CN115360672B - 基于SiC功率模块的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及保护电路技术，公开了基于SiC功率模块的保护电路，其包括温度采样单元、温度比较单元、电压调节单元和电流比较单元；其温度采样单元用于采集热敏电阻信号并将电阻信号转换为采样电压信号V_Temp，温度比较单元将接收的采样电压信号V_Temp与设置的温度参考电压阈值VREF2比较；通过电压调节单元获取过流保护参考电压VREF1；通过电流比较单元比较VREF1与电流的采样信号V_current的大小，当V_current＞VREF1，则拉低驱动使能信号，关闭PWM波。本发明通过纯硬件电路设计的保护电路，其不需要软件参与，动作速度极快能够有效进行保护SiC功率模块。

Description

基于SiC功率模块的保护电路
技术领域
本发明涉及保护电路技术，尤其涉及了基于SiC功率模块的保护电路。
背景技术
目前新能源汽车逆变器普遍采用IGBT模块，一般会搭配过温保护和过流保护，两者触发其中一项逆变器便会进行保护关闭PWM波，随着SIC器件的普及，越来越多的厂家会选择SIC功率模块搭建逆变器，设计出更高效更高功率密度的产品，而目前针对SIC功率模块的应用以及保护方式基本都是沿用IGBT模块的方法，由于SIC产品RDSON随着温度增加RDSON增大的程度远远小于IGBT，所以传统的单独的过流保护会限制SIC功率模块的性能。
如现有技术CN202111153240.1，其基于电阻检测，不能基于温度监测，如现有技术CN202010792829.5其通过软件进行保护的控制一种基于纯硬件器件过流保护的S iCMOSFET驱动电路。
发明内容
本发明针对现有技术中没有基于温度检测，无法完全发挥器件性能，通过通过软件控制，其响应慢，延时高，保护不及时的问题，提出了的基于SiC功率模块的保护电路。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
基于SiC功率模块的保护电路，包括温度采样单元、温度比较单元、电压调节单元和电流比较单元；其特征在于，
温度采样单元用于采集热敏电阻信号并将电阻信号转换为采样电压信号V_Temp，转换后的采样电压信号V_Temp输出至温度比较单元；温度比较单元将接收的采样电压信号V_Temp与设置的温度参考电压阈值VREF2比较；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则电压信号V_Temp输入至电压调节单元；
通过电压调节单元获取过流保护参考电压VREF1；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则VREF1＝(1+(R2+R3)/R4)*Vref；否则VREF1＝(1+R2/R4)*Vref；其中，R2、R3、R4为电阻值，Vref为参考电压；
通过电流比较单元比较VREF1与电流的采样信号V_current的大小，当V_current＞VREF1，则拉低驱动使能信号，关闭PWM波；否则返回至温度采样单元。
作为优选，温度采样单元包括热敏电阻N1、电阻R9、运算放大器U2；电阻R9一端接电源VCC，另一端与热敏电阻N1及运算放大器U2的正输入端连接；热敏电阻N1的另一端接地；运算放大器U2的负输入端与运算放大器U2的输出端连接。
作为优选，温度比较单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、MOSFET晶体管Q1和继电器RLY；电阻R7一端与电压VREFF连接，另一端与运算放大器U1的负输入端连接；电阻R7一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与运算放大器U1的正输入端及电阻R6连接；电阻R6的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端与电阻R5连接；电阻R5的另一端与MOSFET晶体管Q1的栅极连接，MOSFET晶体管Q1的源极接地，MOSFET晶体管Q1的漏极与继电器RLY连接。
作为优选，电压调节单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电源调节模块Z1；电阻R3与继电器RLY并联，电阻R3与继电器RLY并联后的一端与电阻R4及电源调节模块Z1连接，另一端与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电阻R1及电源调节模块Z1连接；电阻R4与电源调节模块Z1的一端接地。
作为优选，电流比较单元包括运算放大器U3、电压比较器U4、电压比较器U5；电压比较器U4的正输入端与电阻R1及电阻R13连接，电阻R13另一端与的输出端连接，电压比较器U4的输出端连接有二极管D3；电压比较器U5的正输入端与电阻R1及电阻R15连接，电阻R15另一端与电压比较器U5的输出端连接，电压比较器U5的输出端连接有二极管D4；二极管D3和二极管D4的另一端均连接有上拉电阻R17；电压比较器U5的负向输入端连接有限流电阻R14；和电压比较器U4的负向输入端连接有限流电阻R12；
