CN112019010A - 软关断有源钳位保护电路及电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种软关断有源钳位保护电路及电源系统，电路包括栅极连接端、漏极连接端、源极连接端、放电电容、过压信号采集模块、负反馈模块、放电电流控制模块和关断控制模块；其有益效果为：通过过压信号采集模块、负反馈模块、放电电流控制模块和关断控制模块组成一个闭环的负反馈调节系统，达到限制MOSFET的漏‑源极电压在设定的电压值的作用，进而调节控制MOSFET的关断速度，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收，取代了TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，不会产生较高温度，不需要应对高温的散热结构，解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高，且占用面积大的问题。

Description

软关断有源钳位保护电路及电源系统
技术领域
本发明涉及电路领域，特别涉及一种软关断有源钳位保护电路及电源系统。
背景技术
参照图1，在电动汽车系统中，BMS在充放电过程中，因为检测到过流或其它与安全相关的故障时，需要及时切断断路器开关来进行保护，通常使用MOSFET作为断路器开关，而在带载关断时由于BMS输出所接入的线束引线电感或者感性的负载，关断瞬间会产生很大的电压尖峰加在MOSFET的漏源两端，造成MOSFET的雪崩击穿，当关断能量过大时容易造成MOSFET的损毁。
为了避免上述故障的发生，通常的设计是使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，然而大功率TVS在选型比较困难，如果使用TVS作为钳位吸收将会导致使用高成本的大功率TVS，且需要使用4～5个TVS才能承受这么的能量，同时在布板时要分配给TVS足够的散热铜箔，而且成本高昂，且占用面积大，TVS的短路失效率高，吸收功率受温度影响大，在高温下工作可靠度降低，当TVS失效之后会造成钳位失效，MOSFET由此损毁，更严重的情况会造成BMS断路器断路引起热失控事件。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种软关断有源钳位保护电路及电源系统，旨在解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高且占用面积大的问题。
本发明提供了一种软关断有源钳位保护电路，与MOSFET连接，用于控制MOSFET关断，包括栅极连接端、漏极连接端、源极连接端、放电电容、过压信号采集模块、负反馈模块、放电电流控制模块和关断控制模块；
栅极连接端与MOSFET的栅极连接；
源极连接端与MOSFET的源极连接；
漏极连接端与MOSFET的漏极连接；
栅极连接端、漏极连接端和源极连接端相互连接；
放电电容一端连接栅极连接端，另一端连接漏极连接端；
过压信号采集模块连接于源极连接端和漏极连接端之间；
放电电流控制模块和关断控制模块串联于栅极连接端和漏极连接端之间；
负反馈模块连接于过压信号采集模块和放电电流控制模块；
过压信号采集模块用于在采集到过压信号时导通；
负反馈模块在过压信号采集模块导通时对放电电流控制模块负反馈，放电电流控制模块根据负反馈控制放电电容的放电电流，进而控制栅极连接端的输出电流；
关断控制模块根据栅极连接端的输出电流关断或导通。
进一步地，过压信号采集模块包括依次串联的第一二极管、第一电阻、第二电阻，第一二极管的阴极连接漏极连接端，负反馈模块包括控制端，负反馈模块的控制端连接于第一电阻和第二电阻之间，第二电阻的另一端连接源极连接端。
进一步地，第一二极管为齐纳二极管。
进一步地，过压信号采集模块还包括第一电容，第一电容与第一二极管并联。
进一步地，负反馈模块包括第四电阻和第一三极管；第四电阻一端连接漏极连接端，另一端连接第一三极管的集电极；第一三极管的发射极连接源极连接端，第一三极管的基极与过压信号采集模块连接，第一三极管的基极为负反馈模块的控制端；放电电流控制模块包括控制端，放电电流控制模块的控制端连接于第四电阻的另一端。
