CN109888739B - 一种用于驱动桥mosfet短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于驱动桥MOSFET短路保护电路，包括有源钳位电路和栅极控制电路，所述有源钳位电路用于检测驱动桥MOSFET的源极过电压，并根据驱动桥MOSFET的源极过电压产生栅极控制反馈信号；所述栅极控制电路用于接收所述有源钳位电路产生的栅极控制反馈信号，并根据栅极控制反馈信号并控制推挽驱动电路延长驱动桥MOSFET的关断时间。本发明降低了驱动桥MOSFET短路时刻电流变化率，减小了驱动桥MOSFET短路过电压，实现了驱动桥MOSFET短路保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种短路保护电路，特别是涉及一种用于驱动桥MOSFET短路保护电路。
背景技术
现有技术中，检测驱动桥短路的主要方式有采样电阻检测，驱动桥相线电压检测等方式，当控制器检测到短路故障发生时，一般会采取直接封闭控制PWM信号，实现直接关断短路中的驱动桥MOSFET。然而，一般短路故障时驱动桥臂电流通常是额定值的几倍，快速关断如此大的电流会产生较高的MOSFET源极过电压，容易使驱动桥MOSFET承受过高的电气应力而损坏。所以怎样实现短路故障时驱动桥MOSFET合理关闭，不会因为关闭电流较大，关闭速度过快而损坏驱动电路，成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于驱动桥MOSFET短路保护电路，能够提高短路时对驱动桥MOSFET保护能力，同时提高控制器可靠性及功能安全。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于驱动桥MOSFET短路保护电路，包括处理器电路、推挽驱动电路和短路检测电路，所述短路检测电路用于检测驱动桥MOSFET短路故障，所述处理器电路的输入端与短路检测电路相连，用于接收短路故障信号，输出端与推挽驱动电路相连，用于向推挽驱动电路发出PWM控制信号，所述推挽驱动电路与所述驱动桥MOSFET相连，用于控制驱动桥MOSFET的打开或关断，还包括有源钳位电路和栅极控制电路，所述有源钳位电路用于检测驱动桥MOSFET的源极过电压，并根据驱动桥MOSFET的源极过电压产生栅极控制反馈信号；所述栅极控制电路用于接收所述有源钳位电路产生的栅极控制反馈信号，并根据栅极控制反馈信号并控制推挽驱动电路延长驱动桥MOSFET的关断时间。
所述有源钳位电路包括瞬态电压抑制二极管、二极管和运算放大器，所述瞬态电压抑制二极管的阴极与驱动桥MOSFET的漏极相连，阳极与所述二极管的阳极相连，所述二极管的阴极与驱动桥MOSFET的栅极相连，所述瞬态电压抑制二极管的阳极还通过一个RC滤波电路与所述运算放大器的正相端相连，所述运算放大器的反相端通过第一电阻接地，输出端与所述栅极控制电路，所述运算放大器的输出端还通过一个反馈电阻与运算放大器的反相端相连。
所述RC滤波电路的电容两端还并联有一个电阻。
所述RC滤波电路的电阻与运算放大器的正相端之间还连接有第二电阻，所述运算放大器的正相端和反相端之间还连接有一个电容。
所述栅极控制电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和晶体管，所述第三电阻的一端与有源钳位电路相连，另一端与所述晶体管的基极相连，所述第四电阻的一端接地，另一端与与所述晶体管的基极相连，所述第五电阻的一端接地，另一端与所述晶体管的发射极相连，所述晶体管的集电极与所述推挽驱动电路相连。
所述推挽驱动电路由互补的晶体管或MOS管构成。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在原有电路的基础上增加了有源钳位电路和栅极控制电路，其中有源钳位电路根据过电压幅值高低，既是瞬态电压抑制二极管反向击穿程度，输出栅极控制反馈信号，栅极控制电路根据反馈信号线性关断驱动桥MOSFET栅极放电回路，以达到延长短路电流关断时间，降低驱动桥MOSFET短路时刻电流变化率，减小驱动桥MOSFET短路过电压，实现驱动桥MOSFET短路保护。
附图说明
图1是本发明的整体电路图；
图2是本发明中有源钳位电路的电路图；
