CN113691246A - 一种功率开关管的过流保护电路和过流保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种功率开关管的过流保护电路和过流保护方法，所述过流保护电路包括电压采样电路用于采集功率开关管的去饱和电压并输出给比较器的第一输入端；基准电压电路生成基准电压并输出给比较器的第二输入端；比较器将去饱和电压与基准电压比较后输出低电平或高电平给驱动器输出端电源关断电路，控制驱动器输出端电源的通断，控制驱动器输出端的栅极驱动信号的通断，从而通过栅极驱动电路控制功率开关管的通断。本发明在去饱和检测的基础上，直接关断驱动器输出端的驱动信号，不需要经过驱动器内部的控制逻辑来关断输出端的驱动信号，从而快速关断功率开关管。
Description
技术领域
本发明涉及空调技术领域，具体而言，涉及一种功率开关管的过流保护电路和过流保护方法。
背景技术
变频空调所使用的变频技术都使用功率开关管来实现。功率开关管可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)或智能功率模块(IPM)等功率器件，另外，变频的实现还离不开单片机和功率开关管驱动器。
目前，对功率开关管的过流检测方式有两种，一种是检测开关管的输出负载电流，另一种方式是根据功率开关管的饱和特性，检测开关管的导通电压，此两种方式检测完成之后都需要将故障信号传至驱动器的输入端，再根据驱动器的内部控制逻辑来控制输出端输出关断信号，不能直接关断驱动器的输出端信号，也就是直接驱动功率开关管的这一端，因此，不能快速的关断IGBT、MOSFET或IPM，形成快速保护。
发明内容
本发明解决的问题是如何在功率开关管输出过流时能够快速关断开关管。
为解决上述问题，本发明提供一种功率开关管的过流保护电路，包括：驱动器、功率开关管、比较器、栅极驱动电路、电压采样电路、基准电压电路和驱动器输出端电源关断电路；所述栅极驱动电路一端与驱动器连接，一端与功率开关管的栅极连接；所述电压采样电路，一端与功率开关管连接，一端与比较器的第一输入端连接，用于采集功率开关管的去饱和电压并输出给比较器的第一输入端；所述基准电压电路与比较器的第二输入端连接，基准电压电路生成基准电压并输出给比较器的第二输入端；所述驱动器输出端电源关断电路一端与比较器的输出端连接，一端与驱动器连接，用于控制驱动器输出端电源的通断；所述比较器将去饱和电压与基准电压比较后输出低电平或高电平给驱动器输出端电源关断电路，控制驱动器输出端电源的通断，控制驱动器输出端的栅极驱动信号的通断，从而通过栅极驱动电路控制功率开关管的通断。
本发明在去饱和检测的基础上，直接关断驱动器输出端的驱动信号，不需要经过驱动器内部的控制逻辑来关断输出端的驱动信号，从而达到快速关断功率开关管的目的。
进一步地，所述驱动器的输出端包括电源VC，栅极驱动端VG和公共端VE。
进一步地，所述比较器的电源与驱动器的输出端的电源VC同电位，比较器的公共端与驱动器的输出端的公共端VE同电位。
进一步地，所述功率开关管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
进一步地，所述栅极驱动电路由第八电阻器、第九电阻器和电容器组成，所述第八电阻器一端与驱动器的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，所述第九电阻器一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接，所述电容器一端与IGBT或MOSFET驱动器的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，第九电阻器一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接。
驱动器的驱动信号通过栅极驱动电路控制功率开关管，栅极驱动电路同时起到限流和滤波的作用。
进一步地，所述电压采样电路由第一二极管、第七电阻器、第五电阻器和第六电阻器组成，所述第一二极管的阴极与IGBT集电极或MOSFET漏极连接，第一二极管的阳极与第七电阻器的一端串联，所述第七电阻器的另一端与所述比较器的第一输入端连接，所述第五电阻器的一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器的第一输入端连接，第六电阻器的一端与所述比较器的第一输入端连接，另一端与所述驱动器的公共端VE连接。
电压采样电路用于检测IGBT的集电极VC-发射极VE之间的电压VCE或MOSFET的漏极VD-源极VS之间的电压VDS，并将其输出给比较器的第一输入端。
进一步地，所述基准电压电路由第三电阻器和第四电阻器组成，所述第三电阻器一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器的第二输入端连接，所述第四电阻器一端与所述比较器的第二输入端连接，另一端与所述驱动器的公共端VE连接。
基准电压电路通过第三电阻器和第四电阻器分压后输出基准电压给比较器的第二输入端，该基准电压与功率开关管的电压保护值相等。
进一步地，驱动器输出端电源关断电路由三极管，第一电阻器和第二电阻器组成，三极管的发射极与驱动器输出端电源VC连接，所述三极管基极与所述比较器的输出端连接，所述三极管的集电极与驱动器输出端电源VC连接，第一电阻器一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器的输出端连接，第二电阻器的一端与所述比较器的输出端连接，另一端与所述驱动器的公共端VE连接。