进一步地，放电电流控制模块包括第二三级管；第二三级管的基极为放电电流控制模块的控制端；第二三级管的基极连接负反馈模块，第二三级管的集电极连接关断控制模块，第二三级管的发射极连接源极连接端。
进一步地，放电电流控制模块还包括第五电阻，第二三级管与第五电阻串联。
进一步地，关断控制模块包括第三三极管；第三三极管的基极通过第二二极管与MOS驱动模块连接，第三三极管的基极连接第二二极管的阳极，第三三极管的集电极与栅极连接端连接，第三三极管的发射极与放电电流控制模块连接；MOS驱动模块通过第三二极管连接栅极连接端，栅极连接端连接第三二极管的阴极。
本申请还提出一种电源系统，包括充放电路和上述的软关断有源钳位保护电路；充放电路包括电源和MOSFET，电源和MOSFET和负载构成回路，软关断有源钳位保护电路与MOSFET连接；电源的控制系统包括MOS驱动模块，MOS驱动模块连接关断控制模块和栅极连接端，MOS驱动模块根据栅极连接端的输出电流控制关断控制模块的关断或导通。
本发明的软关断有源钳位保护电路及电源系统，其有益效果为：通过过压信号采集模块、负反馈模块、放电电流控制模块和关断控制模块组成一个闭环的负反馈调节系统，达到限制MOSFET的漏-源极电压在设定的电压值的作用，进而调节控制MOSFET的关断速度，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收，取代了TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，不会产生较高温度，解决了因高温导致失效率高的问题，也不需要应对高温的散热结构，解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高，且占用面积大的问题。
附图说明
图1是现有电源系统的结构示意图；
图2是本发明软关断有源钳位保护电路一实施例的结构示意图；
图3是本发明软关断有源钳位保护电路另一实施例的结构示意图；
图4是本发明电源系统一实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1-4，本发明提出一种软关断有源钳位保护电路，与MOSFET连接，用于控制MOSFET关断，包括栅极连接端G、漏极连接端D、源极连接端S、放电电容Cgs、过压信号采集模块1、负反馈模块2、放电电流控制模块3和关断控制模块4；栅极连接端G与MOSFET的栅极连接；源极连接端S与MOSFET的源极连接；漏极连接端D与MOSFET的漏极连接；栅极连接端G、漏极连接端D和源极连接端S相互连接；放电电容Cgs一端连接栅极连接端G，另一端连接漏极连接端D；过压信号采集模块1连接于源极连接端S和漏极连接端D之间；放电电流控制模块3和关断控制模块4串联于栅极连接端G和漏极连接端D之间；负反馈模块2连接于过压信号采集模块1和放电电流控制模块3；过压信号采集模块1用于在采集到过压信号时导通；负反馈模块2在过压信号采集模块1导通时对放电电流控制模块3负反馈，放电电流控制模块3根据负反馈控制放电电容Cgs的放电电流，进而控制栅极连接端G的输出电流；关断控制模块4根据栅极连接端G的输出电流关断或导通。
具体的，在关断瞬间，基极连接端的驱动信号变低，栅极连接端G与源极连接端S之间的放电电容Cgs开始放电，MOSFET开始关断，充电电流降低，MOSFET漏极电压升高；当过压时，过压信号采集模块1导通，驱动负反馈调节模块导通，开始负反馈调节作用，当流过负反馈调节模块的电流越大，控制放电电流控制模块3使流过放电电流控制模块3的电流越小，实现对栅极连接端G放电电流的控制，在栅极连接端G放电电流受控制时，达到限制MOSFET的漏-源极电压在设定的电压值的作用，MOSFET关断速率也同时受到反馈调节控制，可以实现延长关断时间，对MOSFET软关断，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收，取代了TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，不会产生较高温度，解决了因高温导致失效率高的问题，也不需要应对高温的散热结构，解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高，且占用面积大的问题。
