CN215186464U - 开关管保护电路和开关装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种开关管保护电路和开关装置，该保护电路包括采样电路、吸收缓冲回路和处理电路，采样电路连接开关管的第一端和第二端，吸收缓冲回路连接开关管的第一端和第二端，处理电路连接开关管的控制端、采样电路和控制装置。在开关管的第一端和第二端的电压过高时可通过处理电路将开关管关断，并利用吸收缓冲回路吸收电压，避免了开关管的第一端和第二端之间出现电压尖峰，起到了保护开关管的作用，提高了开关管的运行可靠性。

Description

开关管保护电路和开关装置

技术领域

本申请涉及电路保护技术领域，特别是涉及一种开关管保护电路和开关装置。

背景技术

场效应管是一种用电场效应来控制电流的电子器件，包括源极、栅极和漏极。场效应管通过向栅极施加电压来控制电流，反过来改变漏极和源极之间的电导率。场效应管作为一种开关管，已经广泛应用于各种电路中。

在电路实际运行中，经常会遇到因为供电不稳定而导致开关管损坏的情况，特别是调试过程中这样的情况更容易发生，造成严重的电力安全隐患。如何保护开关管不被损坏，提高开关管的运行可靠性，是一个亟待解决的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的开关管容易因供电不稳定而损坏的问题，提供一种开关管保护电路和开关装置，能达到提高开关管的运行可靠性的效果。

一种开关管保护电路，包括采样电路、吸收缓冲回路和处理电路，所述采样电路连接开关管的第一端和第二端，所述吸收缓冲回路连接所述开关管的第一端和第二端，所述处理电路连接所述开关管的控制端、所述采样电路和控制装置；

所述采样电路对所述开关管的第一端和第二端之间的电压进行采样，并生成采样电压发送至所述处理电路；

所述处理电路根据所述采样电压，判断所述开关管的第一端和第二端之间的电压小于预设的参考电压时，将所述控制装置输出的控制信号传输至所述开关管的控制端，以及在所述开关管的第一端和第二端之间的电压大于或等于所述参考电压时，控制所述开关管关断；

所述吸收缓冲回路对所述开关管的第一端和第二端之间的电压进行吸收。

在其中一个实施例中，所述采样电路包括运算放大器、电容C2、电阻R5、电阻R7、电阻R8和电阻R9，所述运算放大器的同相输入端通过所述电阻R9连接所述开关管的第一端，所述运算放大器的反相输入端通过所述电阻R8连接所述开关管的第二端；所述运算放大器的输出端通过所述电阻R7连接所述处理电路；所述电阻R5和所述电容C2并联后一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器的输出端。

在其中一个实施例中，所述采样电路还包括电阻R6、电容C3和电容C4，所述电阻R6和所述电容C3并联后一端连接所述运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述电容C4的一端连接所述运算放大器的输出端，所述电容C4的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述处理电路包括比较器和逻辑与器件，所述比较器的同相输入端连接参考电压端，所述比较器的反相输入端连接所述采样电路，所述比较器的输出端连接所述逻辑与器件的第一输入端和所述控制装置，所述逻辑与器件的第二输入端连接所述控制装置，所述逻辑与器件的输出端连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，所述吸收缓冲回路包括控制开关组件和吸收缓冲组件，所述控制开关组件连接所述开关管的第一端和所述吸收缓冲组件，所述吸收缓冲组件连接所述开关管的第二端。

在其中一个实施例中，所述控制开关组件包括电阻R1、电阻R4和控制开关，所述电阻R1和所述电阻R4串联且公共端连接所述控制开关的控制端，所述电阻R1的另一端连接所述开关管的第一端，所述电阻R4的另一端接地，所述控制开关的输入端连接所述开关管的第一端，所述控制开关的输出端连接所述吸收缓冲组件。