若第一输入端的电压小于第二输出端的基准电压，比较器输出低电平，比较器输出低电平时，三极管处于饱和区，三极管此时为导通状态，相当于导线；若第一输入端的电压大于第二输出端的基准电压，比较器输出高电平，比较器输出高电平时，三极管处于截止区，三极管断路，驱动器输出端电源关断。
进一步地，还包括放电电路，所述放电电路由第二二极管和第十电阻器组成，第二二极管阳极与IGBT或MOSFET栅极连接，第二二极管阴极与第十电阻器一端串联，所述第十电阻器另一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接。
当功率开关管连通时，放电电路中的第二二极管处于截止状态，当功率开关管断开时，集电极和栅极之间会产生一个很大的压差,由于功率开关管存在寄生电容即米勒电容，此压差会通过米勒电容产生寄生电流即米勒电流，此时第二二极管连通，通过放电电路对米勒电流放电，使得所有元件复位。
本发明还提供了一种功率开关管的过流保护方法，基于上述的功率开关管的过流保护电路，包括以下步骤：
电压采样电路实时检测功率开关管的去饱和电压；
比较器比较去饱和电压和基准电压电路生成的基准电压；
当去饱和电压大于基准电压时，比较器输出高电平；
当比较器输出高电平时，驱动器输出端电源关断电路断路，驱动器输出端电源被断开，功率开关管的栅极驱动信号断开，使功率开关管断开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为实施例1中的过流保护电路的示意图；
图2为实施例2中的过流保护方法的示意图。
附图标记说明：
100-驱动器；101-功率开关管；102-比较器；103-栅极驱动电路；105-电压采样电路；106-基准电压电路；107-驱动器输出端电源关断电路；201-三极管；202-第一电阻器；203-第二电阻器；204-第三电阻器；205-第四电阻器；206-第五电阻器；207-第六电阻器；208-第七电阻器；209-第一二极管；210-第八电阻器；211-电容器；212-第九电阻器；213-第二二极管；214-第十电阻器。
具体实施方式
目前，对功率开关管的过流保护方式有两种，一种是检测开关管的输出负载电流，具体该方式的检测原理是，负载电流经过转换器转换成电压信号，经过放大器放大该信号后与设定的阈值信号进行比较(该阈值信号对应开关管的电流保护值)，大于阈值电压时，输出故障信号给单片机，单片机再发出关指令给开关管驱动器，使功率开关管断开，或者该故障信号传输至开关管驱动器的输入端，通过该驱动器的内部功能逻辑控制驱动器的输出端输出关断信号，使功率开关管断开。
另一种方式是根据功率开关管的饱和特性，检测开关管的导通电压，在开关管中实施快速去饱和检测。在IGBT过载期间，集电极-发射极电压VCE快速增加，同时IGBT离开饱和状态，即去饱和。类似地，在用于MOSFET的过载期间，负载电流的增加，将导致漏极-源极电压VDS快速增加。检测到该电压与设定的阈值电压进行比较，大于阈值电压时，输出故障信号给单片机，单片机再发出关指令给开关驱动器，使功率开关管断开，或者传输至开关管驱动芯片的输入端，通过该驱动芯片的内部功能逻辑控制驱动器的输出端输出关断信号，使功率开关管断开。
此两种方式不能快速的关断IGBT、MOSFET或IPM，形成快速保护。
对于功率开关管过流检测的两种方式，直接检测开关管的导通状态下的饱和压降是最直接的，快速性优于通过负载电流检测的方式，因此，本发明在检测饱和压降的基础上，直接关断驱动器输出端信号，不需要经过驱动器内部的控制逻辑来关断输出端信号，从而达到快速关断功率开关管的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种功率开关管的过流保护电路，包括：驱动器100、功率开关管101、比较器102、栅极驱动电路103、电压采样电路105、基准电压电路106和驱动器输出端电源关断电路107；
所述栅极驱动电路103一端与驱动器100连接，一端与功率开关管101的栅极连接；所述电压采样电路105，一端与功率开关管101连接，一端与比较器102的第一输入端连接，用于采集功率开关管101的去饱和电压并输出给比较器102的第一输入端；所述基准电压电路106与比较器102的第二输入端连接，基准电压电路106生成基准电压并输出给比较器102的第二输入端；所述驱动器输出端电源关断电路107一端与比较器102的输出端连接，一端与驱动器100连接，用于控制驱动器输出端电源的通断；
所述比较器102将去饱和电压与基准电压比较后输出低电平或高电平给驱动器输出端电源关断电路107，控制驱动器输出端电源的通断，控制驱动器100输出端的栅极驱动信号的通断，从而通过栅极驱动电路103控制功率开关管101的通断。
本发明在去饱和检测的基础上，直接关断驱动器输出端的驱动信号，不需要经过驱动器内部的控制逻辑来关断输出端的驱动信号，从而达到快速关断功率开关管的目的。
驱动器100的输出端包括电源VC，栅极驱动端VG和公共端VE；
功率开关管101为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
IGBT或MOSFET中包括续流二极管，在IGBT或MOSFE关断时对感性负载进行续流。
比较器102的电源与驱动器100的输出端的电源VC同电位，比较器102的公共端与驱动器100的输出端的公共端VE同电位。
