到阈值比较模块提供的有效信号时开通；所述脉冲放大模块用于将100mA以内的脉冲小电流转换为1A以上的大电流、高速脉冲信号。

优选地，所述第一晶体管为MOSFET或IGBT。

优选地，所述过流检测模块包括：

第二MOSFET，所述第二MOSFET的栅极与第一晶体管的栅极连接，所述第二MOSFET的漏极与第一晶体管的漏极连接；

第一电阻，所述第一电阻的一端接地，另一端接所述第二MOSFET的源极；

所述第一电阻与第二MOSFET的连接处连接过流检测模块的输出端。

优选地，流过该第二MOSFET的电流与第一晶体管的关系以第二MOSFET的电流比第一晶体管的电流等于第二MOSFET的的硅片长宽比再比上第一晶体管的硅片长宽比的倒数实现。

优选地，所述阈值比较模块包括：

第三MOSFET，该第三MOSFET的栅极连接阈值比较模块的输入端，该第三MOSFET的源极连接地；

第二三极管，该第二三极管为PNP型，该第二三极管的集电极连接阈值比较模块的输出端；

第二电阻，该第二电阻一端连接所述第三MOSFET的漏极，另一端连接电源和第二三极管的发射极；

第三电阻，该第三电阻一端连接所述第三MOSFET的漏极，另一端连接第二三极管的基极；

第四电阻，该第四电阻一端连接所述第二三极管的集电极，另一端连接地。

优选地，所述关断执行模块包括：

反相器，包括输入端及输出端；

第三三极管，该第三三极管为NPN型，所述第三三极管的基极连接所述关断执行模块的输入端，所述第三三极管的发射极连接地；所述第三三极管的集电极连接所述反相器的输入端；

第四三极管，该第四三极管为NPN型，该第四三极管的基极连接该反相器的输出端，该第四三极管的发射极接地；

第一二极管，该第一二极管的负极连接所述第三三极管的集电极；

第二二极管，第二二极管的负极连接所述第四三极管的集电极，该第二二极管的正极连接关断执行模块的第二输出端；

第五电阻，该第五电阻的一端连接第一二极管的正极，该第五电阻的另一端连接关断执行模块的第一输出端。

优选地，所述关断执行模块中，在所述第三三极管的集电极和所述反相器的输入端之间连接有滤波电路。

优选地，所述滤波电路包括：

第一电容，该第一电容的第一端接地，第二端连接所述第三三极管的集电极；

第六电阻，该第六电阻的一端连接所述电容的第二端，另一端连接所述反相器的输入端。

优选地，所述脉冲放大模块包括：

第一输入端，其与关断执行模块的第一输出端连接，同时该第一输入端与第一MOSFET的栅极连接；

第二输入端，其与关断执行模块的第二输出端连接；

第五三极管，该第五三极管为NPN型，该第五三极管的集电极连接正偏压电源，该第五三极管的基极连接所述脉冲放大模块第二输入端；

第六三极管，该第六三极管为PNP型，该第六三极管的集电极连接负偏压电源，该第六三极管的基极连接所述脉冲放大模块第二输入端；

第七电阻，该第七电阻的一端连接所述脉冲放大模块的第一输入端，该第七电阻的另一端连接第五三极管和第六三极管的发射极。

本发明的高速MOSFET短路保护电路的有益效果是，其响应速度小于2微秒。

其中，过流检测模块检测到的电流与通过MOSFET(M1)的电流同步，这一模块几乎没有延时；阈值比较模块通过三极管TR1的基极开通电压控制动作，超出VBE开通阈值即开通TR1，TR1开通后TR2随即开通，这一模块的延时即TR1与TR2的开通延时之和，这个数值在纳秒级；关断执行模块中的TR3在收到阈值比较模块提供的保护输出信号后开通，TR3开通后MOSFET(M1)的栅极电压即得到抑制，流过MOSFET(M1)的短路电流抑制在几微秒内不会烧毁MOSFET(M1)的水平上。截至这一阶段，保护回路总体延时在100纳秒以内。同时再通过反相器U1与TR4彻底关断MOSFET(M1)的栅极信号，这一过程延时在200纳秒作用。脉冲放大模块的关断整体延时即TR6的开通延时，这一过程延时也在纳秒极。最后MOSFET(M1)本身关断延时也在1微秒内。综上，本发明的保护电路延时在1.5微秒内。

