CN206894602U

CN206894602U - Mosfet并联过流保护电路

Info

Publication number: CN206894602U
Application number: CN201720417856.8U
Authority: CN
Inventors: 朱利东; 陈�峰
Original assignee: Days Cable (suzhou) Control Technology Co Ltd
Current assignee: Days Cable (suzhou) Control Technology Co Ltd
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2027-04-20

Abstract

本实用新型揭示了一种MOSFET并联过流保护电路，包括一组并联的MOSFET及驱动MOSFET工作的驱动电路,还包括电压采样电路及电压比较电路，电压采样电路用于采集并联的MOSFET的源漏极电压并生成第一比较电压输出给所述电压比较电路，电压比较电路将第一比较电压与第二比较电压比较后发送低或高电平控制驱动电路关断或不关断MOSFET门极驱动信号的输出。本实用新型设计精巧，电路结构简单，通过设计采样电阻检测V_DS反应漏极电流I_D，省去了电流传感器的结构，有利于降低成本；由于没有软件介入，因此相应速度快，可靠性高，并且，第二比较电压采用温度补偿电压，相对于预设的固定过流保护门限电压，门限电压可调，与实际工况条件更契合，因而适用性更强，应用更灵活。

Description

MOSFET并联过流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种过流保护电路，尤其是一种MOSFET并联过流保护电路。

背景技术

金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为N型与P型两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET。

MOSFET以其高频性能好、开关损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单等优点，得到了广泛的应用。在许多低压大功率的应用场合，如电动三轮车、旅游观光电动汽车、小型电动叉车，尤其是国内近几年大力推广的A00级别的双80和双100的纯电动汽车等，都无一例外的采用了MOSFET并联的方法。

但是并联的各MOSFET由于工艺差异、PCB板布线等问题，极易因电流不平衡而引起的损耗发热严重失衡，从而最终导致失效，所以对于MOS管的过流保护就显得十分重要，目前常用的过流保护有以下两种方法，其主要的优缺点如下：

1、软件电流采样和过流保护：处理器实时采集电流传感器输出的电流采样信号，通过一定的算法判断在目前工况条件下是否属于过流状态，如果需要的话，及时关断PWM驱动信号。由于软件的处理，使其在控制方法上具有很大的灵活性和智能性，譬如能根据电机和主要功率器件的实时温度动态调节过流保护点。但也正因为软件的介入，导致过流保护的响应时间比较长，可靠性比较低，特别是对于瞬间大电流保护或短路保护没有太大的效果。

2、硬件过流保护：将电流传感器输出的采样信号传输至硬件比较单元，将实时的采样值与预先设定好的过流保护门限电压进行比较后，关断PWM驱动信号的输出，具有响应速度快、可靠性高等优点。但是因其过流保护点是固定的，所以在复杂工况条件下没有很好的适应性，无法做到智能补偿。

同时，以上两种方法均采用了传统的输出端电流传感器采样，在成本上会有所增加，而且就单个保护方式而言，无法做到很全面的保护。

另外，由于MOSFET允许承受的最大电流会随着温度条件的变化而发生改变，而目前的过流保护措施缺少对温度因素的考虑。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种MOSFET并联过流保护电路。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

MOSFET并联过流保护电路，包括一组并联的MOSFET及驱动所述MOSFET工作的驱动电路,还包括电压采样电路及电压比较电路，所述电压采样电路用于采集并联的MOSFET的源漏极电压并生成第一比较电压输出给所述电压比较电路，所述电压比较电路将第一比较电压与第二比较电压比较后输出低或高电平以控制所述驱动电路关断或不关断MOSFET门极驱动信号的输出。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述电压采样电路包括二极管、电阻、第一采样电阻及第二采样电阻，所述二极管的阴极接各MOSFET的漏极，所述二极管的阳极连接电阻的一端，所述电阻的另一端连接所述驱动电路的输出端及各MOSEFT的栅极，所述二极管的阳极还接第一采样电阻的一端，所述第一采样电阻的另一端接所述电压比较电路中比较器的反向输入端及第二采样电阻的一端，所述第二采样电阻的另一端接MOSEFT的漏极。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述电阻的阻值与所述MOSFET的驱动电压成正比。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述第一比较电压满足如下公式：