运算放大器U3的正向输入端连接有电阻R16,运算放大器U3的负向输入端连接有电阻R10和电阻R11；电阻R16、电阻R10、电阻R11和运算放大器U3构成反相器。
作为优选，热敏电阻N1包括SiC功率模块内部NTC或SiC功率模块外部的NTC。
作为优选，电源调节模块Z1为TL431芯片。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明基于模块温度选择不同的过流保护点进行保护的方法，可以更大程度的提高SiC功率模块的利用率。
本发明的设计是纯硬件电路，不需要软件参与，动作速度极快能够有效进行保护SiC功率模块。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的控制流程图；
图3是本发明实施例1的电路图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
基于SiC功率模块的保护电路，包括温度采样单元、温度比较单元、电压调节单元和电流比较单元；通过附图2，其具体的控制流程为，温度采样单元用于采集热敏电阻信号并将电阻信号转换为采样电压信号V_Temp，转换后的采样电压信号V_Temp输出至温度比较单元；温度比较单元将接收的采样电压信号V_Temp与设置的温度参考电压阈值VREF2比较；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则电压信号V_Temp输入至电压调节单元；
通过电压调节单元获取过流保护参考电压VREF1；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则VREF1＝(1+(R2+R3)/R4)*Vref；否则VREF1＝(1+R2/R4)*Vref；其中，R2、R3、R4为电阻值，Vref为参考电压；
通过电流比较单元比较VREF1与电流的采样信号V_current的大小，当V_current＞VREF1，则拉低驱动使能信号，关闭PWM波；否则返回至温度采样单元。
实施例2
在实施例1基础上，通过附图2可知，本实施例温度采样单元包括热敏电阻N1、电阻R9、运算放大器U2；电阻R9一端接电源VCC，另一端与热敏电阻N1及运算放大器U2的正输入端连接；热敏电阻N1的另一端接地；运算放大器U2的负输入端与运算放大器U2的输出端连接。其中，热敏电阻N1包括SiC功率模块内部NTC。
Vtemp＝VCC*N1/(N1+R9)可以将NTC的阻值转化为对应的输出电压信号，随着温度的升高N1的阻值不断减小相应的VCC*N1/(N1+R9)的值也不断减小。
温度比较单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、MOSFET晶体管Q1和继电器RLY；电阻R7一端与电压VREFF连接，另一端与运算放大器U1的负输入端连接；电阻R7一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与运算放大器U1的正输入端及电阻R6连接；电阻R6的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端与电阻R5连接；电阻R5的另一端与MOSFET晶体管Q1的栅极连接，MOSFET晶体管Q1的源极接地，MOSFET晶体管Q1的漏极与继电器RLY连接。
电阻R7、电阻R8电阻为限流电阻，电阻R6为一个大阻值电阻一般取100kΩ，主要形成一个正反馈起到迟滞作用防止运算放大器U1误触发。
温度采样到的信号V_Temp与VREF2进行比较；随着温度升高V_Temp的值不断减小设定合适的VREF2的值；比如当温度为125度时对应的V_Temp的值，相应的运算放大器U1电平由高变为低，MOSFET晶体管Q1也从关闭变为开通状态从而控制继电器RLY1动作。
电压调节单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电源调节模块Z1；电阻R3与继电器RLY并联，电阻R3与继电器RLY并联后的一端与电阻R4及电源调节模块Z1连接，另一端与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电阻R1及电源调节模块Z1连接；电阻R4与电源调节模块Z1的一端接地。其中，电源调节模块Z1为TL431芯片。
VREF1＝(1+(R2+R3)/R4)*Vref，Vref为电源调节模块Z1内部引脚参考电压，可知当继电器RLY1动作则电阻R4将被短路，VREF1＝(1+R2/R4)*Vref,VREF1的值将变小。
随着温度的升高到125度，本设计中温度设置为125度；相应的电流保护点，即图中VREF1的值将减小，这样就实现了随着温度变化电流保护值也变化的效果。
电流比较单元包括运算放大器U3、电压比较器U4、电压比较器U5；电压比较器U4的正输入端与电阻R1及电阻R13连接，电阻R13另一端与的输出端连接，电压比较器U4的输出端连接有二极管D3；电压比较器U5的正输入端与电阻R1及电阻R15连接，电阻R15另一端与电压比较器U5的输出端连接，电压比较器U5的输出端连接有二极管D4；二极管D3和二极管D4的另一端均连接有上拉电阻R17；电压比较器U5的负向输入端连接有限流电阻R14；和电压比较器U4的负向输入端连接有限流电阻R12；
