CN212137629U - 一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了直流高压短路保护领域的一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，包括MCU微处理器，MCU微处理器提供第一隔离驱动芯片高边驱动控制信号、第二隔离驱动芯片低边驱动控制信号，第一隔离驱动芯片分别与高边驱动电路、短路检测电路及短路上报电路连接，高边驱动电路与第一执行模块连接并控制其通断，短路检测电路采集负载短路时第一执行模块的压降信息并上传第一隔离驱动芯片，第一隔离驱动芯片通过短路上报电路上传短路信息至MCU微处理器；本申请适用于DC0V～DC1100V直流高压系统中功率管的高边驱动及低边驱动，实现了冗余控制，当出现短路现象时，电路能快速检测判断，并在20微秒左右实现关断，对整个电路进行了保护。

Description

一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及直流高压短路保护领域，具体是一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路。

背景技术

直流用电系统中，往往通过驱动功率管开启和关闭，如MOS管、IGBT管实现负载接通和断开。在进行功率管的驱动时存在高边驱动和低边驱动两种方式，高边驱动是控制输入电源的正极，低边驱动是控制电源的负极。两种方式控制的电源极性不同，驱动方式也不尽相同。

采用高边驱动方式，需要泵升电路建立V_GS电压，自行搭设泵升电路，外围电路较多，驱动电流受限。在使用过程中，如果出现功率管击穿，电路进入无控接通状态。

采用低边驱动方式，电路建立V_GS电压相对简单，但在使用过程中，如果出现负极搭铁现象，功率管将被旁路失控。

在一个应用系统中一般只会使用高边或者低边驱动，来实现接通或关断功能，但这两种方式在可靠性要求极高的应用场合都存在缺陷，安全控制的冗余度不足。

此外，在直流高压系统中出现短路等极端状况时，由于输入电压高而电路等效内阻低(功率管导通电阻小)，会出现短路电流急速上升的现象，如DC900V输入时，短路电流可以在百微秒内轻松突破上千安培，释放出极大的短路能量，造成功率管、器件等产品损坏。为防止过流及短路造成损坏，一般在电路中串入保险丝作为防护。

但是，使用串联保险丝实现短路保护的应用中，保险丝熔断受电流及时间限制，往往是秒级时间的熔断，对于电子器件要求的微秒级的保护，或者哪怕是毫秒级的，都无济于事，当面临这种极端情况时，也只能是造成不可逆的损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，提供直流高压应用中一种安全、可靠、冗余的技术解决方案，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，包括MCU微处理器，所述MCU 微处理器与第一隔离驱动芯片及第二隔离驱动芯片连接，并提供第一隔离驱动芯片高边驱动控制信号、第二隔离驱动芯片低边驱动控制信号，第一隔离驱动芯片与第二隔离驱动芯片通过DC-DC模块提供电源；

所述第一隔离驱动芯片分别与高边驱动电路、短路检测电路及短路上报电路连接，并根据高边驱动控制信号控制高边驱动电路的通断，所述高边驱动电路与第一执行模块连接并控制其通断，第一执行模块还与负载连接；所述短路检测电路采集负载短路时第一执行模块的压降信息并上传第一隔离驱动芯片，所述第一隔离驱动芯片通过所述短路上报电路上传短路信息至MCU微处理器；

所述第二隔离驱动芯片与低边驱动电路连接，并根据低边驱动控制信号控制低边驱动电路的通断，所述低边驱动电路与第二执行模块连接并控制其通断，第二执行模块与负载连接。

作为本实用新型的改进方案，所述DC-DC模块包括第一DC-DC模块与第二DC-DC模块，所述第一DC-DC模块提供所述第一隔离驱动芯片高压边电源，第二DC-DC模块提供第二隔离驱动芯片低压边电源。

作为本实用新型的改进方案，还包括吸收电路，所述吸收电路与所述执行模块连接并吸收所述执行模块通断时的尖峰电压。

作为本实用新型的改进方案，第一执行模块与第二执行模块通过负载连接时，负载一侧连接有快速恢复二极管V3。

有益效果：本实用新型可适用于DC0V～DC1100V直流高压系统中功率管的高边驱动及低边驱动，实现两种驱动方式的二合一应用。通过分别控制直流高压正极和负极，实现负载回路的通断，并通过检测直流高压主回路中流过的电流在功率管上形成的管压降，来判断负载短路，当负载发生短路时，电路能快速检测判断，隔离驱动芯片在20微秒左右实现关断驱动信号，并向MCU微处理器上报短路故障，从而对整个电路进行了保护。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型高边驱动电路原理图；

