CN113396321B - Mosfet过热检测 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于检测MOSFET(12)的结温的电路(10)。电路(10)包括MOSFET(12)；与MOSFET(12)的漏极或源极串联连接的感测电阻器(Rs)；用于将感测电阻器(Rs)两端的电压(Vr)放大预定值(K)的放大器(14)；以及用于将放大后的电压(KVr)与MOSFET(12)的漏极电压(Vds)进行比较的比较器(16)。

Description

MOSFET过热检测
技术领域
本发明涉及MOSFET过热检测。更具体地，本发明涉及一种用于检测MOSFET结过温的方法和电路。
背景技术
MOSFET用于各种电气应用，包括无刷电机。已知为MOSFET提供温度传感器以进行过热保护。负温度系数(NTC)热敏电阻器通常用作温度传感器来检测MOSFET结的过热条件。
图1展示了用于使用如NTC热敏电阻器(NTC1或NTC2)等温度传感器来检测MOSFET的结温的常规电路的示意图。当NTC热敏电阻器采用表面贴装封装时，其无法很好地与MOSFET接触，因此存在较大公差。当NTC热敏电阻器采用通孔插装封装时，该NTC热敏电阻器可以直接与MOSFET接触，但需要更多的时间来实现热传导和感测，从而导致响应时间变慢。此外，NTC热敏电阻只能检测MOSFET的表面温度。
图2示出了33k NTC热敏电阻器的电阻随温度变化的曲线图。可以看出，当温度低于0度时，随着温度的降低，电阻值急剧增加，而当温度高于60度时，随着温度的升高，电阻降低得非常缓慢，这使得识别温度变得困难。
因此，需要一种用于在不使用温度传感器的情况下对MOSFET结进行过热检测的改进的方法和电路。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于检测MOSFET的结温的电路。该电路包括：MOSFET；与该MOSFET的漏极或源极串联连接的感测电阻器；用于将该感测电阻器两端的电压(Vr)放大预定值(K)的放大器；以及用于将放大后的电压(KVr)与该MOSFET的漏极电压(Vds)进行比较的比较器。
该MOSFET的漏源导通电阻(Rdson)可以表示基于该Rdson与该MOSFET的结温之间的线性关系的结温。
该漏极电压(Vds)可以被描述为Vds＝I*(Rdson(t)+Rs)，其中，Rdson(t)是随该MOSFET的结温(t)变化的该MOSFET的漏源导通电阻，Rs是该感测电阻器的电阻，并且I是流经该MOSFET和该感测电阻器的电流。
该放大器的输入端(+)可以连接在该MOSFET与该感测电阻器之间。
该电路可以进一步包括在该放大器的输入端(-)与该放大器的输出端之间提供的可变电阻器。该可变电阻器可以被提供用于预先确定过温值。
该比较器可以被提供用于接收该放大后的电压(KVr)和该MOSFET的漏极电压(Vds)作为输入。该比较器可以被配置用于基于该比较生成过温信号(V0)。该比较器可以被配置用于当确定该MOSFET的漏极电压(Vds)大于该放大后的电压(KVr)时，生成该过温信号(V0)。
该电路可以进一步包括与门或异或门，该与门或该异或门被配置用于接收该过温信号。该与门或该异或门可以接收该MOSFET的栅极偏置(Vgs)并向控制器输出信号。
根据本发明的实施例，提供了一种用于检测MOSFET的结温的方法，包括：导通该MOSFET；将感测电阻器两端的电压(Vr)放大预定值(K)，其中，该感测电阻器与该MOSFET的漏极或源极串联连接；将放大后的电压(KVr)与该MOSFET的漏极电压(Vds)进行比较；确定该MOSFET的漏极电压(Vds)是否大于该放大后的电压(KVr)；以及基于该确定生成过温信号。
在该方法中，基于该确定生成过温信号可以包括当该MOSFET的漏极电压(Vds)大于该放大后的电压(KVr)时，生成过温信号。
该MOSFET的漏源导通电阻(Rdson)可以表示基于该Rdson与该MOSFET的结温之间的线性关系的结温。
该漏极电压(Vds)可以被描述为Vds＝I*(Rdson(t)+Rs)，其中，Rdson(t)是随该MOSFET的结温(t)变化的该MOSFET的漏源导通电阻，Rs是该感测电阻器的电阻，并且I是流经该MOSFET和该感测电阻器的电流。
通过考虑以下具体实施方式、附图和权利要求，本发明的其他特征和方面将变得清楚。