并且TR3动作延时更是在100纳秒以内，而TR3动作后MOSFET(M1)的保护延时已经被一定程度的拉长。

本发明使用的电路的关断执行模块中的软关断电路是常用的电路，但其通常用于提供两级或多级的关断步骤，逐步降低关断电压，使MOSFET关断时的dv/dt不会太大而引起MOSFET损坏。而本发明中此处的软关断电路主要为了限制短路时的短路电流，从而使得MOSFET能承受更长时间的短路。

本发明也可应用于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的短路保护，同样，可以将短路保护响应速度控制在2微秒之内。

采用本发明保护电路的功率器件可无需降额使用。本发明中提到的降额主要指功率降额。功率降额使用指晶体管在使用时，实际的功率低于器件的额定值使用。

之前方案不得不采取功率降额的原因如下：晶体管的短路裕量中的两个因素，短路电流裕量和短路时间裕量是一对反比关系的因素。当短路电流越小时，短路能耐受时间越长。一般晶体管模块标称的短路电流裕量均在额定电流的6～10倍之间(与晶体管类型有关，IGBT均在10倍左右，MOSFET均在6倍以上)。在应用标称的短路时间裕量特别小的晶体管时，不得不将应用场合的电流限制在更小的范围中，以换取在短路时晶体管流过的电流更小，从而在一定程度上提高短路能耐受的时间(即短路时间裕量)。

例如，原本晶体管可应用于电流300A的场合，现仅应用于电流150A的场合，以换取晶体管在短路时有更长的耐受时间。

附图说明

图1是本发明的实施例1的功能框图；

图2是图1的过流检测模块优选电路；

图3是图1的阈值比较模块优选电路；

图4是图1的关断执行模块优选电路1；

图5是图1的关断执行模块优选电路2；

图6是图1的脉冲放大模块优选电路；

图7是图1的软关断电路部分(在关断执行模块优选电路中)；

图8是本发明的实施例3的功能框图；

图中附图标记说明如下：

1：过流检测模块

2：阈值比较模块

3：关断执行模块

4：脉冲放大模块

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图及具体实施例，详述如下：

实施例一对超小短路时间裕量型MOSFET进行短路保护

如图1～6所示，本实施例的高速MOSFET短路保护电路，对超小短路时间裕量型MOSFET进行短路保护，该电路分为以下四个部分，由过流检测模块、阈值比较模块、关断执行模块及脉冲放大模块连接组成(图1)；

所述过流检测模块(图2)由被保护的MOSFET(M1)的分流MOSFET(M2)以及电阻R1连接组成。该电阻R1有一个输出端，并且连接地。其中该模块的输出端连接阈值比较模块的输入端。

MOSFET(M1)与MOSFET(M2)均有栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。所述分流MOSFET(M2)与MOSFET(M1)的宽长比为M：1，则流过M2的电流是M1的1/M；MOSFET(M2)的栅极与MOSFET(M1)的栅极连接，这两个MOSFET同时开通、关断；MOSFET(M2)的漏极与MOSFET(M1)的漏极连接，这两个MOSFET开通后电流同时流过这两个MOSFET；电阻R1一端接地，另一端接M2，则流过M2的电流同时流过R1；电阻R1与M2连接的这点为过流检测模块的输出端，检测电阻R1输出端的电压即可获得流过MOSFET(M2)的电流，进而通过比例M获得流过MOSFET(M1)的电流。

采用分流MOSFET(M2)连接电阻R1的检测方式相比直接采用MOSFET(M1)连接电阻的检测方式可提高电流的检测范围。

所述阈值比较模块(图3)由MOSFET(M3)、PNP三极管TR2以及电阻R2、R3、R4连接组成。该模块有一个输入端、一个输出端，同时连接+VGE电源和地。其中输入端连接过流检测模块的输出端；输出端连接关断执行模块的输入端。