而且如果漏极连接端D的电压处于正常区间，过压信号采集模块1则不会导通，负反馈调节模块关断，关断控制模块4和放电电流控制模块3正常导通，流经关断控制模块4和放电电流控制模块3的电流不会受限，到达MOSFET栅极的栅极连接端G处为正常的放电电流，不影响MOSFET正常的关断速度。
其有益效果为：通过过压信号采集模块1、负反馈模块2、放电电流控制模块3和关断控制模块4组成一个闭环的负反馈调节系统，达到限制MOSFET的漏-源极电压在设定的电压值的作用，进而调节控制MOSFET的关断速度，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收，取代了TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，不会产生较高温度，解决了因高温导致失效率高的问题，也不需要应对高温的散热结构，解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高，且占用面积大的问题。
进一步地，在一些实施例中，过压信号采集模块1包括依次串联的第一二极管ZD、第一电阻R1、第二电阻R2，第一二极管ZD的阴极连接漏极连接端D，负反馈模块2包括控制端，负反馈模块2的控制端连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间，第二电阻R2的另一端连接源极连接端S。
具体的，在过压时，第一二极管ZD被反向击穿，过压信号采集模块1导通，其中第一电阻R1和第二电阻R2起到限流分压的作用。
进一步地，第一二极管ZD为齐纳二极管。有利于反向击穿，第一二极管ZD根据钳位目标电压值选取，一般选择10V左右的Zener，这样MOSFET D-S间的电压在关断期间将被钳位在11V左右。
进一步地，在一些实施例中，过压信号采集模块1还包括第一电容C1，第一电容C1与第一二极管ZD并联。通过第一电容C1起到滤波的作用；第一电容C1为加速电容，可以实现反馈环路的快速响应，该电容需要根据实际条件来调整，一般选值<1nF。
进一步地，放电电容Cgs为GS寄生电容。
进一步地，在一些实施例中，负反馈模块2包括第四电阻R4和第一三极管Q1；第四电阻R4一端连接漏极连接端D，另一端连接第一三极管Q1的集电极；第一三极管Q1的发射极连接源极连接端S，第一三极管Q1的基极与过压信号采集模块1连接，第一三极管Q1的基极为负反馈模块2的控制端；放电电流控制模块3包括控制端，放电电流控制模块3的控制端连接于第四电阻R4的另一端。
具体的，当漏极连接端D与源极连接端S间电流越大，由于第四电阻R4的分压作用，第一三极管Q1的集电极的电压就越小，进而输出到放电电流控制模块3的电压就越小，实现负反馈作用。
在一些实施例中，负反馈模块2还包括第三电阻R3，第三电阻R3两端分别连接第一三极管Q1的发射极和源极连接端S，起到限流分压作用。
进一步地，在一些实施例中，放电电流控制模块3包括第二三级管；第二三级管的基极为放电电流控制模块3的控制端；第二三级管的基极连接负反馈模块2，第二三级管的集电极连接关断控制模块4，第二三级管的发射极连接源极连接端S。
具体的，第二三级管接收到负反馈模块2的控制信号，进而根据控制信号调节其流过电流的大小。
进一步地，在一些实施例中，放电电流控制模块3还包括第五电阻R5，第二三级管与第五电阻R5串联。第五电阻R5起到限流作用。
进一步地，在一些实施例中，关断控制模块4包括第三三极管Q3；第三三极管Q3的基极通过第二二极管与MOS驱动模块连接，第三三极管Q3的基极连接第二二极管的阳极，第三三极管Q3的集电极与栅极连接端G连接，第三三极管Q3的发射极与放电电流控制模块3连接；MOS驱动模块通过第三二极管连接栅极连接端G，栅极连接端G连接第三二极管的阴极。
具体的，在BMS要关断MOSFET时，发送关断信号至栅极，即栅极连接端G处电平变低，放电电容Cgs放电，第三三极管Q3的集电极与第三三极管Q3的基极之间的电流信号反馈到MOS驱动模块，当电流在设定值以上时，MOS驱动模块击穿第二二极管控制第三三极管Q3导通，当栅极连接端G处的放电电流小到一定程度时，第三三极管Q3的集电极与第三三极管Q3的基极之间的电流小于设定值，MOS驱动模块不击穿第二二极管，第三三极管Q3断开，MOSFET断开，实现调节控制MOSFET的关断速度，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收；MOS驱动模块可以为电池管理系统BMS中的单片机，也可以是独立的单片机与电池管理系统BMS连接。
