CN112993953B

CN112993953B - 一种高压浪涌抑制电路

Info

Publication number: CN112993953B
Application number: CN202110217345.2A
Authority: CN
Inventors: 王雨露; 汪洋; 李晓霞; 马云龙; 王俊峰
Original assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Current assignee: Xian Microelectronics Technology Institute
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: CN112993953A

Abstract

本发明公开了一种高压浪涌抑制电路，属于电路设计技术领域，通过第一开关管和第二开关管的串联及一种较为简单的栅极的稳压控制电路，使串联的第一开关管和第二开关管能共同且相对均衡的吸收过压功率，从而增加电压浪涌抑制能力、扩展输入电压范围及功率适用等级，有效控制输出电压，实现对高压浪涌的抑制，保护后级器件。本发明采用的栅极稳压控制电路可实现自主均压，使过压功率能相对均衡的分布在两个串联的第一开关管和第二开关管上，使其共同承担压降，避免单管烧毁，从而可增加浪涌抑制电路的电压浪涌抑制能力，扩展浪涌抑制电路的输入电压范围及功率适用等级，有效控制输出电压，实现对高压浪涌的箝位抑制。

Description

一种高压浪涌抑制电路

技术领域

本发明属于电路设计技术领域，涉及一种高压浪涌抑制电路。

背景技术

在电源系统中，设备开关、电源切换、负载突变或受到干扰时，直流供电母线上会产生电压瞬变和浪涌电压，若不对直流母线上的浪涌电压进行抑制，会导致后级电源停止工作或过压烧毁，造成系统故障。因此，采用浪涌抑制电路对浪涌电压进行抑制是极其必要的，能够使电源输入电压保持在安全工作范围，从而保护整个系统。对于有源阻抗低(0.5Ω)，持续时间长(50ms)，总能量比较大的瞬态浪涌，浪涌抑制电路一般都是基于功率开关管的控制电路来实现浪涌电压保护。目前基于功率开关管设计的过压浪涌抑制模块有两种类型：PMOS管浪涌抑制电路和NMOS管浪涌抑制电路。

(1)PMOS管浪涌抑制电路的原理框图如图1所示，工作原理为：采样电路将输入端电压反馈至控制电路，控制PMOS管的栅极电压，当正常输入时，PMOS管正向导通，当有浪涌电压时，检测到输入端电压大于基准值，控制电路动作使PMOS管栅极电压上升，PMOS管截止，从而防止浪涌电压对用电设备造成冲击。在此方法中，PMOS管相当于一个电子开关，在浪涌期间，电源供电会暂时中断，用电设备需完全依靠输出端电容C0来维持电压，此电容必然体积大、重量大、成本高，不利于低成本和小型化设计。

(2)NMOS管浪涌抑制电路的原理框图如图2所示，工作原理为：由二极管、电阻、电容构成的电荷泵作为自举驱动电路进行电平移位，给栅极端电容充电，该充电电压受电压限制电路的控制，当输入电压正常时，NMOS管正向导通，当输入电压出现过压浪涌时，栅极端电压受到限制，NMOS管进入线性工作区，导通电阻迅速增加，承受过压浪涌的电压，确保后级用电设备的输入电压在正常范围内。

NMOS管浪涌抑制电路中所用器件成本低且易于小型化，但NMOS管承受较大的应力和温升，浪涌抑制电路能承受的浪涌功率受到单个NMOS管功率的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，NMOS管承受较大应力和温升的缺点，提供一种高压浪涌抑制电路。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高压浪涌抑制电路，包括电源、稳压控制电路、第一开关管和第二开关管；第一开关管和第二开关管上均设有漏极、源极和栅极；第一开关管和第二开关管串联，所述电源包括输入端和输出端，输入端与第一开关管的漏极连接，输出端与第二开关管的源极连接；第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别连接有自举驱动电路；

稳压控制电路包括第一稳压管、第二稳压管、第一电容、第二电容、三极管，三极管的基极和分压电阻连接；第一稳压管和第二稳压管串联，第一稳压管的阴极通过第一电容与第一开关管的栅极连接，第二稳压管的阴极通过第二电容与第二开关管的栅极连接。

优选地，所述分压电阻包括两个串联的第三电阻和第四电阻；三极管的基极连接在第三电阻和第四电阻之间，三极管的发射极与第四电阻的另一端共同接地。

进一步优选地，所述稳压控制电路还包括三极管的集电极，三极管的集电极与第三电阻的另一端连接在第一稳压管的阳极上。

优选地，所述稳压控制电路还包括限流电阻，限流电阻包括第一电阻、第五电阻和第六电阻，第一电阻与电源的输入端串联；第五电阻的一端与第二电容连接，另一端与第二稳压管连接；第六电阻的一端与第三电容连接，另一端与第一稳压管连接。