V1=（V_DS+V_D1）×R2/（R2+R1）

其中，V_DS是MOSFET漏源极电压，V_D1是二极管正向导通电压。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述第二比较电压是预设的基准电压。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：还包括温度补偿电路，用于采样MOSFET的运行温度并生成所述第二比较电压。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述温度补偿电路包括第三分压电阻及温度采样电阻，所述第三分压电阻的一端接电源端，其另一端接温度采样电阻的一端及所述电压比较电路中比较器的正向输入端，所述温度采样电阻的另一端接地。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述温度采样电阻为负温度系数热敏电阻。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述温度采样电阻与MOSEFT紧邻设置。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述第三分压电阻的阻值远离所述温度采样电阻的阻值变化范围以使根据如下公式计算的第二比较电压的变化幅度不超过设定值，

V2=VCC×R5/（R4+R5）

其中,VCC为电源端输入电压。

优选的，所述的MOSFET并联过流保护电路，其中：所述MOEFET并联过流保护电路至少应用于低电压大功率电机控制器的驱动电路中。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

1.本实用新型设计精巧，电路结构简单，根据MOS管的漏源极电压V_DS随漏极电流I_D变化的特性曲线，通过设计采样电阻来检测V_DS以反应漏极电流I_D，从而省去了电流传感器的结构，有利于降低成本；同时，由于没有软件介入，因此相应速度快，可靠性高，并且，第二比较电压采用温度补偿电压，相对于预设的固定过流保护门限电压，门限电压可调，与实际工况条件更契合，因而适用性更强，应用更灵活。

2.通过对电阻R3的设计，一来可以减小由二极管引起的米勒电容的影响，二来可以尽量少的从驱动信号上吸收电流，减小损耗。

3.由于结合了温度补偿电路来进行补偿，当MOSFET所处环境温度较高时，通过温度采样，能够自动降低过流保护点的触发电流值，从而起到保护控制器硬件的效果；反之，当MOSFET所处的环境温度较低时，自动升高过流保护点的电流值，允许控制器输出更大的电流，因此能适应复杂的工况条件，同时由于对温度采样电阻的优选以及对第三分压电阻的阻值研究，从而保证在进行过流保护时，能够以电流变化为主要保护因素，以温度因此进行细微的补偿。

附图说明

图1 是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的电路图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

本实用新型揭示了MOSFET并联过流保护电路，优选应用于低电压大功率电机控制器的驱动电路中，所述驱动电路基于交流电机的三相对称结构，如附图1-附图2所示，仅针对交流电机的U相驱动回路中的下桥电路描述了各个功能模块及相互间的关系。

所述MOSFET并联过流保护电路包括一组并联的MOSFETQ₁，Q₂-Q_N及驱动所述MOSFET工作的驱动电路1,所述MOEFETQ₁，Q₂-Q_N的漏极均连接交流电机的U相输出端,它们的源极均连接直流电源的负极DC-,它们的栅极分别通过电阻R₇，R₈-R_N分别接所述驱动电路1的输出端，所述驱动电路1包括缓冲器U2，所述缓冲器U2连接MOSFET门极驱动信号端GATE，通过所述缓冲器U2的导通和关断来控制所述MOSFET门极驱动信号的输出与否。

所述缓冲器U2的导通和关断通过电压比较电路3来进行控制，所述电压比较电路3包括比较器U1，所述比较器U1的反向输入端接收第一比较电压V1，所述比较器U1的正向输入端接收第二比较电压V2，其输出端连接所述缓冲器U2并通过电阻R6接电源端；所述电压比较电路3将接收的第一比较电压V1与第二比较电压V2比较后，发送低或高电平以控制所述缓冲器U2的关断或导通，进而关断或不关断所述MOSFET门极驱动信号的输出。