图3是本发明中短路保护动作电压电流波形图；
其中，1——处理器电路、2——推挽驱动电路、3——有源钳位电路、4——驱动桥MOSFET、5——负载电机、6——短路检测电路、7——栅极控制电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种有源钳位型驱动桥MOSFET短路保护电路，其短路保护电路结构如图1所示。短路保护电路包含五部分：处理器电路1，推挽驱动电路2，有源钳位电路3，栅极控制电路7，短路检测电路6。
其中，处理器电路负责产生PWM信号，短路发生时对短路检测电路传递的故障信号进行处理，包括驱动桥整体PWM封波关闭，及短路故障自恢复。其可以采用多核高速处理器，多核高速处理器具有并行处理能力强，速度快，功能完善的特点。
推挽驱动电路由互补的晶体管或MOS管组成，负责接收处理器电路产生的控制PWM信号，将其放大后驱动驱动桥MOSFET。
有源钳位电路由一个瞬态电压抑制二极管TVS、一个二极管及运放放大器和阻容器件组成，TVS管的击穿电压值取决于系统过电压保护阈值。有源钳位电路主要作用是驱动桥MOSFET短路过电压检测及栅极控制反馈信号输出。关断驱动桥短路电流时，驱动桥MOSFET源极存在电压过冲，导致TVS管反向击穿，有源钳位电路工作输出反馈控制信号给栅极控制电路形成负反馈控制，延缓驱动桥MOSFET关断，以降低短路时电流变化率，减小驱动桥MOSFET源极过电压，从而降低驱动桥短路保护风险。
栅极控制电路由一个快速响应晶体管及分压电阻组成，电阻阻值取决于晶体管稳态工作点及集成运放放大倍数。栅极控制电路主要作用是在推挽电路下管拉低时，为其注入负反馈信号，延缓驱动桥MOSFET栅极关断，保护驱动桥MOSFET源极电压不超过电压保护阈值。
短路检测电路用于检测驱动桥短路故障，并作为处理器电路的输入信号。
当驱动桥MOSFET出现短路故障时，由短路检测电路发出短路故障信号给处理器电路与驱动控制推挽电路，推挽电路关断驱动桥MOSFET，驱动桥MOSFET源极过电压后，有源钳位电路动作，有源钳位电路根据过电压幅值输出栅极控制反馈信号给栅极控制电路，栅极控制电路接收控制信号，栅极控制电路向推挽驱动电路内引入负反馈，延长驱动桥MOSFET短路关断时间，降低其短路电流变化率，减小驱动桥MOSFET短路过电压，完成驱动桥MOSFET短路故障保护功能。
下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。
本实施例的短路保护电路是基于有源钳位电路，如图2所示，所述有源钳位电路由5个电阻、2个电容、2个二极管、1个集成运放组成。其中，瞬态电压抑制二极管D3的阳极与二极管D2的阳极联接，瞬态电压抑制二极管D3的阴极联接驱动桥MOSFET的漏极，二极管D2的阴极联接驱动桥MOSFET的栅极，电阻R2、电阻R6、电阻R3与电容C1一端联接，电阻R6和电容C2与运算放大器U1的同相端联接，电阻R4、电阻R5和电容C2一端与运算放大器U1的反相端联接，电阻R4一端接地，电阻R5一端与运算放大器U1的输出端联接。
栅极控制电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9，晶体管Q4组成；其中，电阻R7和电阻R8的一端均与晶体管Q4的基极联接，电阻R7的另一端与集成运放U1输出端联接，电阻R8的另一端接地，电阻R9一端与晶体管Q4的发射极联接，另一端接地，晶体管Q4的集电极与推挽驱动电路的晶体管Q2的基极联接。
当关断短路电流时，驱动桥MOSFET的源极电压超过电压保护阈值，有源钳位电路工作，输出栅极控制反馈信号给栅极控制电路，栅极控制电路延缓驱动桥MOSFET关断，降低驱动桥MOSFET短路电流变化率，实现减小驱动桥MOSFET源极电压过冲，实现驱动桥MOSFET短路保护。整个电路工作原理如下：