栅极驱动电路103由第八电阻器210、第九电阻器212和电容器211组成，第八电阻器210一端与驱动器100的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，第九电阻器212一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接，电容器211一端与IGBT或MOSFET驱动器100的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，第九电阻器212一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接。
驱动器的驱动信号通过栅极驱动电路103控制功率开关管101，栅极驱动电路同时起到限流和滤波的作用。
电压采样电路105由第一二极管209、第七电阻器208、第五电阻器206和第六电阻器207组成，第一二极管209的阴极与IGBT集电极或MOSFET漏极连接，第一二极管209的阳极与第七电阻器208的一端串联，第七电阻器208的另一端与比较器102的第一输入端连接，第五电阻器206的一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与比较器102的第一输入端连接，第六电阻器207的一端与比较器102的第一输入端连接，另一端与驱动器100的公共端VE连接。
电压采样电路105用于检测IGBT的集电极VC-发射极VE之间的电压VCE或MOSFET的漏极VD-源极VS之间的电压VDS，并将其输出给比较器102的第一输入端。
功率开关管101断开时，第一二极管209阴极电压等于母线电压Vps，即整流滤波后的电压，远大于第一二极管209的阳极电压，因此，第一二极管209在功率开关管101断开时，保持断开；当功率开关管101连通时，饱和导通电压很小，第一二极管209阴极电压小于阳极电压，第一二极管209导通，此时比较器102的第一输入端的电压即为功率开关管101的饱和电压加上二极管209的导通电压加上电阻208两端电压：V入1＝VCE/DS+VD209+VR208，以此来检测功率开关管101的饱和导通压降，在功率开关管101过载期间，VCE或VDS快速增加，同时功率开关管101离开饱和状态，即去饱和状态，此时V入1的大小即可反应VCE或VDS的大小。
基准电压电路106由第三电阻器204和第四电阻器205组成，第三电阻器204一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与比较器102的第二输入端连接，第四电阻器205一端与比较器102的第二输入端连接，另一端与驱动器100的公共端VE连接。
基准电压电路106通过第三电阻器204和第四电阻器205分压后输出基准电压给比较器102的第二输入端，该基准电压与功率开关管101的电压保护值相等。
驱动器输出端电源关断电路107由三极管201，第一电阻器202和第二电阻器203组成，三极管201的发射极与驱动器100输出端电源VC连接，三极管201基极与比较器102的输出端连接，三极管201的集电极与驱动器100输出端电源VC连接，第一电阻器202一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与比较器102的输出端连接，第二电阻器203的一端与比较器102的输出端连接，另一端与驱动器100的公共端VE连接。
若第一输入端的V入1小于第二输出端的基准电压，比较器102输出低电平，比较器102输出低电平时，三极管201处于饱和区，三极管此时为导通状态，相当于导线；若第一输入端的V入1大于第二输出端的基准电压，比较器102输出高电平，比较器102输出高电平时，三极管201处于截止区，三极管201断路，驱动器输出端电源关断。
保护电路还包括放电电路104，放电电路104由第二二极管213和第十电阻器214组成，第二二极管213阳极与IGBT或MOSFET栅极连接，第二二极管213阴极与第十电阻器214一端串联，第十电阻器214另一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接。
当功率开关管101连通时，放电电路104中的第二二极管213处于截止状态，当功率开关管101断开时，集电极和栅极之间会产生一个很大的压差,由于功率开关管101存在寄生电容即米勒电容，此压差会通过米勒电容产生寄生电流即米勒电流，此时第二二极管213连通，通过放电电路104对米勒电流放电，使得所有元件复位。
实施例2
一种功率开关管的过流保护方法，基于实施例1中的功率开关管的过流保护电路，
步骤S1、电压采样电路105实时检测功率开关管101的去饱和电压；
步骤S2、比较器102比较去饱和电压和基准电压电路106生成的基准电压；
步骤S3、当去饱和电压大于基准电压时，比较器102输出高电平；
步骤S4、当比较器102输出高电平时，驱动器输出端电源关断电路107断路，驱动器输出端电源被断开，功率开关管101的栅极驱动信号断开，使功率开关管101断开。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，包括：驱动器(100)、功率开关管(101)、比较器(102)、栅极驱动电路(103)、电压采样电路(105)、基准电压电路(106)和驱动器输出端电源关断电路(107)；
所述栅极驱动电路(103)一端与驱动器(100)连接，一端与功率开关管(101)的栅极连接；
所述电压采样电路(105)，一端与功率开关管(101)连接，一端与比较器(102)的第一输入端连接，用于采集功率开关管(101)的去饱和电压并输出给比较器(102)的第一输入端；
所述基准电压电路(106)与比较器(102)的第二输入端连接，基准电压电路(106)生成基准电压并输出给比较器(102)的第二输入端；