MOSFET(M3)有栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。PNP三极管TR2有基极(B)、集电极(C)、发射极(E)。

阈值比较模块的输入端连接MOSFET(M3)的栅极；MOSFET(M3)的源极连接地；MOSFET(M3)的漏极同时连接到电阻R2的一端与电阻R3的一端；电阻R2的另一端连接电源+VGE和PNP三极管的发射极；电阻R3的另一端连接PNP三极管的基极；PNP三极管的集电极连接阈值比较模块的输出端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接地。

所述阈值比较模块中采用MOSFET(M3)的开通阈值电压作为短路保护的动作电压，避免传统采用比较器而带来的额外延时。

所述关断执行模块(图4)由反相器U1、NPN三极管TR3、TR4、二极管D1、D2和电阻R5连接组成。该模块有一个输入端、两个输出端，并且连接地。其中输入端连接阈值比较模块的输出端；输出端OUT1连接脉冲放大模块的输入端IN1、输出端0UT2连接脉冲放大模块的输入端IN2。

NPN三极管TR3、TR4有基极(B)、集电极(C)、发射极(E)。二极管D1、D2有正极、负极。

关断执行模块的输入端连接NPN三极管TR3的基极；NPN三极管TR3的发射极连接地；NPN三极管TR3的集电极同时连接二极管D1的负极和反相器U1的输入端；二极管D1的正极连接电阻R5的一端；电阻R5的另一端连接关断执行模块的输出端OUT1；反相器U1的输出端连接NPN三极管TR4的基极；三极管TR4的发射极连接地；三极管TR4的集电极连接二极管D2的负极；二极管D2的正极连接关断执行模块的输出端0UT2。

在本实施例中，所述关断执行模块中的部分电路为常用的软关断电路，参见图7。

软关断电路传统用于提供两级或多级的关断步骤，逐步降低关断电压，降低MOSFET关断时的dv/dt而使MOSFET更不易损坏。而本发明中采用的软关断电路主要为了限制MOSFET短路时的短路电流，从而使得MOSFET能承受更长时间的短路。

所述脉冲放大模块(图6)由NPN三极管TR5、PNP三极管TR6、电阻R7连接组成。该模块有三个输入端、一个输出端，同时连接电源+VGE和-VGE。其中输入端IN1连接关断执行模块的输出端OUT1；输入端IN2连接关断执行模块的输出端OUT2。

NPN三极管TR5、PNP三极管TR6有基极(B)、集电极(C)、发射极(E)。

脉冲放大模块的输入端IN1同时连接电阻R7的一端和MOSFET(M1)的栅极；电阻R7连接NPN三极管TR5和PNP三极管TR6的发射极；NPN三极管TR5的集电极连接电源+VGE；PNP三极管TR6的集电极连接电源-VGE；脉冲放大模块的输入端IN2同时连接NPN三极管TR5和PNP三极管TR6的基极，并且同时输入脉冲开关信号。

实施例二

本发明的另一个实施例的高速MOSFET短路保护电路也由过流检测模块、阈值比较模块、关断执行模块及脉冲放大模块连接组成，其中的关断执行模块如图5所示。该模块与实施例一的区别在于，在实施例一的模块的基础上增加了滤波电路，所述滤波电路由电容C1及电阻R6组成。其中，电容C1的一端接地，另一端连接NPN三极管TR3的集电极(C)和电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接所述反相器U1的输入端。

经过滤波电路后，减小了脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得平滑。减小了外界干扰引起短路保护误动作的可能性。

实施例三

如图8所示，本发明的另一个实施例的高速IGBT(绝缘栅双极型晶体管)晶体管短路保护电路也由过流检测模块、阈值比较模块、关断执行模块及脉冲放大模块连接组成。当实施在IGBT晶体管短路保护电路时，其中的过流检测模块中的分流MOSFET提供的电流与被保护的IGBT有同趋势的关系，可通过多次试验拟合出两者电流关系的近似曲线。通过这条曲线可以大概的设定被保护的IGBT的过流阈值。