在详细解释本发明的任何独立构造之前，应该理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中展示的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他独立构造并且能够以各种方式来实践或执行。还应理解的是，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的，而不应被视为是限制性的。
本文使用的“包括”和“包含”及其变型旨在涵盖下文所列的项及其等同物、以及额外的项。本文使用的“由......组成”及其变型旨在仅涵盖下文所列的项及其等同物。
附图说明
本发明的这些和其他特征将从以下仅作为示例并参考附图的描述中变得更加明显。
图1示出了用于使用温度传感器来检测MOSFET的结温的常规电路的示意图。
图2示出了33k NTC热敏电阻器的电阻随温度变化的曲线图。
图3示出了随结温变化的MOSFET Rdson(漏源导通电阻)曲线的曲线图。
图4示出了随栅极偏置(Vgs)和漏极电流(Id)变化的MOSFET Rdson曲线的曲线图。
图5示出了根据本发明实施例的用于检测MOSFET结过温的电路的示意图。
图6示出了根据本发明另一实施例的用于检测MOSFET结过温的电路的示意图。
图7示出了根据本发明又一实施例的用于检测MOSFET结过温的电路的示意图。
在详细解释本发明的任何实施例之前，应该理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中展示的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。还应理解的是，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的，而不应被视为是限制性的。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例。
图3示出了随结温变化的MOSFET Rdson(漏源导通电阻)曲线的曲线图。可以看出，随着结温升高，漏源导通电阻(Rdson)近似线性增加。
图4示出了随栅极偏置(Vgs)和漏极电流(Id)变化的MOSFET Rdson(漏源导通电阻)曲线的曲线图。可以看出，当栅极偏置(Vgs)大于某个值(例如，5.5V)时，漏源导通电阻(Rdson)不受漏极电流(Id)影响。在这种情况下，漏源导通电阻(Rdson)仅与结温有关。
基于如上所解释的MOSFET的Rdson特征，提供了一种用于检测MOSFET结的过热条件的方法。
图5示出了根据本发明实施例的用于检测MOSFET结过温的电路的示意图。参考图5，提供了用于检测MOSFET(12)的结过温的电路(10)。电路(10)包括MOSFET(12)；与MOSFET(12)的源极或漏极串联连接的感测电阻器(Rs)；用于将感测电阻器(Rs)两端的电压(Vr)放大预定值(K)的放大器(14)；以及用于将放大后的电压(KVr)与MOSFET(12)的漏极电压(Vds)进行比较并基于该比较生成过温信号(V0)的比较器(16)。
设置参数
参考图5，当MOSFET(12)导通(即Vgs＝1)且温度低于某个温度(T)时，Vds可以描述为＜K*Vr。当温度升高且高于某个温度(T)时，漏极电压(Vds)将大于放大后的电压(KVr)。
电路工作原理
比较器(16)被设计为基于MOSFET的漏极电压(Vds)与放大后的电压(KVr)的比较来生成过温信号。当Vgs＝1且漏极电压(Vds)超过放大后的电压(KVr)时，比较器(16)的输出(V0)将根据具体的电路布置从0变为1，或从1变为0。当Vgs＝1且漏极电压(Vds)超过放大后的电压(KVr)，但漏极电压(Vds)与放大后的电压(KVr)几乎相等时，可以根据图5中的电路描述为等式(1)和(2)。I是流经MOSFET和感测电阻器(Rs)的电流。
Vds＝K*Vr (1)
I*(Rdson(T)+Rs)＝I*Rs*K (2)
从这些等式，可以推导出K为
K＝1+Rdson(T)/Rs (3)
现在，基于如图3中的示出漏源导通电阻(Rdson)与结温的关系的曲线图，得到以下等式(4)。
Rdson(T)＝J*Rdson(25℃) (4)
对于特定的MOSFET，Rdson(25℃)和J是特定值。然后，如下基于等式(3)和(4)来获得K。
K＝1+J*Rdson(25℃)/Rs (5)