图3为本实用新型低边驱动电路原理图；

图4为本实用新型总电路图。

图中：1-MCU微处理器；2-第一隔离驱动芯片；3-第二隔离驱动芯片；4-第一DC-DC模块；5-第二DC-DC模块；6-高边驱动电路；7-低边驱动电路；8-短路检测电路；9-短路上报电路；10-第一执行模块；11-第二执行模块；12-吸收电路；13-功率电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，参见图1，一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，包括MCU 微处理器1，MCU微处理器1与第一隔离驱动芯片2及第二隔离驱动芯片3连接，并提供第一隔离驱动芯片2高边驱动控制信号、第二隔离驱动芯片3低边驱动控制信号；第一隔离驱动芯片2分别与高边驱动电路6、短路检测电路8及短路上报电路9连接，并根据高边驱动控制信号控制高边驱动电路6的通断，高边驱动电路6与第一执行模块10连接并控制其通断，第一执行模块10还与负载连接；短路检测电路8采集负载短路时第一执行模块10的压降信息并上传第一隔离驱动芯片2，第一隔离驱动芯片2通过短路上报电路9上传短路信息至MCU微处理器1；第二隔离驱动芯片3与低边驱动电路7连接，并根据低边驱动控制信号控制低边驱动电路7的通断，低边驱动电路7与第二执行模块11连接并控制其通断，第二执行模块 11与负载连接。

其中，DC-DC模块包括第一DC-DC模块4与第二DC-DC模块5，第一DC-DC模块4 提供所述第一隔离驱动芯片2高压边电源，第二DC-DC模块5提供第二隔离驱动芯片3低压边电源。

其中，还包括吸收电路12，吸收电路12与第一执行模块10连接并吸收第一执行模块10 通断时的尖峰电压。

本实用新型通过分别控制直流高压正极和负极，实现负载回路的通断，并通过检测直流高压主回路中流过的电流在功率管上形成的管压降，来判断负载短路，当负载发生短路时，隔离驱动芯片及时关断驱动信号，并向MCU微处理器上报短路故障，MCU微处理器标识短路故障，并关断驱动控制信号。

参见图2，A点高边控制信号由MCU微处理器1输出，通过电阻器R3连接到三极管Q3(NPN型)的B极(基极)，电阻器R4与电容器C5均并联连接到三极管Q3的B、E极(基极与发射极)之间，且三极管Q3的E极接地，而C极(集电极)连接到第一隔离驱动芯片 E1的8脚。

第一隔离驱动芯片E1的3脚与1脚之间接入+5.0V工作电源，3脚为正极。电容器C1、C2组成第一隔离驱动芯片E1近端电源口的滤波电容，均连接在第一隔离驱动芯片E1的1 脚与3脚之间，且其1脚接地。

第一隔离驱动芯片E1的2、4、5脚可以空置，其6脚与3脚之间连接有电阻器R1，将电压上拉到+5.0V，引出输出，电容器C3、C4为6脚的滤波电容，其一端与6脚连接，另一端接地。

第一隔离驱动芯片E1的9脚与16脚同源信号，均连接-5V2；12脚接入+20V2，13脚连接GND2，9(16)脚、12脚及13脚共地，组成-5V2、+20V2双路电源。电容器C6为16脚对GND2的滤波电容，电容器C8为13脚对+20V的滤波电容，电容器C9为9脚对-5V2的滤波电容，-5V2、+20V2电源由第一DC-DC模块提供。

第一隔离驱动芯片E1的11脚通过电阻器R6连接到第一执行模块10，第一执行模块10 为功率管Q1，电阻器R6与功率管Q1的G极(栅极)连接，稳压二极管D1的阴极连接到功率管Q1的G极，且稳压二极管D1与稳压二极管D2反相串联，稳压二极管D2的阴极连接到功率管Q1的S极(源极)，电阻器R7连接到功率管Q1的G、S之间，并与D1、D2 的组合并联。

