CN111293674A - 一种多点式安全关断场效应管的方法 - Google Patents

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张燕平
肖根忠
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Abstract

本发明公开了一种多点式安全关断场效应管的方法，包括如下步骤：S1：打开场效应管导通回路；S2：对电流进行检测；若正常则持续导通场效应管；若出现过流现象，则进入步骤S3；S3：关闭场效应管，关闭时间为t1；S4：在电路中的感生电动势即将危及到场效应管时，导通场效应管，释放部分顺时针方向产生的感生电动势，并同时通过电路导通后产生的逆时针感生电动势抵消部分顺时针感生电动势，导通时间为t2；S5：重复步骤S3及步骤S4若干次，本申请把一个硬关断的过程，变成一个多点式软关断的过程，避免瞬间能量过高损害场效应管；即便在超大导通电流的情况下关断场效应管，也不再造成场效应管的雪崩失效，即电压失效。

Description

一种多点式安全关断场效应管的方法
技术领域
本发明涉及场效应管关断技术领域，具体为一种多点式安全关断场效应管的方法。
背景技术
场效应管失效的原因有很多种，归纳起来常见的失效有以下几种：1、雪崩失效(电压失效)：也就是我们常说的漏源间的BVdss电压超过MOSFET的额定电压，并且超过达到了一定的能力从而导致MOSFET失效；2、SOA失效(电流失效)：既超出MOSFET安全工作区引起失效，分为Id超出器件规格失效以及Id过大，损耗过高器件长时间热积累而导致的失效；3、体二极管失效：在桥式、LLC等有用到体二极管进行续流的拓扑结构中，由于体二极管遭受破坏而导致的失效；4、谐振失效：在并联使用的过程中，栅极及电路寄生参数导致震荡引起的失效；5、静电失效：在秋冬季节，由于人体及设备静电而导致的器件失效；6、栅极电压失效：由于栅极遭受异常电压尖峰，而导致栅极栅氧层失效。
以上总结的6点失效中，3-6的防失效措施比较容易实现，改善措施后很容易见效。实际生产中场效应管失效一般都集中在1和2点，其中：雪崩失效是由于MOSFET漏源极的电压超过其规定电压值并达到一定的能量限度而导致的一种常见的失效模式；SOA失效是指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在MOSFET上面，造成瞬时局部发热而导致的破坏模式，而统计发现场效应管在关断状态下的电压失效远远高于场效应管在导通状态下的电流失效。
如附图3所示，图3由电池组组成电压源，向外输出功率。Rs是电池组的等效内阻，S是电路总开关，L是连接导线的等效电感，RL是电路负载，场效应管起关断保护开关作用，采样电阻是检测回路电流。正常工作状态下，场效应管是导通的，回路中有电流的存在，采样电阻检测到这个电流值并送给处理系统判断。如果电流值在额定范围内，场效应管是持续导通的。假设电路出现异常情况，比如输出短路或者负载超额，电流会上升到超出额定值的范围，那么用作保护用的场效应管应该尽快关闭，切断回路输出保护电路，直至故障排除后再次打开场效应管。过流保护状态下需要切断的电流值非常巨大，一般性过流是负载超额引起的，过流值不是非常大。严重过流是输出短路引起的，回路有巨大的电流。所以电路在200A到2000A的电流范围内都有可能触发过流保护，场效应管关断时必须考虑到在2000A的导通电流下关断。图3中的L是回路的等效电感，只要建立了闭合的电路回路，即便这个等效电感非常小，但也是存在的，它是闭合回路的本质特性。另外连接用的导线本身就存在电感，根据导线的线径、长度不等，电感量也不等。另外一个无法避免的现象是在布置连接线的时候，多余长度的连接线会缠绕成一个线圈环，类似上图中的螺旋状环路，这个空气芯的螺旋状环路意外的增加了一个串联电感，这个电感量会远远大于其它情况贡献的电感量。场效应管在关断保护时，电流变化率非常高，一个微妙变化几十安甚至几百安都是正常的。这样就会在带有电感的实际的回路里产生一个感生电动势：e＝L*(di/dt)。为了更好的保护电路，所以在过流情况下需要更快、更及时的关闭场效应管，di值越低越好，在微秒和毫秒级别内必须关闭场效应管。于是di/dt值就会变得非常巨大，即使直流电源回路中的电感量是微亨级的，其感生电动势也是数十伏甚至数百伏。这对于场效应管来说等于输入电压叠加上一个高幅值尖峰电压，这很容易造成场效应管的雪崩失效；
因此，由于感生电动势的存在，场效应管在关断的瞬间必然会承受更高的电压，小电流关断问题不明显，大电流或者超大电流下关断场效应管，不做特殊处理几乎无一例外都会使场效应管雪崩失效(电压失效)。这个电压尖峰是电路不可避免自己“惹”的祸，而直流电源又“无能为力”，这时就需要用一种特殊的缓冲方法来解决这个矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多点式安全关断场效应管的方法，即MSP(Multi-point shutdown protection)多点式关断；其在硬关断的瞬间，跟随一组快速开关信号，迫使硬关断瞬间产生的高能感生电动势在跟随的一组快速开关通断里，逐级降低消散掉，避免高能感生电动势对场效应管的损害，用以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多点式安全关断场效应管的方法，包括如下步骤：