优选地，所述稳压控制电路还包括旁路电阻，旁路电阻包括第二电阻，第二电阻并联在第二稳压管的两端。

优选地，所述第一电容和第二电容均为滤波电容。

优选地，第一开关管和第二开关管均为MOS管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高压浪涌抑制电路，基于NMOS的有源浪涌抑制电路，为了减轻NMOS管的应力和温升，本发明通过第一开关管和第二开关管的串联及一种较为简单的栅极的稳压控制电路，使串联的第一开关管和第二开关管能共同且相对均衡的吸收过压功率，从而增加电压浪涌抑制能力、扩展输入电压范围及功率适用等级，有效控制输出电压，实现对高压浪涌的抑制，保护后级器件。本发明采用的栅极稳压控制电路可实现自主均压，使过压功率能相对均衡的分布在两个串联的第一开关管和第二开关管上，使其共同承担压降，避免单管烧毁，从而可增加浪涌抑制电路的电压浪涌抑制能力，扩展浪涌抑制电路的输入电压范围及功率适用等级，有效控制输出电压，实现对高压浪涌的箝位抑制。

进一步地，本发明中稳压及控制电路采用三极管、稳压管、电阻、电容等器件构成，线路结构简单易于实现，元器件成本低。

附图说明

图1为背景技术中PMOS管浪涌抑制电路原理框图；

图2为背景技术中NMOS管浪涌抑制电路原理框图；

图3为本发明的高压浪涌抑制电路的原理框图；

图4为本发明高压浪涌抑制电路中的稳压控制电路图；

图5为实施例中高压浪涌抑制电路里的自举驱动电路图；

图6为本发明高压浪涌抑制电路在100V/50ms浪涌时的输入输出波形图。

其中，Q1-第一功率开关管；Q2-第二功率开关管；Q3-三极管；C1-第一电容；C2-第二电容；C3-第三电容；R1-第一电阻；R2-第二电阻；R3-第三电阻；R4-第四电阻；R5-第五电阻；R6-第六电阻；R9-上拉电阻；RC-三角波；Z1-第一稳压管；Z2-第二稳压管；Vin-输入电压；Vout-输出电压。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种高压浪涌抑制电路，包括电源、稳压控制电路、第一开关管和第二开关管；第一开关管和第二开关管上均设有漏极、源极和栅极；第一开关管和第二开关管串联，所述电源包括输入端和输出端，输入端与第一开关管的漏极连接，输出端与第二开关管的源极连接；第一开关管栅极和第二开关管的栅极分别连接有自举驱动电路；

稳压控制电路包括第一稳压管、第二稳压管、第一电容、第二电容和三极管，三极管的基极与分压电阻连接；第一稳压管和第二稳压管串联，第一稳压管的阴极通过第一电容与第一开关管的栅极连接，第二稳压管的阴极通过第二电容与第二开关管的栅极连接。

实施例2

参见图3和图4，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2串联接于输入母线上，第一功率开关管Q1的漏极接电路的输入端Vin，第二功率开关管Q2的源极接电路的输出端Vout，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的栅极分别连接相应的自举驱动电路，自举驱动电路受到稳压控制电路的作用。

稳压控制电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6，第一稳压管Z1、第二稳压管Z2，第二电容C2、第三电容C3，以及三极管Q3。其中三极管Q3的基极连接于分压电阻第三电阻R3和第四电阻R4之间，发射极与第四电阻R4的另一端相连接于地，集电极与第三电阻R3的另一端相连接于稳压管Z1的阳极；第一稳压管Z1与第二稳压管Z2串联，第一稳压管Z1与第二稳压管Z2的阴极经限流电阻第五电阻R5、第六电阻R6及第二电容C2、第三电容C3分别连接至第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的栅极；旁路电阻第二电阻R2并联于第二稳压管Z2的两端；限流电阻第一电阻R1与输入电压Vin相连。

实施例3

如图5所示，此时，电路的最大输出电压50V，需承受最大浪涌电压100V/50ms(0.5Ω)。稳压控制电路中第一稳压管Z1、第二稳压管Z2选用击穿电压为36V的稳压二极管，A点电压设计为8V。自举驱动电路主要由震荡电路、泵升电容和整流电路构成，其中C7为滤波电容，R9为上拉电阻，Ref和RC信号由电路中PWM控制器输出，Ref参考电平经电阻R7、R8分压后与RC三角波进行比较，使比较器U1输出方波信号，经电容C6及D1泵升为更高电平的方波信号，通过二极管D2、D3整流，电容C4、C5滤波，电阻R10、R11限流，稳压管Z3、Z4稳压后，最终分别输出gs1和gs2驱动信号，幅值约10V。当Vin<40V时，自举驱动电路对第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的栅极充电，让MOS管第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2始终处于导通状态，输入电压直接通过第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2为后级供电；当输入产生浪涌，电压突变到40～100V时，稳压控制电路工作，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2栅极电压被箝位，MOS管第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2进入线性工作区，使输出电压保持在40V，从而实现了对过压浪涌的抑制。在最大浪涌100V/50ms时，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的栅极电压分别被箝位在75V和45V左右，输出电压为40V，故两个MOSFET管第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2各承受了约30V的压降，相对均衡的吸收了过压功率。如图6所示，为电路在100V/50ms浪涌时的输入输出电压波形，可以看出在Vin<40V时，浪涌抑制电路输出电压Vout跟随输入电压Vin；在产生电压浪涌即Vin＝100V时，浪涌抑制电路输出电压Vout＝40V，达到了高压浪涌抑制的效果，与上述分析一致。