在其中一个实施例中，所述吸收缓冲组件包括电阻R2、电阻R3、电容C1和二极管Q3，所述电容C1与所述电阻R3串联后与所述电阻R2并联，且并联后一端连接所述控制开关组件，另一端连接所述二极管Q3的阳极，所述二极管Q3的阴极连接所述开关管的第二端。

一种开关装置，包括开关管和上述的开关管保护电路；所述采样电路连接所述开关管的第一端和第二端，所述吸收缓冲回路连接所述开关管的第一端和第二端，所述处理电路连接所述开关管的控制端、所述采样电路和控制装置。

在其中一个实施例中，开关装置还包括电平转换电路，所述处理电路通过所述电平转换电路连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，所述控制装置为微控制器。

上述开关管保护电路和开关装置，通过采样电路对开关管的第一端和第二端之间的电压进行采样，处理电路根据采样电压，判断开关管的第一端和第二端之间的电压小于预设的参考电压时，将控制装置输出的控制信号传输至开关管的控制端，以及在开关管的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，控制开关管关断；吸收缓冲回路对开关管的第一端和第二端之间的电压进行吸收。在开关管的第一端和第二端的电压过高时可通过处理电路将开关管关断，并利用吸收缓冲回路吸收电压，避免了开关管的第一端和第二端之间出现电压尖峰，起到了保护开关管的作用，提高了开关管的运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中开关管保护电路的结构原理图；

图2为一实施例中场效应管的漏源电压波形示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，提供了一种开关管保护电路，开关管可以是三极管、场效应管等器件。如图1所示，开关管保护电路包括采样电路A、吸收缓冲回路B和处理电路C，采样电路A连接开关管Q1的第一端和第二端，吸收缓冲回路B连接开关管Q1的第一端和第二端，处理电路C连接开关管Q1的控制端、采样电路A和控制装置。其中，控制装置可以是微控制器或其他控制器件。

采样电路A对开关管Q1的第一端和第二端之间的电压进行采样，并生成采样电压发送至处理电路C；处理电路C根据采样电压，判断开关管Q1的第一端和第二端之间的电压小于预设的参考电压时，将控制装置输出的控制信号传输至开关管Q1的控制端，以及在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，控制开关管Q1关断；吸收缓冲回路B对开关管Q1的第一端和第二端之间的电压进行吸收。

具体地，开关管Q1的第一端和第二端串接在主功率回路L中，开关管Q1根据控制端的高低电平进行通断切换，并在导通时通过第一端接入电压由第二端输出。若开关管Q1为三极管，则三极管的基极作为控制端，可以是将三极管的集电极作为第一端，三极管的发射极作为第二端，也可以是将三极管的发射极作为第一端，三极管的集电极作为第二端。若开关管Q1为场效应管，则场效应管的栅极作为控制端，可以是将场效应管的漏极作为第一端，场效应管的源极作为第二端，也可以是将场效应管的源极作为第一端，场效应管的漏极作为第二端。

参考电压的具体取值并不唯一，而且可根据处理电路C内部的电阻阻值选择进行调整。可将参考电压设置为小于开关管Q1会出现损坏的电压，则在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压小于参考电压时，开关管Q1根据控制装置输出的控制信号正常工作。具体地，本实施例中，开关管Q1根据控制装置输出的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号进行通断切换。当通过采样电路A检测到开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，为了避免电压进一步升高而损害开关管Q1，此时处理电路C控制开关管Q1关断，使开关管Q1不再工作。同时，处理电路C还可输出信号至控制装置，以使控制装置停止输出PWM信号。

可以理解，根据开关管Q1的类型不同，处理电路C控制开关管Q1关断的方式也会对应有所不同。例如，若开关管Q1在控制端为低电平时关断，则处理电路C在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，输出低电平至开关管Q1的控制端。若开关管Q1在控制端为高电平时关断，则处理电路C在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，输出高电平至开关管Q1的控制端。