当驱动桥MOSFET出现短路时，根据公式会存在关断过电压ΔU且与电感及电流变化率成正比，其中L为驱动桥回路杂散电感，/>为电流变化率。驱动桥MOSFET源极电压超过电压保护阈值时，瞬态电压抑制二极管D3反向击穿，有源钳位电路工作，二极管D2正向导通，其正向导通电流ID2分别流向驱动桥栅极ID2_G和栅极电阻Rgon和推挽晶体管Q2流回电源负极，门极电阻Rgon电流为ID2_Rgon，ID2＝ID2_G+ID2_Rgon其中由于推挽驱动回路阻抗很小，所以存在ID2_Rgon>>ID2_G，瞬态电压抑制二极管D3反向击穿后通过电阻R2对电容C1充电使其电压升高，集成运放U1的同相端电压VU1+升高，输出端电压VU1_out＝A*VU1+其中A为放大倍数，A＝(R5+R4)/R4，电容C1用来调节反馈响应速度同时与R2组成一阶RC滤波电路，电阻R3与R2组成串联电阻分压电路用来调节反馈电压幅值，电容C2用来提高集成运放的共模抑制能力，电阻R6与电容C2组成一阶RC滤波电路提高抗干扰能力。栅极控制电路接收有源钳位输出的控制反馈信号，电阻R7与电阻R8用来调节晶体管Q4稳态工作点，提高响应速度，晶体管Q4基极电压升高，电流IQ4增大，电阻R9两端电压升高，推挽驱动电路的晶体管Q2的基极电压升高，电流IQ2减小，驱动桥MOSFET栅极电荷释放速度降低，驱动桥MOSFET短路电流关断速度减小，驱动桥MOSFET的源极过电压得到有效抑制，实现驱动桥MOSFET短路保护功能。
图3是短路保护动作电压电流波形图，从图3可以看出，当发生短路后驱动桥MOSFET的源极电压发生突变，经过有源钳位电路和栅极控制电路的调整后，驱动桥MOSFET的电流逐渐变小，使得驱动桥MOSFET短路电流关断速度减小，防止了关闭速度过快而损坏驱动电路的情况发生。
由此可见，本发明在驱动桥发生短路故障时，有源钳位检测驱动桥MOSFET源极过电压，有源钳位电路根据过电压幅值高低，既是瞬态电压抑制二极管反向击穿程度，输出栅极控制反馈信号，栅极控制电路根据反馈信号线性关断驱动桥MOSFET栅极放电回路，以达到延长短路电流关断时间，降低驱动桥MOSFET短路时刻电流变化率，减小驱动桥MOSFET短路过电压，实现驱动桥MOSFET短路保护。
Claims (4)
1.一种用于驱动桥MOSFET短路保护电路，包括处理器电路、推挽驱动电路和短路检测电路，所述短路检测电路用于检测驱动桥MOSFET短路故障，所述处理器电路的输入端与短路检测电路相连，用于接收短路故障信号，输出端与推挽驱动电路相连，用于向推挽驱动电路发出PWM控制信号，所述推挽驱动电路与所述驱动桥MOSFET相连，用于控制驱动桥MOSFET的打开或关断，其特征在于，还包括有源钳位电路和栅极控制电路，所述有源钳位电路用于检测驱动桥MOSFET的源极过电压，并根据驱动桥MOSFET的源极过电压产生栅极控制反馈信号；所述栅极控制电路用于接收所述有源钳位电路产生的栅极控制反馈信号，并根据栅极控制反馈信号并控制推挽驱动电路延长驱动桥MOSFET的关断时间；
所述有源钳位电路包括瞬态电压抑制二极管、二极管和运算放大器，所述瞬态电压抑制二极管的阴极与驱动桥MOSFET的漏极相连，阳极与所述二极管的阳极相连，所述二极管的阴极与驱动桥MOSFET的栅极相连，所述瞬态电压抑制二极管的阳极还通过一个RC滤波电路与所述运算放大器的正相端相连，所述运算放大器的反相端通过第一电阻接地，输出端与所述栅极控制电路，所述运算放大器的输出端还通过一个反馈电阻与运算放大器的反相端相连；
所述栅极控制电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和晶体管，所述第三电阻的一端与有源钳位电路相连，另一端与所述晶体管的基极相连，所述第四电阻的一端接地，另一端与所述晶体管的基极相连，所述第五电阻的一端接地，另一端与所述晶体管的发射极相连，所述晶体管的集电极与所述推挽驱动电路相连。
2.根据权利要求1所述的用于驱动桥MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述RC滤波电路的电容两端还并联有一个电阻。
3.根据权利要求1所述的用于驱动桥MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述RC滤波电路的电阻与运算放大器的正相端之间还连接有第二电阻，所述运算放大器的正相端和反相端之间还连接有一个电容。
4.根据权利要求1所述的用于驱动桥MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述推挽驱动电路由互补的晶体管或MOS管构成。
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