CN215297627U - 短路检测电路、电压变换电路及电源设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种短路检测电路、电压变换电路及电源设备，短路检测电路包括第一采样电路与控制电路，控制电路包括第一采样端，控制电路的第一采样端通过第一采样电路与桥臂中点连接，以对桥臂中点的电压进行采样检测，在接收到第一检测指令信号时，控制电路会先控制上开关管处于断开状态，利用第一采样电路对桥臂中点的电压进行检测，控制电路依据采样信号的电压对上开关管是否发生短路故障进行检测，避免全桥电路带故障运行，提升电路的安全性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及短路检测技术领域，具体而言，涉及一种短路检测电路、电压变换电路及电源设备。
背景技术
电源设备中经常需要用全桥电路进行整流或者逆变，全桥电路通常由金属-氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS)等开关管组成，全桥电路包括多个桥臂，每一个桥臂均包括上下开关管，在使用过程中，MOS管容易被损坏，出现短路或者微短路的问题，上下桥臂直通，从而给电源设备以及用电设备带来较大的安全风险。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种短路检测电路、电压变换电路及电源设备，能够对开关管是否发生短路故障进行检测，降低开关管发生故障带来的风险。
本实用新型提供一种技术方案：
第一方面，本实用新型提供一种短路检测电路，所述短路检测电路用于对全桥电路中的至少一个开关管进行短路检测，所述全桥电路用于将输入的直流电转换为交流电后输出，或者用于将输入的交流电转换为直流电后输出；所述全桥电路包括至少一个桥臂，所述桥臂包括依次串联的上开关管与下开关管；
所述短路检测电路包括第一采样电路及控制电路，所述控制电路包括第一采样端；所述第一采样电路的输入端连接于所述桥臂的中间点，所述第一采样电路的接地端接地，所述第一采样电路的输出端与所述控制电路的第一采样端连接；
所述控制电路，用于在接收到第一检测信号时，控制所述桥臂的上开关管断开，并根据所述第一采样电路的采样电压确定所述桥臂的上开关管的短路情况。
在可选的实施方式中，所述第一采样电路包括分压单元，所述分压单元包括第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第一分压电阻的第一端与所述第一采样电路的输入端连接，所述第一分压电阻的第二端通过所述第二分压电阻连接至所述接地端；所述第一采样电路的输出端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间。
在可选的实施方式中，所述第一采样电路还包括滤波单元，所述滤波单元包括第三电阻和第一电容；所述第三电阻的第一端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间；所述第一电容的第一端与所述第三电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；所述第三电阻的第二端与所述第一采样电路的输出端连接。
在可选的实施方式中，还包括第一开关电路；所述第一开关电路与所述桥臂的上开关管并联；
所述控制电路，还用于在接收到所述第一检测信号时，控制所述第一开关电路断开；
所述控制电路，还用于在接收到第二检测信号时，控制所述第一开关电路闭合，以对所述桥臂的下开关管进行短路检测。
在可选的实施方式中，所述第一开关电路包括开关器件和第四电阻，所述开关器件与所述第四电阻串联；所述开关器件的控制端与所述控制电路连接。
在可选的实施方式中，所述开关器件为常开器件。
在可选的实施方式中，所述开关器件包括MOS管、三极管和继电器中的至少一种。
在可选的实施方式中，所述第一分压电阻、第二分压电阻与所述第四电阻的阻值相同。
第二方面，本实用新型提供一种电压变换电路，包括全桥电路和如前述实施方式任一所述的短路检测电路。
第三方面，本实用新型提供一种电源设备，包括电池和如前述实施方式所述的电压变换电路。