吸收缓冲回路B可通过内部电阻的阻值选择确定导通阈值，当开关管Q1的第一端的电压大于导通阈值后吸收缓冲回路B导通，对开关管Q1的第一端和第二端之间的电压进行吸收，从而避免开关管Q1的第一端和第二端之间电压尖峰的出现。导通阈值的取值也唯一，具体可根据实际需求进行设置。本实施例中，在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压小于参考电压时，吸收缓冲回路B不工作，开关管Q1根据接收的PWM信号进行通断切换。当开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于参考电压时，处理电路C控制开关管Q1关断。与此同时，吸收缓冲回路B导通进行电压吸收，以降低开关管Q1的第一端和第二端之间的电压。在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压低于参考电压后，吸收缓冲回路B停止工作，开关管Q1继续根据控制装置输出的PWM信号进行通断切换。

上述开关管保护电路，在开关管Q1的第一端和第二端的电压过高时可通过处理电路C将开关管Q1关断，并利用吸收缓冲回路B吸收电压，避免了开关管Q1的第一端和第二端之间出现电压尖峰，起到了保护开关管的作用，提高了开关管的运行可靠性。

采样电路A的具体结构并不唯一，在一个实施例中，如图1所示，采样电路A包括运算放大器OP1、电容C2、电阻R5、电阻R7、电阻R8和电阻R9，运算放大器OP1的同相输入端通过电阻R9连接开关管Q1的第一端，运算放大器OP1的反相输入端通过电阻R8连接开关管Q1的第二端；运算放大器OP1的输出端通过电阻R7连接处理电路C；电阻R5和电容C2并联后一端连接运算放大器OP1的反相输入端，另一端连接运算放大器OP1的输出端。

进一步地，在一个实施例中，采样电路A还包括电阻R6、电容C3和电容C4，电阻R6和电容C3并联后一端连接运算放大器OP1的同相输入端，另一端接地；电容C4的一端连接运算放大器OP1的输出端，电容C4的另一端接地。

在一个实施例中，继续参照图1，吸收缓冲回路B包括控制开关组件B1和吸收缓冲组件B2，控制开关组件B1连接开关管Q1的第一端和吸收缓冲组件B2，吸收缓冲组件B2连接开关管Q1的第二端。其中，控制开关组件B1在开关管Q1的第一端的电压大于导通阈值后导通，利用吸收缓冲组件B2进行电压吸收。

具体地，在一个实施例中，控制开关组件B1包括电阻R1、电阻R4和控制开关Q2，电阻R1和电阻R4串联且公共端连接控制开关Q2的控制端，电阻R1的另一端连接开关管Q1的第一端，电阻R4的另一端接地，控制开关Q2的输入端连接开关管Q1的第一端，控制开关Q2的输出端连接吸收缓冲组件B2。其中，控制开关Q2具体可选择三极管或MOS管，本实施例中，控制开关Q2为NPN型三极管，基极作为控制端，集电极作为输入端，发射极作为输出端。

进一步地，在一个实施例中，吸收缓冲组件B2包括电阻R2、电阻R3、电容C1和二极管Q3，电容C1与电阻R3串联后与电阻R2并联，且并联后一端连接控制开关组件B1，另一端连接二极管Q3的阳极，二极管Q3的阴极连接开关管Q1的第二端。其中，电容C1与电阻R3串联然后与电阻R2并联，形成的一个公共端连接控制开关组件B1中控制开关Q2的输出端，形成的另一个公共端连接二极管Q3的阳极。

在一个实施例中，如图1所示，处理电路C包括比较器OP2和逻辑与器件OP3，比较器OP2的同相输入端连接参考电压端，比较器OP2的反相输入端连接采样电路A，比较器OP2的输出端连接逻辑与器件OP3的第一输入端和控制装置，逻辑与器件OP3的第二输入端连接控制装置，逻辑与器件OP3的输出端连接开关管Q1的控制端。其中，比较器OP2的反相输入端连接采样电路A中的电阻R7，比较器OP2的同相输入端接入参考电压V_ref。比较器OP2在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压小于参考电压V_ref时，输出高电平；在开关管Q1的第一端和第二端之间的电压大于或等于V_ref时，输出低电平。逻辑与器件OP3将控制装置输出的PWM信号与比较器OP2的输出进行与处理，在比较器OP2输出高电平时，逻辑与器件OP3输出PWM信号至开关管Q1；在比较器OP2输出低电平时，逻辑与器件OP3输出低电平至开关管Q1。