其他部分与实施例一类似。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速晶体管短路保护电路，包括被保护的第一晶体管，其特征在于，还包括过流检测模块、阈值比较模块，关断执行模块以及脉冲放大模块，其中，

所述过流检测模块连接第一晶体管的源极或漏极，用于电流采样，

所述过流检测模块输出采样信号至所述阈值比较模块，所述阈值比较模块当收到采样信号时输出比较信号至所述关断执行模块，所述关断执行模块当收到比较信号时输出开关信号至脉冲放大模块。

2.如权利要求1所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，

当采样信号高于或低于一个预定阈值时所述阈值比较模块输出比较信号；

所述关断执行模块收到阈值比较模块提供的有效信号时开通；

所述脉冲放大模块用于将100mA以内的脉冲小电流转换为1A以上的大电流、高速脉冲信号。

3.如权利要求2所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述第一晶体管为MOSFET或IGBT。

4.如权利要求3所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述过流检测模块包括：

第二MOSFET，所述第二MOSFET的栅极与第一晶体管的栅极连接，所述第二MOSFET的漏极与第一晶体管的漏极连接；

第一电阻，所述第一电阻的一端接地，另一端接所述第二MOSFET的源极；

所述第一电阻与第二MOSFET的连接处连接过流检测模块的输出端。

5.如权利要求4所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，流过该第二MOSFET的电流与第一晶体管的关系以第二MOSFET的电流比第一晶体管的电流等于第二MOSFET的的硅片长宽比再比上第一晶体管的硅片长宽比的倒数实现。

6.如权利要求3所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述阈值比较模块包括：

第三MOSFET，该第三MOSFET的栅极连接阈值比较模块的输入端，该第三MOSFET的源极连接地；

第二三极管，该第二三极管为PNP型，该第二三极管的集电极连接阈值比较模块的输出端；

第二电阻，该第二电阻一端连接所述第三MOSFET的漏极，另一端连接电源和第二三极管的发射极；

第三电阻，该第三电阻一端连接所述第三MOSFET的漏极，另一端连接第二三极管的基极；

第四电阻，该第四电阻一端连接所述第二三极管的集电极，另一端连接地。

7.如权利要求3所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述关断执行模块包括：

反相器，包括输入端及输出端；

第三三极管，该第三三极管为NPN型，所述第三三极管的基极连接所述关断执行模块的输入端，所述第三三极管的发射极连接地；所述第三三极管的集电极连接所述反相器的输入端；

第四三极管，该第四三极管为NPN型，该第四三极管的基极连接该反相器的输出端，该第四三极管的发射极接地；

第一二极管，该第一二极管的负极连接所述第三三极管的集电极；

第二二极管，第二二极管的负极连接所述第四三极管的集电极，该第二二极管的正极连接关断执行模块的第二输出端；

第五电阻，该第五电阻的一端连接第一二极管的正极，该第五电阻的另一端连接关断执行模块的第一输出端。

8.如权利要求7所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述关断执行模块中，在所述第三三极管的集电极和所述反相器的输入端之间连接有滤波电路。

9.如权利要求8所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述滤波电路包括：

第一电容，该第一电容的第一端接地，第二端连接所述第三三极管的集电极；

第六电阻，该第六电阻的一端连接所述电容的第二端，另一端连接所述反相器的输入端。

10.如权利要求3所述的高速晶体管短路保护电路，其特征在于，所述脉冲放大模块包括：

第一输入端，其与关断执行模块的第一输出端连接，同时该第一输入端与第一MOSFET的栅极连接；

第二输入端，其与关断执行模块的第二输出端连接；

第五三极管，该第五三极管为NPN型，该第五三极管的集电极连接正偏压电源，该第五三极管的基极连接所述脉冲放大模块第二输入端；

第六三极管，该第六三极管为PNP型，该第六三极管的集电极连接负偏压电源，该第六三极管的基极连接所述脉冲放大模块第二输入端；

第七电阻，该第七电阻的一端连接所述脉冲放大模块的第一输入端，该第七电阻的另一端连接第五三极管和第六三极管的发射极。