结果
如果操作者想在温度T1下保护MOSFET(12)，则可以得到J1，并且可以如上所述得到K1。放大器(14)可以设置为将电压(Vr)放大K1倍。相应地，当MOSFET结温超过T1时，电路(10)操作以生成过温信号(V0)。
参考图6描述了用于检测MOSFET结的过温的一个示例电路布置。用于检测MOSFET结的过温的电路(20)包括MOSFET(22)。MOSFET(22)可以是N型或P型。这里使用N型MOSFET进行说明。电路(20)进一步包括放大器(U2A)、比较器(U1A)和与门(U3A)。可以提供与MOSFET(22)的源极串联连接的感测电阻器(Rs1)。放大器(U2A)的输入端(+)连接在MOSFET(22)与感测电阻器(Rs1)之间。将另一电阻器(R2)提供给放大器(U2A)的输入端(-)。可以在放大器(U2A)的输入端(-)与放大器(U2A)的输出端之间提供可变电阻器(R3)，以便预先确定过温值。放大器(U2A)的输出解释为等式(6)，并且放大值(K)提供为等式(7)。I是流经MOSFET(22)和感测电阻器(Rs1)的电流。
K*Vr＝I*Rs1*K (6)
放大器(U2A)的输出端连接到比较器(U1A)的输入端(-)。比较器(U1A)在比较器(U1A)的输入端(+)处还被提供有MOSFET(22)的漏极电压(Vds)。漏极电压(Vds)解释为如下等式(8)。
Vds＝1*(Rdson(t)+Rs1) (8)
比较器(U1A)被设计为将漏极电压(Vds)与放大器(U2A)的输出值(即，放大后的电压(KVr))进行比较，并确定漏极电压(Vds)是否大于放大器(U2A)的输出值。然后，比较器(U1A)可以基于该比较生成过温信号(V0)。
比较器(U1A)的过温信号(V0)和MOSFET(22)的栅极偏置(Vgs)可以输入到与门(U3A)，并且与门(U3A)生成到控制器的信号。
当MOSFET(22)导通时(即，当Vgs＝1时)，Vr是如等式(9)所解释的电流感测值，其中，I是流经MOSFET(22)和感测电阻器(Rs1)的电流。
Vr＝I*Rs1 (9)
Vr可以输入到放大器(U2A)，以便将其放大到I*Rs1*K，其中，K＝R3/R2+1。
参数可以在Vgs＝1的条件下进行设置。首先，当结温低于T度等温度时，可以描述为
Vds＝I*(Rdson(T)+Rs1)＜K*I*Rs1 (10)
则比较器(U1A)将输出低电平，例如，V0＝0。当结温高于T度等温度时，可以描述为
Vds＝I*(Rdson(T)+Rs1)＞K*I*Rs1 (11)
则比较器(U1A)将输出高电平，例如，V0＝1。过温信号(V0)和栅极偏置(Vgs)的值可以输入到与门(U3A)，并且当Vgs＝1且比较器(U1A)输出V0＝1时，与门(U3A)将向控制器输出高电平信号。当Vgs＝1且V0＝0，或Vgs＝0时，与门(U3A)将向控制器输出低电平信号。
图7示出了用于检测MOSFET结过温的另一示例电路布置。参考图7，提供了异或门(U3A)来取代图6中的与门。电路的其他元件与图6中提供的元件相同。
用于检测MOSFET结过温的电路(30)包括可以是N型或P型的MOSFET(22)。这里使用N型MOSFET进行说明。电路(30)进一步包括放大器(U2A)、比较器(U1A)和异或门(U3A)。可以提供与MOSFET(22)的源极串联连接的感测电阻器(Rs1)。放大器(U2A)的输入端(+)连接在MOSFET(22)与感测电阻器(Rs1)之间。将另一电阻器(R2)提供给放大器(U2A)的输入端(-)。可以在放大器(U2A)的输入端(-)与放大器(U2A)的输出端之间提供可变电阻器(R3)，以便预先确定过温值。放大器(U2A)的输出解释为等式(1)，并且放大值(K)提供为等式(6)和(7)，如上所述。
放大器(U2A)的输出端连接到比较器(U1A)的输入端(+)。比较器(U1A)在比较器(U1A)的输入端(-)处还被提供有MOSFET(22)的漏极电压(Vds)。漏极电压(Vds)解释为Vds＝1*(Rdson(t)+Rs1)。
比较器(U1A)被设计为将漏极电压(Vds)与放大器(U2A)的输出值(即，放大后的电压(KVr))进行比较，并确定漏极电压(Vds)是否大于放大器(U2A)的输出值。然后，比较器(U1A)可以基于该比较生成过温信号(V0)。
比较器(U1A)的过温信号(V0)和MOSFET(22)的栅极偏置(Vgs)可以输入到异或门(U3A)，并且异或门(U3A)生成到控制器的信号。