相对于现有技术，本申请提供了一种短路检测电路、电压变换电路及电源设备，短路检测电路包括第一采样电路与控制电路，控制电路包括第一采样端，控制电路的第一采样端通过第一采样电路与桥臂中点连接，以对桥臂中点的电压进行采样检测，在接收到第一检测指令信号时，控制电路会控制上开关管处于断开状态，利用第一采样电路对桥臂中点的电压进行检测，控制电路依据采样信号的电压对上开关管是否发生短路故障进行检测，避免全桥电路出现短路故障，提升电路的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本实用新型实施例提供的全桥电路的结构示意图。
图2为本实用新型实施例提供的短路检测电路的结构示意图。
图3为本实用新型实施例提供的另一种短路检测电路的结构示意图。
图4为本实用新型实施例提供的另一种短路检测电路的结构示意图。
图5为本实用新实施例提供的另一种短路检测电路的结构示意图。
图标：100-全桥电路；110-第一桥臂；Q1-上开关管；Q2-下开关管；120-第二桥臂；Q3-上开关管；Q4-下开关管；210-第一采样电路；211-分压单元；R1-第一分压电阻；R2-第二分压电阻；212-滤波单元；R3-第三电阻；C1-第一电容；Sin-输入端；Sout-输出端；GND-接地端；220-第一开关电路；K1-开关器件；R4-第四电阻；230-控制电路；IN1-第一采样端；IN2第二采样端；240-第二采样电路；250-第二开关电路。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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”、“安装”、“相连”、“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。
电源设备中经常需要用全桥电路进行整流或者逆变，全桥电路通常由MOS管等开关管组成，全桥电路包括至少一个桥臂，每一个桥臂均包括上开关管及下开关管，如图1所示，图1示出了一种全桥电路100的示意图，该全桥电路100用于将输入的直流电转换为交流电后输出，或者用于将输入的交流电转换为直流电后输出。全桥电路100包括第一桥臂110与第二桥臂120，第一桥臂110与第二桥臂120并联于正负连接端A+、A-之间。第一桥臂110的中点和第二桥臂120的中点则分别连接于变压器T的一侧绕组的两端t1与t2。变压器另一侧绕组的两端t3与t4与另一正负连接端B+、B-连接。正负连接端A+、A-可以用于功率输出，此时变压器T产生的感应交流电压经过全桥电路100整流为直流后输出至正负连接端A+、A-；正负连接端A+、A-也可以用于功率输入，此时输入的直流电压经过全桥电路整流为交流后输入至变压器T以在变压器T的另一侧耦合形成相应的交流电压并输出至正负连接端B+、B-。正负连接端A+、A-在接入了设备之后，会在该正负连接端上形成有相应的电压信号。
其中第一桥臂110包括上开关管Q1与下开关管Q2，上开关管Q1与下开关管Q2串联连接。第二桥臂120与第一桥臂110单元结构相同，亦包括上开关管Q3与下开关管Q4。
上述开关管可以是二极管、三极管、MOS管等，当上述开关管为三极管或MOS管等器件时，可以设置有外置与开关管并联的二极管作为续流二极管或者利用开关管内部的体二极管作为续流二极管。
上述示例仅为对全桥电路100的举例说明，并非是对本申请实施方式的限定，本申请实施方式还可以应用于任何具有上、下桥臂的电路，如三相全桥逆变电路等等。
在使用过程中，每一个桥臂的上开关管、下开关管在控制电路230的控制下切换导通状态，实现电信号的逆变或者整流变换。
但在使用过程中，以第一桥臂110为例，上开关管Q1、下开关管Q2容易被损坏，出现短路或者微短路的问题，导致上下桥臂直通，可能会造成电源短路，从而给电源设备以及用电设备带来较大的安全风险。为降低由于开关管短路所带来的安全风险，本申请提供一种短路检测电路，用于对全桥电路100的任一桥臂的开关管进行短路检测。
请参阅图2，图2示出了本申请实施方式提供的短路检测电路的示意图，短路检测电路应用于全桥电路100的任一桥臂，以对其任一桥臂的至少一个开关管进行短路检测。可以理解地，全桥电路100包括多个上开关管与下开关管，多个上、下开关管中的任意一个发生短路故障，均会导致整个全桥电路100无法正常工作。
请参阅图2，短路检测电路包括第一采样电路210与控制电路230。控制电路230包括第一采样端IN1，第一采样电路210包括输入端Sin、输出端Sout及接地端GND，第一采样电路210的输入端Sin连接于第一桥臂110的中间点(即上开关管Q1与下开关管Q2的连接点)，第一采样电路210的接地端GND接地，第一采样电路210的输出端Sout与控制电路230的第一采样端IN1连接。