参照图3-4，在本实施例中，过压信号采集模块1包括依次串联的第一二极管ZD、第一电阻R1、第二电阻R2；过压信号采集模块1还包括第一电容C1，电容与第一二极管ZD并联；负反馈模块2包括第四电阻R4和第一三极管Q1；放电电流控制模块3包括第二三级管和第五电阻R5；关断控制模块4包括第三三极管Q3；第一二极管ZD的阴极连接漏极连接端D，第一三极管Q1的基极连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间，第二电阻R2的另一端连接源极连接端S；第一电容C1与第一二极管ZD并联；第四电阻R4一端连接漏极连接端D，另一端连接第一三极管Q1的集电极；第一三极管Q1的发射极通过第三电阻R3连接源极连接端S，第一三极管Q1的基极连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间，第一三极管Q1的基极为负反馈模块2的控制端；第二三级管的基极连接于第四电阻R4的另一端，第二三级管的集电极连接第三三极管Q3的发射极，第二三级管的发射极通过第五电阻R5连接源极连接端S；第三三极管Q3的基极通过第二二极管与MOS驱动模块连接，第三三极管Q3的基极连接第二二极管的阳极，第三三极管Q3的集电极与栅极连接端G连接；MOS驱动模块通过第三二极管连接栅极连接端G，栅极连接端G连接第三二极管的阴极。
具体的，在BMS要关断MOSFET时，发送关断信号至栅极，即栅极连接端G处电平变低，放电电容Cgs放电，第三三极管Q3的集电极与第三三极管Q3的基极之间的电流信号反馈到MOS驱动模块，当电流在设定值以上时，MOS驱动模块击穿第二二极管控制第三三极管Q3导通，当栅极连接端G处的放电电流小到一定程度时，第三三极管Q3的集电极与第三三极管Q3的基极之间的电流小于设定值，MOS驱动模块不击穿第二二极管，第三三极管Q3断开，MOSFET断开，实现调节控制MOSFET的关断速度；在关断MOSFET过程中，线束引线电感或者感性的负载会产生很大的电压尖峰，MOSFET源极和漏极间电压会发生变化，即源极连接端S和漏极连接端D间电压发生变化，当过压时，第一二极管ZD反向击穿，第一三极管Q1导通，在负反馈作用下，可以控制第二三极管Q2，进而控制第三三极管Q3的集电极电流，即MOSFET栅极电容的放电电流，当MOSFET栅极放电电流受控时，其关断速率也同时受到反馈调节控制，MOSFET漏极电压越高，第一三极管Q1的集电极电流越大，其负反馈控制输出的集电极电压越低，则第二三极管Q2的基极电压越低，第三三极管Q3的集电极电流越低，即放电电流越小；如果MOSFET漏极(漏极连接端D)电压处于正常区间，第一二极管ZD则不会击穿工作，第一三极管Q1截至，第二三极管Q2和第三三极管Q3均饱和，MOSFET栅极放电为正常的放电电流，不影响正常的关断速度。
本申请还提出一种电源系统，包括充放电路和上述的软关断有源钳位保护电路；充放电路包括电源和MOSFET，电源和MOSFET和负载构成回路，软关断有源钳位保护电路与MOSFET连接；电源的控制系统包括MOS驱动模块，MOS驱动模块连接关断控制模块4和栅极连接端G，MOS驱动模块根据栅极连接端G的输出电流控制关断控制模块4的关断或导通。
本发明的软关断有源钳位保护电路及电源系统，其有益效果为：通过过压信号采集模块1、负反馈模块2、放电电流控制模块3和关断控制模块4组成一个闭环的负反馈调节系统，达到限制MOSFET的漏-源极电压在设定的电压值的作用，进而调节控制MOSFET的关断速度，实现电压钳位和瞬态能量的自吸收，取代了TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，不会产生较高温度，解决了因高温导致失效率高的问题，也不需要应对高温的散热结构，解决现有使用钳位TVS二极管来吸收关断瞬间的电压尖峰和能量，导致失效率高，且占用面积大的问题。