当MOSFET(22)导通时(即，当Vgs＝1时)，Vr被解释为Vr＝I*Rs1，其中，I是流经MOSFET(22)和感测电阻器(Rs1)的电流。Vr可以输入到放大器(U2A)，以便将其放大到I*Rs1*K，其中，K＝R3/R2+1，如参考图6所描述的。
参数可以在Vgs＝1的条件下进行设置。首先，当结温低于T度等温度时，可以描述为
Vds＝I*(Rdson(T)+Rs1)＜K*I*Rs1 (10)
则比较器(U1A)将输出高电平，例如，V0＝1。当结温高于T度等温度时，可以描述为
Vds＝I*(Rdson(T)+Rs1)＞K*I*Rs1 (11)
则比较器(U1A)将输出低电平，例如，V0＝0。过温信号(V0)和栅极偏置(Vgs)可以输入到异或门(U3A)，并且当Vgs＝1且比较器(U1A)输出V0＝0时，异或门(U3A)将向控制器输出高电平信号。当Vgs＝0且V0＝0，或Vgs＝1且V0＝1时，异或门(U3A)将向控制器输出低电平信号。
根据本发明，可以使用如图3所示的Rdson(t)与结温之间的关系在可编程温度下生成过温信号。可以在不使用温度传感器的情况下直接检测结温，精度高，检测速度快，且响应速度快。
应理解的是，以上仅示出和描述了可以执行本发明的实例，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下对其做出修改和/或变更。
还应理解的是，为清楚起见而在分开的实施例的背景下描述的本发明的某些特征还可以在单个实施例中以组合方式被提供。反过来，为简洁起见在单个实施例的背景下描述的本发明的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合来提供。

Claims (11)

1.一种用于检测MOSFET的结温的电路，包括：
MOSFET；
与该MOSFET的漏极或源极串联连接的感测电阻器；
用于将该感测电阻器两端的电压(Vr)放大预定值(K)的放大器，以及
用于将放大后的电压(KVr)与该MOSFET的漏极电压(Vds)进行比较的比较器，
其特征在于，该漏极电压(Vds)被描述为Vds＝I*(Rdson(t)+Rs)，其中，Rdson(t)是随该MOSFET的结温(t)线性变化的该MOSFET的漏源导通电阻，Rs是该感测电阻器的电阻，并且I是流经该MOSFET和该感测电阻器的电流。
2.如权利要求1所述的电路，其中，该放大器的正向输入端(+)连接在该MOSFET与该感测电阻器之间。
3.如权利要求1所述的电路，进一步包括在该放大器的负向输入端(-)与该放大器的输出端之间提供的可变电阻器。
4.如权利要求3所述的电路，其中，该可变电阻器被提供用于预先确定过温值。
5.如权利要求1所述的电路，其中，该比较器被提供用于接收该放大后的电压(KVr)和该MOSFET的漏极电压(Vds)作为输入。
6.如权利要求1所述的电路，其中，该比较器被配置用于基于该比较生成过温信号(V0)。
7.如权利要求6所述的电路，其中，该比较器被配置用于当确定该MOSFET的漏极电压(Vds)大于该放大后的电压(KVr)时，生成该过温信号(V0)。
8.如权利要求6所述的电路，进一步包括与门或异或门，该与门或该异或门被配置用于接收该过温信号。
9.如权利要求8所述的电路，该与门或该异或门接收该MOSFET的栅极偏置(Vgs)并向控制器输出信号。
10.一种用于检测MOSFET的结温的方法，包括：
导通该MOSFET；
将感测电阻器两端的电压(Vr)放大预定值(K)，其中，该感测电阻器与该MOSFET的漏极或源极串联连接；
将放大后的电压(KVr)与该MOSFET的漏极电压(Vds)进行比较；
确定该MOSFET的漏极电压(Vds)是否大于该放大后的电压(KVr)；以及
基于该确定生成过温信号，
其特征在于，该漏极电压(Vds)被描述为Vds＝I*(Rdson(t)+Rs)，其中，Rdson(t)是随该MOSFET的结温(t)线性变化的该MOSFET的漏源导通电阻，Rs是该感测电阻器的电阻，并且I是流经该MOSFET和该感测电阻器的电流。
11.如权利要求10所述的方法，其中，基于该确定生成过温信号包括当该MOSFET的漏极电压(Vds)大于该放大后的电压(KVr)时，生成过温信号。
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