控制电路230用于在接收到第一检测信号时，控制该桥臂的上开关管Q1处于断开状态，并根据第一采样电路210的采样电压确定该桥臂的上开关管Q1的短路情况。控制电路230可以将原本处于导通状态下的上开关管Q1进行关断，也可以是维持原本就处于断开状态的开关管Q1的断开状态。第一检测信号可以为独立的指示对上开关管Q1进行短路检测的指令信号，也可以直接采用充电控制信号或者放电控制信号。当直接采用充电控制信号或者放电控制信号时，传统的电路通常在接收到该指令后即会控制相应的驱动信号控制上下开关管导通，而本案中，会先控制上开关管Q1处于断开状态，并仅在确认开关管Q1没有短路时，才会继续执行正常的驱动，以实现电压变换。
在上开关管Q1未发生短路时且断开的情况下，第一采样电路210无信号流过无法形成回路，因此第一采样电路210无法检测到电压，因此若第一采样电路210的采样电压为零，则可以确定该桥臂的上开关管Q1未发生短路故障。
若上开关管Q1发生短路故障，正连接端A+的电压信号可以经过短路的上开关管Q1、第一采样电路210的接地端GND接地形成回路，因此若第一采样电路210能够采样到的电压信号，则可以确定第一桥臂110的上开关管Q1发生短路故障。在一实施例中，为避免出现故障误报，也可以根据第一采样电路210采样到的电压来确定输入端Sin的电压，进而根据输入端Sin与正连接端A+之间的压差判断是否在预设范围内，如果是则可以确定上开关管Q1发生了短路故障，或者也可以直接根据采样电压与正连接端A+的电压之间的压差是否在预设范围内来进行故障判断。
本实用新型提供的方案第一采样电路210对桥臂中点的信号进行采样检测，控制电路230依据第一采样电路210采样到的信号电压确定上开关管Q1的短路情况。请继续参阅图2，第一采样电路210包括分压单元211，分压单元211包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2；第一分压电阻R1的第一端与第一采样电路210的输入端Sin连接，第一分压电阻R1的第二端通过第二分压电阻R2连接至接地端GND，第一采样电路210的输出端Sout连接于第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间。
在图2的基础上，请参阅图3，第一采样电路210还包括滤波单元212，利用滤波单元212对采样到的信号进行滤波，滤除采样信号的噪声，保障采样信号的精确度，避免误判。
其中，滤波单元212包括第三电阻R3和第一电容C1，第三电阻R3的第一端连接于第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间；第一电容C1的第一端与第三电阻R3的第二端连接，第一电容C1的第二端接地；第三电阻R3的第二端与所述第一采样电路210的输出端Sout连接。
通过上述短路检测电路可以对全桥电路100的上开关管进行检测，在可能的应用场景中，还需要对下开关管进行短路检测，在图3的基础上，请参阅图4，图4示出了本实用新型提供的另一种短路检测电路，除了能够对上开关管进行短路检测之外，还可以对下开关管进行检测。如图4所示，继续以对第一桥臂110的下开关管Q2进行短路检测为例，短路检测电路还包括第一开关电路220，第一开关电路220与第一桥臂110的上开关管Q1并联连接。
控制电路230在接收到第一检测信号时，控制第一开关电路220断开，并控制上开关管Q1处于断开状态，利用第一采样电路210对桥臂中点的信号进行采样检测，控制电路230依据第一采样电路210采样到的信号电压确定上开关管Q1的短路情况。
控制电路230在接收到第二检测信号时，控制第一开关电路220闭合导通，并控制上开关管Q1处于断开状态，利用第一采样电路210对桥臂中点的信号进行采样检测，控制电路230依据第一采样电路210采样到的信号电压确定下开关管Q2的短路情况。
若下开关管Q2发生短路故障，下开关管Q2视为导线，正连接端A+的信号经过第一开关电路220、桥臂中点后经过短路的下开关管Q2接地形成回路，桥臂中点的电压为零或者接近为零，因此在在上开关管Q1、下开关管Q2断开，第一开关电路220导通的情况下，若第一采样电路210采样信号的电压为零或者接近为零，即可确定下开关管Q2发生短路故障。
反之，若下开关管Q2未发生短路故障，下开关管Q2为断开状态，桥臂的中点等同于通过第一开关电路220与正连接端A+连接，与第一采样电路210形成电流回路，此时第一采样电路210采样到的电压是正连接端A+的电压经过第一开关电路220及第一采样电路210分压后的电压。