第一隔离驱动芯片E1的14脚依次串联电容器R5、二极管V1、二极管V2串联后连接到功率管Q1的D极(漏极)，电容器C7连接到14脚与13脚之间。电容器C10连接到直流高压正负极(MOS_Vmea、GND1)。

吸收电路12包括电阻器R8与电容器C11，电阻器R8与电容器C11串联后并在功率管Q1的D、S之间，用于吸收功率管Q1关断时产生的尖峰电压。

参见图3，B点低边控制信号由MCU微处理器输出，通过电阻器R11连接到三极管Q4的B极，电阻器R12与电容器C14并联连接到三极管Q4的B、E极之间。三极管Q4的C 极连接到第二隔离驱动芯片E2的8脚。

第二隔离驱动芯片E2的3脚与1脚之间接入+5.0V工作电源，3脚为正极。同图2类似，电容器C12、C13组成二隔离驱动芯片E2近端电源口的滤波电容。第二隔离驱动芯片E2的2、4、5脚可以空置，其6脚、7脚通过电阻器R9、R10上拉到+5.0V。

此外，第二隔离驱动芯片E2的9脚与16脚同源信号，均连接-5V1，12脚接入+20V1，13脚连接GND1，9(16)脚、12脚、13脚共地，组成-5V1、+20V1双路电源。电容器C15 为16脚对GND1的滤波电容，电容器C16为13脚对+20V1的滤波电容，13脚与14脚短接，电容器C17为9脚对-5V1的滤波电容，-5V1、+20V1电源由第二DC-DC模块提供，11脚通过电阻器R13连接到第二执行模块11，第二执行模块11为功率管Q2，电阻器R13连接到功率管Q2的G极。稳压二极管D3的阴极连接到功率管Q2的G极，且稳其与稳压二极管D4 反相串联后，稳压二极管D4的阴极连接到功率管Q2的S极，电阻器R14连接到功率管Q2 的G、S之间，与稳压二极管D3、D4的组合并联。

参见图4，低边驱动电路7与高边驱动电路6通过负载连接时，负载一侧连接有快速恢复二极管V3。

快速恢复二极管V3反相并联在功率管Q1的S极与功率管Q2的S极两端，电阻器R15、R16、R17串联后与快速恢复二极管V3两端并联。直流高压正极输入(MOS_Vmea)与功率管 Q1的D极连接，功率管Q1的S极连接到负载的正极，负载的负极连接到功率管Q2的D极，功率管Q2的S极连接到直流高压负极，组成直流高压主回路。

本实施例的具体实施原理为：

当需要接通负载时，MCU微处理器1先发出接通低边驱动控制信号，由第二隔离驱动芯片E2驱动功率管Q2接通，待功率管Q2接通后，MCU微处理器1再发出接通高边驱动控制信号，由第一隔离驱动芯片E1驱动功率管Q1接通，完成负载的接通。

当需要关断输出时，MCU微处理器1先关断低边驱动控制信号，由第二隔离驱动芯片 E2关断驱动，功率管Q2关断，待功率管Q2关断后，MCU微处理器再关断高边驱动控制信号，由第一隔离驱动芯片E1关断驱动，功率管Q1关断，完成整个回路的关断。

上述电路回路中高边驱动电路6负责短路监测与保护，低边驱动电路7只负责接通或关断功率管管Q2。高边驱动电路6和低边驱动电路7的驱动原理、使用器件、信号特征、执行模块均一致，高边驱动和低边驱动采用同器件同原理的方式，目的为保证主回路导通和关断特性的安全一致，规避相互掣肘、相互瓶颈的情况。

电路的实现原理以高边驱动为例，低边驱动不再赘述，具体高边驱动原理如下。

MCU微处理器对A点发出接通指令，A点由低电平转换成高电平(高电平有效)。A 点高电平通过电阻器R3驱动三极管Q3(NPN型)导通，从而使第一隔离驱动芯片E1的8 脚拉低，+5V、电阻器R2、第一隔离驱动芯片E1的7脚、8脚组成的隔离光耦的发光二极管导通，第一隔离驱动芯片E1的7脚、8脚组成隔离光耦的输入端，第一隔离驱动芯片E1导通。