所述驱动器输出端电源关断电路(107)一端与比较器(102)的输出端连接，一端与驱动器(100)连接，用于控制驱动器输出端电源的通断；
所述比较器(102)将去饱和电压与基准电压比较后输出低电平或高电平给驱动器输出端电源关断电路(107)，控制驱动器输出端电源的通断，控制驱动器(100)输出端的栅极驱动信号的通断，从而通过栅极驱动电路(103)控制功率开关管(101)的通断。
2.根据权利要求1所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，所述驱动器(100)的输出端包括电源VC，栅极驱动端VG和公共端VE。
3.根据权利要求1所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，所述比较器(102)的电源与驱动器(100)的输出端的电源VC同电位，比较器(102)的公共端与驱动器(100)的输出端的公共端VE同电位。
4.根据权利要求1所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，
所述功率开关管(101)为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。
5.根据权利要求4所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，所述栅极驱动电路(103)由第八电阻器(210)、第九电阻器(212)和电容器(211)组成，所述第八电阻器(210)一端与驱动器(100)的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，所述第九电阻器(212)一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接，所述电容器(211)一端与IGBT或MOSFET驱动器(100)的栅极驱动端VG连接，另一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，第九电阻器(212)一端与IGBT或MOSFET的栅极连接，另一端与IGBT发射极或MOSFET源极连接。
6.根据权利要求4所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，所述电压采样电路(105)由第一二极管(209)、第七电阻器(208)、第五电阻器(206)和第六电阻器(207)组成，所述第一二极管(209)的阴极与IGBT集电极或MOSFET漏极连接，第一二极管(209)的阳极与第七电阻器(208)的一端串联，所述第七电阻器(208)的另一端与所述比较器(102)的第一输入端连接，所述第五电阻器(206)的一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器(102)的第一输入端连接，第六电阻器(207)的一端与所述比较器(102)的第一输入端连接，另一端与所述驱动器(100)的公共端VE连接。
7.根据权利要求4所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，所述基准电压电路(106)由第三电阻器(204)和第四电阻器(205)组成，所述第三电阻器(204)一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器(102)的第二输入端连接，所述第四电阻器(205)一端与所述比较器(102)的第二输入端连接，另一端与所述驱动器(100)的公共端VE连接。
8.根据权利要求4所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，驱动器输出端电源关断电路(107)由三极管(201)，第一电阻器(202)和第二电阻器(203)组成，三极管(201)的发射极与驱动器(100)输出端电源VC连接，所述三极管(201)基极与所述比较器(102)的输出端连接，所述三极管(201)的集电极与驱动器(100)输出端电源VC连接，第一电阻器(202)一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接，另一端与所述比较器(102)的输出端连接，第二电阻器(203)的一端与所述比较器(102)的输出端连接，另一端与所述驱动器(100)的公共端VE连接。
9.根据权利要求4所述的一种功率开关管的过流保护电路，其特征在于，还包括放电电路(104)，所述放电电路(104)由第二二极管(213)和第十电阻器(214)组成，第二二极管(213)阳极与IGBT或MOSFET栅极连接，第二二极管(213)阴极与第十电阻器(214)一端串联，所述第十电阻器(214)另一端与IGBT或MOSFET栅极驱动电源VC连接。
10.一种功率开关管的过流保护方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一所述的功率开关管的过流保护电路，包括以下步骤：
电压采样电路(105)实时检测功率开关管(101)的去饱和电压；
比较器(102)比较去饱和电压和基准电压电路(106)生成的基准电压；
当去饱和电压大于基准电压时，比较器(102)输出高电平；
当比较器(102)输出高电平时，驱动器输出端电源关断电路(107)断路，驱动器输出端电源被断开，功率开关管(101)的栅极驱动信号断开，使功率开关管(101)断开。
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