因此，在上开关管Q1、下开关管Q2断开，第一开关电路220导通的情况下，若第一采样电路210采样到的电压不为零，即可确定下开关管Q2发生短路故障。
如图4所示，第一开关电路220包括开关器件K1和第四电阻R4，开关器件K1与第四电阻R4串联，开关器件K1的控制端与控制电路230连接(图未示)，以根据控制电路230的控制信号切换导通状态。
上述开关器件K1为常开器件，在非工作状态均处于断开状态，仅在控制电路230接收到第二检测信号后，依据控制电路230的控制指令切换至导通状态。
上述开关器件K1包括MOS管、三极管和继电器中的至少一种，但不限于此，还可以是其他具有相同或者相似功能的开关器件。
控制电路230包括多个控制端口，多个控制端口分别对应连接一个桥臂(图未示)，以控制对应的上开关管、下开关管的导通状态，控制电路230与开关器件K1的控制端连接，以控制第一开关电路220切换导通状态。控制电路230的第一采样端IN1通过第一采样电路210检测桥臂中点的电压，根据第一采样电路210采样信号的电压对上开关管Q1与下开关管Q2是否发生短路故障进行检测。
上述控制电路230包括控制器，控制器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件、单片机等，本实施例对此不作限定。
请继续参阅图4，在对下开关管Q2进行短路检测时，若下开关管Q2未发生短路故障，正连接端A+的信号依次经过开关器件K1、第四电阻R4、桥臂中点、第一分压电阻R1与第二分压电阻R2后接地，为了便于计算，在一些可能的实施方式中，令第一分压电阻R1、第二分压电阻R2与第四电阻R4的阻值相等，从而可以确定桥臂中点的电压为VP/3，其中VP为正连接端A+的电压，在上述情况下，若第一采样电路210检测的信号的电压不为零即可确定下开关管Q2未发生短路故障，进一步地，若第一采样电路210检测的信号的电压为VP/3，其中VP为电源电压，即可确定下开关管Q2未发生短路故障。
在一些可能的实施方式中，如图5所示，全桥电路100的第一桥臂110与第二桥臂120分别与变压器的线圈的两端t1、t2连接。在这种情况下，短路检测电路可以分别针对每一路桥臂分别设置一个开关电路及采样电路，其中，对应第一桥臂110设置第一开关电路220及第一采样电路210，对应第二桥臂120设置第二开关电路250与第二采样电路240，控制电路230包括第一采样端IN1与第二采样端IN2，控制电路230的第一采样端IN1通过第一采样电路210与第一桥臂110的中点连接，控制电路230的第二采样端IN2通过第二采样电路240与第二桥臂120的中点连接。
基于上述短路检测电路，对每一个桥臂的中点的电压进行采样检测，结合对应的开关电路的开闭状态对上、下开关管是否发生短路故障进行检测。
需要说明的是，本申请实施例提及的短路检测，是在每一个上开关管或者下开关管均处于断开状态下进行的，在上开关管、下开关管均处于断开状态的情况下，当该上开关管并联的开关电路断开，但在对应的采样点检测到电压的情况下，可以确定上开关管发生短路故障，在任一上开关管所并联的开关电路导通的情况下，若某一桥臂的采样点的电压为零，即可确定该桥臂的下开关管发生短路故障。
在可能的实现方式中，在检测到任意一个开关管发生短路后，无需再进行其他桥臂的检测，并断开该全桥电路100所在的回路。同时控制电路230控制发出警示信息。
基于上述实施例提供的全桥电路100及短路检测电路，本实施例还提供一种电压变换电路，电压变换电路包括全桥电路100及上述实施例提供的短路检测电路。
需要说明的是，本实施例提供的电压变换电路，其产生的技术效果与技术原理与前述实施方式中提供的短路检测电路基本相同为简要描述，均是为了实现在电路工作前对开关管进行短路检测，本实施例不再进行详细说明，本实施例未介绍详尽之处，请参阅前述实施例中的相关内容。
本实施例还提供一种电源设备，该电源设备包括电池及上述实施例提供的电压变换电路，电压变换电路用于将电池输出的直流电转换为交流电后输出，或者电压变换电路用于将输入的交流电转换为直流电后给所述电池充电。