在一个实施例中，还提供了一种开关装置，包括开关管和上述的开关管保护电路；采样电路连接开关管的第一端和第二端，吸收缓冲回路连接开关管的第一端和第二端，处理电路连接开关管的控制端、采样电路和控制装置。其中，开关装置还可包括控制装置，控制装置具体可采用微控制器。

进一步地，在一个实施例中，如图1所示，开关装置还包括电平转换电路，处理电路C通过电平转换电路连接开关管Q1的控制端。具体地，电平转换电路用于将逻辑与器件OP3输出的低压PWM波转换成适合开关管Q1的较高电压的PWM波，从而更好地控制开关管Q1进行通断切换。

上述开关装置，在开关管的第一端和第二端的电压过高时可通过处理电路将开关管关断，并利用吸收缓冲回路吸收电压，避免了开关管的第一端和第二端之间出现电压尖峰，起到了保护开关管的作用，提高了开关管的运行可靠性。

为便于更好地理解上述开关管保护电路和开关装置，下面以开关管为N型场效应管为例进行详细解释说明。

如图1所示，为本申请提供的N型场效应管保护电路的路连接示意图，其中，L代表与场效应管(MOSFET)Q1连接的主功率回路，方框B内的元器件构成吸收缓冲回路，Q2代表三极管，Q3代表二极管，方框A内的元器件构成采样电路，直接采集场效应管Q1的漏源极电压，OP1是运算放大器。OP2是比较器，比较漏源极电压和需要设定的参考电压V_ref,OP3是逻辑与器件，将PWM信号与比较器OP2的输出进行与操作。

图2是保护电路动作时场效应管的漏源电压的波形示意图，其中，V_DS表示漏源极间的电压，V_PWM表示逻辑与元件OP3输出的PWM波形，曲线1是正常情况下的漏源电压波形，曲线2是无场效应管保护电路的漏源电压波形，曲线3是有场效应管保护电路下的漏源电压波形。

具体地，电平转换电路主要将逻辑与器件OP3输出的低压PWM波转换成适合MOSFET的较高电压的PWM波。如图2所示，在t1到t2时刻，场效应管的漏源电压V_DS处于正常的电压范围内，结合图1所示，由于此时三极管的电压V_be没有达到使三极管导通的电压值,所以此时三极管的集电极c与发射极e不连通，此时吸收缓冲电路B不起作用。另一方面，由于电压采样值V_DS小于参考电压V_ref，所以比较器OP1输出高电平，并进入逻辑与器件OP3与PWM信号进行与处理后还是原来的PWM信号，场效应管Q1将继续正常工作。

在t3到t4时刻，如果场效应管Q1的漏源电压V_DS出现一个超过V_DSS的电压(如图2中的曲线2)，这样就容易导致场效应管Q1损坏，所以在出现这种情况前就需要提前保护场效应管Q1,故在到达V_DSS前设置了一个参考电压V_ref，当检测到场效应管Q1的漏源电压V_DS等于或大于参考电压V_ref时，比较器OP1输出低电平，该低电平与PWM信号在逻辑与器件OP3中进行与操作并输出低电平，此时立刻封锁了场效应管Q1的输入PWM波,故场效应管Q1不再工作，此时的PWM波如图2中t3t4点划线所示，场效应管Q1的漏源电压如图2中曲线3所示，而且逻辑与器件OP3输出的低电平触发了微控制器的中断，通知微控制器进行进一步处理。在吸收缓冲电路B方面，由于此时场效应管Q1的漏源电压V_DS大于三极管的基极与发射极电压V_be，所以三极管的集电极c与发射极e连通，由于电阻R2选择大阻值电阻，电阻R3选择小阻值电阻，电容C1、电阻R2和电阻R3构成一个吸收缓冲电路，将场效应管Q1上漏源极电压进行吸收，这样就避免了漏源极电压尖峰的出现，起到了保护场效应管Q1的作用。