所述第一比较电压V1由电压采样电路2生成，所述电压采样电路2用于采集并联的MOSFET的源漏极电压并分压生成所述第一比较电压V1输出给所述电压比较电路3。

具体来说，如附图2所示，所述电压采样电路2包括二极管D1、电阻R3、第一采样电阻R1及第二采样电阻R2，所述二极管D1的阴极接各MOSFET的漏极，所述二极管D1的阳极连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接所述驱动电路1的输出端及通过电阻R₇，R₈-R_N接各MOSEFT的栅极，所述二极管D1的阳极还接第一采样电阻R1的一端，所述第一采样电阻R1的另一端接所述电压比较电路3中比较器U1的反向输入端及第二采样电阻R2的一端，所述第二采样电阻R2的另一端接MOSEFT的漏极。

其中，所述二极管D1在所述MOSFET导通时导通，在所述MOSFET关断时关断，从而保证了MOSFET关断时，所述电压采样电路2的反向截止，此时所述第一比较电压V1为零电平；所述电阻R3的阻值与所述MOSFET的驱动电压成正比，优选其采用较大电阻，一是可以减小由二极管D1引起的米勒电容，二是尽量少的从驱动信号上吸收电流。

此处的电压采样电路不同于传统的电流传感器采样，本电路根据MOSFET的漏源极电压V_DS随漏极电流I_D变化的特性曲线，通过检测V_DS来反应对应的I_D，如图2所示，当MOSFET门极驱动信号为高电平时，并联的MOS导通，V_X=V_D1+V_DS，且第一比较电压V1=V_X×R2/(R1+R2)，所以可以得出：

所述第一比较电压V1满足如下公式：

V1=（V_DS+V_D1）×R2/（R2+R1）

其中，V_DS是MOSFET漏源极电压，V_D1是二极管正向导通电压。

具体应用时，在选定MOSFET的型号后，在其数据手册上可以找到漏源极电压V_DS随漏极电流I_D变化的曲线，根据总的输出电流及MOSFET的数量计算出漏极电流I_D= 总输出电流/并联MOSFET数量，在曲线中找到所述I_D漏极电流所对应的V_DS值，随后，通过想要的第一比较电压V1电压确定第一采样电阻R1和第二采样电阻R2的阻值，至于电阻R3的阻值，其阻值随MOSFET驱动电压的升高而变大。

进一步，由于MOSFET在不同温度下所能承受的最大电流存在差异性，因此需要进行温度补偿，对应的，如附图1、附图2所示，所述第二比较电压V2由温度补偿电路4生成，所述温度补偿电路4通过采集MOSFET的运行温度并生成所述第二比较电压V2输送给所述电压比较电路3。

详细来说，所述温度补偿电路4包括第三分压电阻R4及温度采样电阻R5，所述第三分压电阻R4的一端接电源端，其另一端接温度采样电阻R5的一端及所述电压比较电路3中比较器U1的正向输入端，所述温度采样电阻R5的另一端接地。

并且，优选所述温度采样电阻R5为负温度系数热敏电阻，即其阻值随着温度的升高而降低，随着温度的降低而升高，其布局在靠近MOSFET的位置，通过与第三分压电阻R4形成的电桥实时采样MOSFET附近的PCB温度，从而间接的反映MOSFET的壳温。

另外，当负温度系数热敏电阻选定后，可以通过改变第三分压电阻R4的阻值来调整温度补偿的灵敏度，当第三分压电阻R4的阻值越接近温度采样电阻R5阻值的变化范围时，温度补偿电路4的灵敏度越高。

而在本实用新型的过流保护电路中，为了使电流变化成为主要因素，温度因素只作为细微的补偿，因此温度补偿电路4的灵敏性应保持低水平，即所述温度采样电阻的阻止变化幅度不会造成所述第二比较电压V2出现较大幅度的变化，对应的，设计所述第三分压电阻R4的阻值远离所述温度采样电阻R5的阻值变化范围以使根据如下公式计算的第二比较电压V2的变化幅度不超过设定值，

V2=VCC×R5/（R4+R5）

其中,VCC为电源端VCC输入电压。

整个MOSFET并联过流保护电路工作时，所述电压采样电路2和温度补偿电路4实时采集并输出模拟电压信号给所述比较器U1产生比较信号，

在温度恒定的情况下，当MOSFET漏极电流ID增大时（驱动电路输出的电流增大），所述漏源极电压V_DS也相应增大，所述第一比较电压V1电压升高，此时，由于温度恒定，因此所述第二比较电压V2保持不变，当所述第一比较电压V1升高至大于所述第二比较电压V2时，所述比较器U1输出为低电平，此时，所述缓冲器U2关断，从而切断MOSFET门极驱动信号的输出，并联的MOSFET关断，以进行保护。