综上所述，本申请提供了一种短路检测电路、电压变换电路及电源设备，短路检测电路包括第一采样电路与控制电路。控制电路包括第一采样端，控制电路的第一采样端通过第一采样电路与桥臂中点连接，以对桥臂中点的电压进行采样检测，在接收到第一检测信号时，控制电路会先控制上开关管断开，利用第一采样电路对桥臂中点的电压进行检测，控制电路依据采样信号的电压对上开关管是否发生短路故障进行检测，避免全桥电路的出现短路故障，提升电路的安全性能。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种短路检测电路，其特征在于，所述短路检测电路用于对全桥电路中的至少一个开关管进行短路检测，所述全桥电路用于将输入的直流电转换为交流电后输出，或者用于将输入的交流电转换为直流电后输出；所述全桥电路包括至少一个桥臂，所述桥臂包括依次串联的上开关管与下开关管；
所述短路检测电路包括第一采样电路及控制电路，所述控制电路包括第一采样端；所述第一采样电路的输入端连接于所述桥臂的中间点，所述第一采样电路的接地端接地，所述第一采样电路的输出端与所述控制电路的第一采样端连接；
所述控制电路，用于在接收到第一检测信号时，控制所述桥臂的上开关管处于断开状态，并根据所述第一采样电路的采样电压确定所述桥臂的上开关管的短路情况。
2.根据权利要求1所述的短路检测电路，其特征在于，所述第一采样电路包括分压单元，所述分压单元包括第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第一分压电阻的第一端与所述第一采样电路的输入端连接，所述第一分压电阻的第二端通过所述第二分压电阻连接至所述接地端；所述第一采样电路的输出端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间。
3.根据权利要求2所述的短路检测电路，其特征在于，所述第一采样电路还包括滤波单元，所述滤波单元包括第三电阻和第一电容；所述第三电阻的第一端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间；所述第一电容的第一端与所述第三电阻的第二端连接，所述第一电容的第二端接地；所述第三电阻的第二端与所述第一采样电路的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的短路检测电路，其特征在于，还包括第一开关电路；所述第一开关电路与所述桥臂的上开关管并联；
所述控制电路还用于在接收到所述第一检测信号时，控制所述第一开关电路断开；
所述控制电路还用于在接收到第二检测信号时，控制所述第一开关电路闭合，以对所述桥臂的下开关管进行短路检测。
5.根据权利要求4所述的短路检测电路，其特征在于，所述第一开关电路包括开关器件和第四电阻，所述开关器件与所述第四电阻串联；所述开关器件的控制端与所述控制电路连接。
6.根据权利要求5所述的短路检测电路，其特征在于，所述开关器件为常开器件。
7.根据权利要求5所述的短路检测电路，其特征在于，所述开关器件包括MOS管、三极管和继电器中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的短路检测电路，其特征在于，所述第一分压电阻、第二分压电阻与所述第四电阻的阻值相同。
9.一种电压变换电路，其特征在于，包括全桥电路和如权利要求1～8任意一项所述的短路检测电路。
10.一种电源设备，其特征在于，包括电池和如权利要求9所述的电压变换电路。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117394698A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-12 | 深圳市芯茂微电子有限公司 | 一种h桥电源电路控制方法、装置、介质 |
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2021
- 2021-07-12 CN CN202121578252.4U patent/CN215297627U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117394698A (zh) * | 2023-12-13 | 2024-01-12 | 深圳市芯茂微电子有限公司 | 一种h桥电源电路控制方法、装置、介质 |
| CN117394698B (zh) * | 2023-12-13 | 2024-03-26 | 深圳市芯茂微电子有限公司 | 一种h桥电源电路控制方法、装置、介质 |
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