上述N型场效应管保护电路，能够在场效应管Q1处于过流或过压情况下，保护场效应管Q1不被损坏。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种开关管保护电路，其特征在于，包括采样电路、吸收缓冲回路和处理电路，所述采样电路连接开关管的第一端和第二端，所述吸收缓冲回路连接所述开关管的第一端和第二端，所述处理电路连接所述开关管的控制端、所述采样电路和控制装置；

所述采样电路对所述开关管的第一端和第二端之间的电压进行采样，并生成采样电压发送至所述处理电路；

所述吸收缓冲回路对所述开关管的第一端和第二端之间的电压进行吸收。

2.根据权利要求1所述的开关管保护电路，其特征在于，所述采样电路包括运算放大器、电容C2、电阻R5、电阻R7、电阻R8和电阻R9，所述运算放大器的同相输入端通过所述电阻R9连接所述开关管的第一端，所述运算放大器的反相输入端通过所述电阻R8连接所述开关管的第二端；所述运算放大器的输出端通过所述电阻R7连接所述处理电路；所述电阻R5和所述电容C2并联后一端连接所述运算放大器的反相输入端，另一端连接所述运算放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述的开关管保护电路，其特征在于，所述采样电路还包括电阻R6、电容C3和电容C4，所述电阻R6和所述电容C3并联后一端连接所述运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述电容C4的一端连接所述运算放大器的输出端，所述电容C4的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的开关管保护电路，其特征在于，所述处理电路包括比较器和逻辑与器件，所述比较器的同相输入端连接参考电压端，所述比较器的反相输入端连接所述采样电路，所述比较器的输出端连接所述逻辑与器件的第一输入端和所述控制装置，所述逻辑与器件的第二输入端连接所述控制装置，所述逻辑与器件的输出端连接所述开关管的控制端。

5.根据权利要求1所述的开关管保护电路，其特征在于，所述吸收缓冲回路包括控制开关组件和吸收缓冲组件，所述控制开关组件连接所述开关管的第一端和所述吸收缓冲组件，所述吸收缓冲组件连接所述开关管的第二端。

6.根据权利要求5所述的开关管保护电路，其特征在于，所述控制开关组件包括电阻R1、电阻R4和控制开关，所述电阻R1和所述电阻R4串联且公共端连接所述控制开关的控制端，所述电阻R1的另一端连接所述开关管的第一端，所述电阻R4的另一端接地，所述控制开关的输入端连接所述开关管的第一端，所述控制开关的输出端连接所述吸收缓冲组件。

7.根据权利要求5所述的开关管保护电路，其特征在于，所述吸收缓冲组件包括电阻R2、电阻R3、电容C1和二极管Q3，所述电容C1与所述电阻R3串联后与所述电阻R2并联，且并联后一端连接所述控制开关组件，另一端连接所述二极管Q3的阳极，所述二极管Q3的阴极连接所述开关管的第二端。

8.一种开关装置，其特征在于，包括开关管和权利要求1-7任意一项所述的开关管保护电路；所述采样电路连接所述开关管的第一端和第二端，所述吸收缓冲回路连接所述开关管的第一端和第二端，所述处理电路连接所述开关管的控制端、所述采样电路和控制装置。

9.根据权利要求8所述的开关装置，其特征在于，还包括电平转换电路，所述处理电路通过所述电平转换电路连接所述开关管的控制端。

10.根据权利要求8或9所述的开关装置，其特征在于，所述控制装置为微控制器。

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