本发明高压浪涌抑制电路的工作原理为：

(1)在正常输入范围内，第一稳压管Z1、第二稳压管Z2、三极管Q3均处于截止状态，自举驱动电路产生MOS管栅极驱动电压，且随着输入电压Vin的升高，第一开关管Q1和第二开关管Q2的源极电压升高，在自举驱动电路作用下，第一开关管Q1和第二开关管Q2的栅极电压也相应升高，保证栅源极电压Vgs1和Vgs2为10V左右，使第一开关管Q1和第二开关管Q2处于饱和导通状态，电路正常输出，输出电压与输入电压相差两个功率开关管的导通压降。

(2)当输入侧Vin出现高压浪涌时，设第一稳压管Z1的击穿电压为Vz1，第二稳压管Z2的击穿电压为Vz2，A点的电压为V_A。若Vz1+V_A<Vin<Vz1+Vz2+V_A，电流通过第一电阻R1、第二电阻R2击穿第一稳压管Z1进行稳压，下端三极管偏置电路工作，第四电阻R4两端电压保持为三极管Q3的基极导通电压Ube，第三电阻R3和第四电阻R4分压作用将A点电压V_A也稳定，第二开关管Q2栅极电容C3由此支路放电，栅极电压Vg2被箝位，使栅源电压Vgs2小于MOS管开通阈值电压Vth，第二开关管Q2进入线性工作区，此时Vout＝Vg2-Vth，输出电压稳定，通过调节第三电阻R3和第四电阻R4的值可较为精确的设置浪涌保护电压值；另一方面，MOS管第一开关管Q1的栅极电容第二电容C2会通过第二电阻R2放电，随着Vin的改变，第二电阻R2上压降改变，故第一开关管Q1的栅极电压Vg1随Vin动态调节且被箝位在一固定电压，第一开关管Q1也工作于线性工作区，其源极电压Vs1＝Vg1-Vth，故MOS管第一开关管Q1和第二开关管Q2共同承担和吸收高压浪涌。通过选取第一电阻R1和第二电阻R2的值，可使过压功率相对均衡的分布在第一开关管Q1和第二开关管Q2上。

(3)当输入侧浪涌电压Vin达到Vin>Vz1+Vz2+V_A，第一稳压管Z1和第二稳压管Z2均被击穿，第一开关管Q1和第二开关管Q2的栅极电压Vg1和Vg2分别被箝位在一稳定值，两个MOSFET管第一开关管Q1和第二开关管Q2处于线性工作状态，共同承受压降，吸收过压功率，降低单个管子上的功率，使电路通过第一开关管Q1和第二开关管Q2两端电压降的控制达到浪涌抑制的效果。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种高压浪涌抑制电路，其特征在于，包括电源、稳压控制电路、第一开关管和第二开关管；第一开关管和第二开关管上均设有漏极、源极和栅极；第一开关管和第二开关管串联，所述电源包括输入端和输出端，输入端与第一开关管的漏极连接，输出端与第二开关管的源极连接；第一开关管的栅极和第二开关管的栅极分别连接有自举驱动电路；

稳压控制电路包括第一稳压管、第二稳压管、第一电容、第二电容、三极管，三极管的基极和分压电阻连接；第一稳压管和第二稳压管串联，第一稳压管的阴极通过第一电容与第一开关管的栅极连接，第二稳压管的阴极通过第二电容与第二开关管的栅极连接；所述分压电阻包括两个串联的第三电阻和第四电阻；三极管的基极连接在第三电阻和第四电阻之间，三极管的发射极与第四电阻的另一端共同接地；所述稳压控制电路还包括三极管的集电极，三极管的集电极与第三电阻的另一端连接在第一稳压管的阳极上。

2.根据权利要求1所述的高压浪涌抑制电路，其特征在于，所述稳压控制电路还包括限流电阻，限流电阻包括第一电阻、第五电阻和第六电阻，第一电阻与电源的输入端串联；第五电阻的一端与第二电容连接，另一端与第二稳压管连接；第六电阻的一端与第三电容连接，另一端与第一稳压管连接。

3.根据权利要求1所述的高压浪涌抑制电路，其特征在于，所述稳压控制电路还包括旁路电阻，旁路电阻包括第二电阻，第二电阻并联在第二稳压管的两端。

4.根据权利要求1所述的高压浪涌抑制电路，其特征在于，所述第一电容和第二电容均为滤波电容。

5.根据权利要求1所述的高压浪涌抑制电路，其特征在于，第一开关管和第二开关管均为MOS管。