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权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种软关断有源钳位保护电路，与MOSFET连接，用于控制所述MOSFET关断，其特征在于，包括栅极连接端、漏极连接端、源极连接端、放电电容、过压信号采集模块、负反馈模块、放电电流控制模块和关断控制模块；
所述栅极连接端与所述MOSFET的栅极连接；
所述源极连接端与所述MOSFET的源极连接；
所述漏极连接端与所述MOSFET的漏极连接；
所述栅极连接端、漏极连接端和源极连接端相互连接；
所述放电电容一端连接所述栅极连接端，另一端连接所述漏极连接端；
所述过压信号采集模块连接于所述源极连接端和所述漏极连接端之间；
所述放电电流控制模块和关断控制模块串联于所述栅极连接端和所述漏极连接端之间；
所述负反馈模块连接于所述过压信号采集模块和所述放电电流控制模块；
所述过压信号采集模块用于在采集到过压信号时导通；
所述负反馈模块在所述过压信号采集模块导通时对所述放电电流控制模块负反馈，所述放电电流控制模块根据所述负反馈控制所述放电电容的放电电流，进而控制所述栅极连接端的输出电流；
所述关断控制模块根据所述栅极连接端的输出电流关断或导通。
2.根据权利要求1所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述过压信号采集模块包括依次串联的第一二极管、第一电阻、第二电阻，所述第一二极管的阴极连接所述漏极连接端，所述负反馈模块包括控制端，所述负反馈模块的控制端连接于所述第一电阻和第二电阻之间，所述第二电阻的另一端连接所述源极连接端。
3.根据权利要求2所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述第一二极管为齐纳二极管。
4.根据权利要求2所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述过压信号采集模块还包括第一电容，所述第一电容与所述第一二极管并联。
5.根据权利要求1所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述负反馈模块包括第四电阻和第一三极管；所述第四电阻一端连接所述漏极连接端，另一端连接所述第一三极管的集电极；所述第一三极管的发射极连接所述源极连接端，所述第一三极管的基极与所述过压信号采集模块连接，所述第一三极管的基极为所述负反馈模块的控制端；所述放电电流控制模块包括控制端，所述放电电流控制模块的控制端连接于所述第四电阻的另一端。
6.根据权利要求1所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述放电电流控制模块包括第二三级管；所述第二三级管的基极为所述放电电流控制模块的控制端；所述第二三级管的基极连接所述负反馈模块，所述第二三级管的集电极连接所述关断控制模块，所述第二三级管的发射极连接所述源极连接端。
7.根据权利要求6所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述放电电流控制模块还包括第五电阻，所述第二三级管与所述第五电阻串联。
8.根据权利要求1所述的软关断有源钳位保护电路，其特征在于，所述关断控制模块包括第三三极管；所述第三三极管的基极通过第二二极管与MOS驱动模块连接，所述第三三极管的基极连接所述第二二极管的阳极，所述第三三极管的集电极与所述栅极连接端连接，所述第三三极管的发射极与所述放电电流控制模块连接；所述MOS驱动模块通过第三二极管连接所述栅极连接端，所述栅极连接端连接所述第三二极管的阴极。
9.一种电源系统，其特征在于，包括充放电路和权利要求1-8中任一项所述的软关断有源钳位保护电路；
所述充放电路包括电源和MOSFET，所述电源和MOSFET和负载构成回路，所述软关断有源钳位保护电路与所述MOSFET连接；
所述电源的控制系统包括MOS驱动模块，所述MOS驱动模块连接所述关断控制模块和所述栅极连接端，所述MOS驱动模块根据所述栅极连接端的输出电流控制所述关断控制模块的关断或导通。
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