在电流恒定的情况下，当MOSFET的环境温度升高时，所述负温度系数热敏电阻的阻值变小，对应的，所述第二比较电压V2电压降低，由于电流恒定，所述第一比较电压V1保持不变，当所述第二比较电压V2小于所述第一比较电压V1时，所述比较器U1输出为低电平，此时，所述缓冲器U2关闭，从而切断MOSFET门极驱动信号的输出，并联的MOSFET关断。

在驱动电路输出的电流变大且温度同时变动时，只要所述第一比较电压V1未超过所述第二比较电压V2时，所述比较器U1输出高电平，此时，所述缓冲器U2导通，从而不关断所述MOSFET门极驱动信号的输出，并联的MOSFET导通。

对于U相驱动回路中的上桥电路，其同样具有上述下桥电路中的各功能模块和结构，区别在于：上桥电路中各MOSFET的漏极连接直流电源正极DC+，源极连接交流电动机的U相输出端U，其过流保护的原理与上述下桥电路的原理相同，在此不再赘述。

对于交流电机的W相和V相，其同样具有上述U相驱动回路中的各种结构且工作原理相近，在此不再赘述。

本实用新型尚有多种实施方式，例如，在其他实施例中，所述第二比较电压V2也可以是预设的基准电压，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.MOSFET并联过流保护电路，包括一组并联的MOSFET及驱动所述MOSFET工作的驱动电路（1）,其特征在于：还包括电压采样电路（2）及电压比较电路（3），所述电压采样电路（2）用于采集并联的MOSFET的源漏极电压并生成第一比较电压（V1）输出给所述电压比较电路（3），所述电压比较电路（3）将第一比较电压（V1）与第二比较电压（V2）比较后输出低或高电平以控制所述驱动电路（1）关断或不关断MOSFET门极驱动信号的输出。

2.根据权利要求1所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述电压采样电路（2）包括二极管D1、电阻R3、第一采样电阻R1及第二采样电阻R2，所述二极管D1的阴极接各MOSFET的漏极，所述二极管D1的阳极连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接所述驱动电路（1）的输出端及各MOSEFT的栅极，所述二极管D1的阳极还接第一采样电阻R1的一端，所述第一采样电阻R1的另一端接所述电压比较电路（3）中比较器U1的反向输入端及第二采样电阻R2的一端，所述第二采样电阻R2的另一端接MOSEFT的漏极。

3.根据权利要求2所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述电阻R3的阻值与所述MOSFET的驱动电压成正比。

4.根据权利要求2所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述第一比较电压V1满足如下公式：

V1=（V_DS+V_D1）×R2/（R2+R1）

其中，V_DS是MOSFET漏源极电压，V_D1是二极管正向导通电压。

5.根据权利要求2所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：还包括温度补偿电路（4），用于采集MOSFET的运行温度并生成所述第二比较电压V2。

6.根据权利要求5所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述温度补偿电路（4）包括第三分压电阻R4及温度采样电阻R5，所述第三分压电阻R4的一端接电源端，其另一端接温度采样电阻R5的一端及所述电压比较电路（3）中比较器U1的正向输入端，所述温度采样电阻R5的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述温度采样电阻R5为负温度系数热敏电阻。

8.根据权利要求6所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述温度采样电阻R5与MOSEFT紧邻设置。

9.根据权利要求6所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述第三分压电阻R4的阻值远离所述温度采样电阻R5的阻值变化范围以使根据如下公式计算的第二比较电压V2的变化幅度不超过设定值，

V2=VCC×R5/（R4+R5）

其中,VCC为电源端（VCC）输入电压。

10.根据权利要求1-9任一所述的MOSFET并联过流保护电路，其特征在于：所述MOEFET并联过流保护电路至少应用于低电压大功率电机控制器的驱动电路中。