第一隔离驱动芯片E1的11脚作为隔离输出，通过电阻器R6驱动功率管Q1，电阻器R6与R7组成的分压电路与稳压二极管D1、D2组成的钳位电路，共同保证了V_GS电压在 18V～20V之间。+5V2、GND2、+20V2由独立的第一DC-DC模块4提供，双电源输出的第一DC-DC模块4输出端公共地与功率管Q1的S极直连，保证了功率管Q1导通后V_GS的泵升电压的稳定。

当整个电路接通且负载工作时，功率管Q1的D、S两端产生管压降，第一隔离驱动芯片 E1的14脚是恒流源输出，通过检测电阻器R5电阻分压，二极管V1、V2的导通压降及功率管Q1的管压降之和来判断负载短路。当14脚监测到的电压大于第一隔离驱动芯片E1的短路保护动作电压时，第一隔离驱动芯片E1能在20微秒内通过11脚关断驱动信号，实现功率管Q1的关断，同时第一隔离驱动芯片E1的6脚由高电平转换成低电平，并送出短路故障信号至MCU微处理器。通过调整电阻器R5的阻值，可以调节设定整个回路的短路点。

二极管V1、V2相对直流高压输入端(功率管Q1的D极)反相串联，阻断直流高压对第一隔离驱动芯片E1的输入，也承受了反相电压。电容C10作为直流高压输入端滤波电容，对直流高压上的特定纹波干扰进行滤波。电阻器R8、电容器C11组成RC吸收电路，吸收功率管Q1关断时在D、S极两端形成的尖峰电压，保护功率管Q1避免过压击穿或损伤。快速恢复二极管V3反相并联在负载与高压负极两端，起续流作用。

因此，本实用新型适用于输入电压DC0V～DC1100V直流高压系统，集高边驱动与低边驱动二合一功能，实现冗余控制，高边驱动与低边驱动电源相互独立，控制电与功率电有效隔离，满足DC3000V隔离电压需求。本实用新型中，电路具有短路保护，其中，短路保护动作时间能够控制在小于等于20微秒，防止电路极高的电流冲击及损坏。并且，本实用新型通过适当并联功率管，还可实现多管均流，扩展负载带载能力。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，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。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，包括MCU微处理器(1)，所述MCU微处理器(1)与第一隔离驱动芯片(2)及第二隔离驱动芯片(3)连接，并提供第一隔离驱动芯片(2)高边驱动控制信号、第二隔离驱动芯片(3)低边驱动控制信号；其特征在于，

所述第一隔离驱动芯片(2)分别与高边驱动电路(6)、短路检测电路(8)及短路上报电路(9)连接，并根据高边驱动控制信号控制高边驱动电路(6)的通断，所述高边驱动电路(6)与第一执行模块(10)连接并控制其通断，第一执行模块(10)还与负载连接；所述短路检测电路(8)采集负载短路时第一执行模块(10)的压降信息并上传第一隔离驱动芯片(2)，所述第一隔离驱动芯片(2)通过所述短路上报电路(9)上传短路信息至MCU微处理器(1)；

所述第二隔离驱动芯片(3)与低边驱动电路(7)连接，并根据低边驱动控制信号控制低边驱动电路(7)的通断，所述低边驱动电路(7)与第二执行模块(11)连接并控制其通断，第二执行模块(11)与负载连接。

2.根据权利要求1所述的一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，其特征在于，还包括第一DC-DC模块(4)与第二DC-DC模块(5)，所述第一DC-DC模块(4)提供所述第一隔离驱动芯片(2)高压边电源，第二DC-DC模块(5)提供第二隔离驱动芯片(3)低压边电源。

3.根据权利要求1或2所述的一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，其特征在于，还包括吸收电路(12)，所述吸收电路(12)与所述第一执行模块(10)连接并吸收第一执行模块(10)通断时的尖峰电压。

4.根据权利要求3所述的一种集高边、低边二合一直流高压驱动及短路保护电路，其特征在于，第一执行模块(10)与第二执行模块(11)通过负载连接时，负载一侧连接有快速恢复二极管V3。

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