S1：打开场效应管导通回路；
S2：对电流进行检测；若正常则持续导通场效应管；若出现过流现象，则进入步骤S3；进行多点式关断场效应管；
S3：关闭场效应管，关闭时间为t1；
S4：在电路中的感生电动势即将危及到场效应管时，导通场效应管，释放部分顺时针方向产生的感生电动势，并同时通过电路导通后产生的逆时针感生电动势抵消部分顺时针感生电动势，导通时间为t2；
S5：重复步骤S3及步骤S4若干次，直至将最大的顺时针感生电动势逐级分解，避免瞬间能量过高损害场效应管。
优选的，步骤S5中，反复执行步骤S3-S4的次数为3次。
优选的，关闭场效应管的时间逐级递增。
优选的，导通场效应管的时间逐级递减。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种多点式安全关断场效应管的方法，本申请把一个硬关断的过程，变成一个多点式软关断的过程，把危害最大的顺时针感生电动势逐级分解，避免瞬间能量过高损害场效应管；即便在超大导通电流的情况下关断场效应管，也不再造成场效应管的雪崩失效，即电压失效。
附图说明
图1为本发明流程框架图；
图2为本发明多点式关断场效应管的工作示意图；
图3为本发明由电池组组成电压源的电路图；
图4为本发明直流电源供电回路产生感生电动势方向示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
直流电源供电回路，回路中电流方向只能是一个方向，但感生电动势却有2个方向，如图4所示：
A1：关机状态：回路电流为0，感生电动势也为0；
A2:开机瞬间：场效应管导通，回路电流迅速上升，方向只能是顺时针方向，感生电动势方向为逆时针反向，感生电动势的能量e＝L*(di/dt)，因为回路电流和感生电动势的反向是相反的，无法对损坏场效应管的Vds做贡献，所以无论这个感生电动势的大小如何，都不会损坏场效应管；
A3:电路恒流输出：回路电流顺时针方向，可能是任何的电流值，但因为负载恒定所以电流也恒定，恒定工作的电流无法在等效的L电感上产生感生电动势，感生电动势也为0。这样就不会影响到场效应管的Vds，场效应管非常安全；
A4:电流变流输出：恒定电流输出是一种理想状态，实际工作中，受负载的影响，回路电流的变化是非常复杂的，时时刻刻在做着或大、或小的变化，这些变化都会引发感生电动势，或顺时针或逆时针。但此时场效应管是导通状态，工作可靠性更高，即便是一个顺时针的感生电动势产生了，对场效应管的Vds影响也比较小，不会有太大的影响，场效应管仍然是安全的；
A5:回路关断状态：回路遇到了各种各样的原因，需要把已经导通的场效应管关断，在关断的瞬间，回路电流急剧下降，感生电动势的方向为顺时针，由于感生电动势的存在，场效应管在关断的瞬间必然会承受更高的电压，这个电压是Vbat电压叠加感生电压，小电流关断问题不明显，大电流或者超大电流下关断场效应管，就很容易造成场效应管的雪崩失效。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：把一个硬关断的过程，变成一个多点式软关断；
一种多点式安全关断场效应管的方法，包括如下步骤：
S1：打开场效应管导通回路；
S2：对电流进行检测；若正常则持续导通场效应管；若出现过流现象，则进入步骤S3；进行多点式关断场效应管；
S3：关闭场效应管，关闭时间为t1；
S4：在电路中的感生电动势即将危及到场效应管时，导通场效应管，释放部分顺时针方向产生的感生电动势，并同时通过电路导通后产生的逆时针感生电动势抵消部分顺时针感生电动势，导通时间为t2；
S5：重复步骤S3及步骤S43次，直至将最大的顺时针感生电动势逐级分解，避免瞬间能量过高损害场效应管，且关闭场效应管的时间逐级递增，导通场效应管的时间逐级递减，如图2所示，其中，t1＜t3＜t5＜t7；t2＞t4＞t6＞t8。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种多点式安全关断场效应管的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：打开场效应管导通回路；
S2：对电流进行检测；若正常则持续导通场效应管；若出现过流现象，则进入步骤S3；进行多点式关断场效应管；
S3：关闭场效应管，关闭时间为t1；
S4：在电路中的感生电动势即将危及到场效应管时，导通场效应管，释放部分顺时针方向产生的感生电动势，并同时通过电路导通后产生的逆时针感生电动势抵消部分顺时针感生电动势，导通时间为t2；
S5：重复步骤S3及步骤S4若干次，直至将最大的顺时针感生电动势逐级分解，避免瞬间能量过高损害场效应管。
2.根据权利要求1所示的一种多点式安全关断场效应管的方法，其特征在于：步骤S5中，反复执行步骤S3-S4的次数为3次。
3.根据权利要求1所示的一种多点式安全关断场效应管的方法，其特征在于：关闭场效应管的时间逐级递增。
4.根据权利要求1所示的一种多点式安全关断场效应管的方法，其特征在于：导通场效应管的时间逐级递减。
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