运算放大器U3的正向输入端连接有电阻R16,运算放大器U3的负向输入端连接有电阻R10和电阻R11；电阻R16、电阻R10、电阻R11和运算放大器U3构成反相器。
其中电阻R10与电阻R11的值应相同，即输入输出反向，电压值大小不变；二极管D1、二极管D2单相导通作用，电阻R12、电阻R14为限流电阻，一般取100Ω；
电阻R13、电阻R15为一个大阻值，电阻一般取100kΩ，主要形成一个正反馈起到迟滞作用防止电压比较器U4、电压比较器U5误触发；
二极管D3、二极管D4单相导通作用，R17为上拉电阻起抗干扰作用。图中电流信号经过电流信号处理单元后变为正负电压信号；比如采样电流为±400A对应电压信号为±2V，与采用的电流传感器型号有关。
当采样电流为正信号V_current时直接通过二极管D1、电阻R12与参考电压VREF1进行比较；当采样电流为负信号V_current是先经过电阻R10、电阻R11、电阻R16、运算放大器U3构成的反相器变为正信号在通过二极管D2、电阻R14与参考电压VREF1进行比较，如果电流大于设定值则比较器翻转输出低电平，将驱动芯片使能引脚信号拉低关闭PWM波，起到保护作用。
实施例3
在上述实施例基础上，与实施例2所不同的是本实施例的热敏电阻N1为SiC功率模块外部的NTC。

Claims (5)

1.基于SiC功率模块的保护电路，包括温度采样单元、温度比较单元、电压调节单元和电流比较单元；其特征在于，
温度采样单元包括热敏电阻N1、电阻R9、运算放大器U2；电阻R9一端接电源VCC，另一端与热敏电阻N1及运算放大器U2的正输入端连接；热敏电阻N1的另一端接地；运算放大器U2的负输入端与运算放大器U2的输出端连接；
电压调节单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电源调节模块Z1；电阻R3与继电器RLY并联，电阻R3与继电器RLY并联后的一端与电阻R4及电源调节模块Z1连接，另一端与电阻R2连接，电阻R2的另一端与电阻R1及电源调节模块Z1连接；电阻R4与电源调节模块Z1的一端接地；
温度采样单元用于采集热敏电阻信号并将电阻信号转换为采样电压信号V_Temp，转换后的采样电压信号V_Temp输出至温度比较单元；温度比较单元将接收的采样电压信号V_Temp与设置的温度参考电压阈值VREF2比较；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则电压信号V_Temp输入至电压调节单元；
通过电压调节单元获取过流保护参考电压VREF1；当采样电压信号V_Temp大于温度参考电压阈值VREF2，则VREF1＝(1+(R2+R3)/R4)*Vref；否则VREF1＝(1+R2/R4)*Vref；其中，R2、R3、R4为电阻值，Vref为参考电压；
通过电流比较单元比较VREF1与电流的采样信号V_current的大小，当V_current＞VREF1，则拉低驱动使能信号，关闭PWM波；否则返回至温度采样单元。
2.根据权利要求1所述的基于SiC功率模块的保护电路，其特征在于，温度比较单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U1、MOSFET晶体管Q1和继电器RLY；电阻R7一端与电压VREFF连接，另一端与运算放大器U1的负输入端连接；电阻R7一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与运算放大器U1的正输入端及电阻R6连接；电阻R6的另一端与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的输出端与电阻R5连接；电阻R5的另一端与MOSFET晶体管Q1的栅极连接，MOSFET晶体管Q1的源极接地，MOSFET晶体管Q1的漏极与继电器RLY连接。
3.根据权利要求1所述的基于SiC功率模块的保护电路，其特征在于，电流比较单元包括运算放大器U3、电压比较器U4、电压比较器U5；电压比较器U4的正输入端与电阻R1及电阻R13连接，电阻R13另一端与的输出端连接，电压比较器U4的输出端连接有二极管D3；电压比较器U5的正输入端与电阻R1及电阻R15连接，电阻R15另一端与电压比较器U5的输出端连接，电压比较器U5的输出端连接有二极管D4；二极管D3和二极管D4的另一端均连接有上拉电阻R17；电压比较器U5的负向输入端连接有限流电阻R14；和电压比较器U4的负向输入端连接有限流电阻R12；
运算放大器U3的正向输入端连接有电阻R16,运算放大器U3的负向输入端连接有电阻R10和电阻R11；电阻R16、电阻R10、电阻R11和运算放大器U3构成反相器。
4.根据权利要求1所述的基于SiC功率模块的保护电路，其特征在于，热敏电阻N1包括SiC功率模块内部NTC或SiC功率模块外部的NTC。
5.根据权利要求1所述的基于SiC功率模块的保护电路，其特征在于，电源调节模块Z1为TL431芯片。
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