CN217087501U - 一种交流固态开关短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交流固态开关短路保护电路，交流固态开关包括功率MOS管Q1和功率MOS管Q3；所述功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联连接，所述驱动器E1通过第一短路检测电路与功率MOS管Q1连接，所述驱动器E2通过第二短路检测电路与功率MOS管Q3连接；控制信号分别与驱动器E1和驱动器E2的输入端连接。本实用新型将功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联安装在交流回路中，独立的驱动器E1通过第一短路检测电路对交流电的正半周进行检测；独立的驱动器E2通过第二短路检测电路对交流电的负半周进行检测。当输出为短路状态时，输出电流快速上升，驱动器能够通过短路检测回路检测功率MOS管的压降，并通过集成硬件电路快速实现短路保护。

Description

一种交流固态开关短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及机电控制技术领域，具体为一种交流固态开关短路保护电路。

背景技术

目前交流电气系统中，交流电气系统中用电设备供电通常采用交流接触器、断路器等，交流接触器和断路器均为机械式结构，通过产品本身实现短路保护，但机械式产品存在寿命较短、拉弧等问题。因此涌现出采用功率MOSFET实现的交流固态开关，但该固态开关交流短路保护没有明确的方法实现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种交流固态开关短路保护电路，对交流配电进行短路保护。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种交流固态开关短路保护电路，包括驱动器E1、驱动器E2、第一短路检测电路、第二短路检测电路和控制信号；

交流固态开关包括功率MOS管Q1和功率MOS管Q3；功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联连接，

所述驱动器E1通过第一短路检测电路与功率MOS管Q1连接，所述驱动器E2通过第二短路检测电路与功率MOS管Q3连接；

控制信号分别与驱动器E1和驱动器E2的输入端连接。

优点：本实用新型的短路保护电路原理简单，所需元器件少，将功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联安装在交流回路中，独立的驱动器E1通过第一短路检测电路对交流电的正半周进行检测；独立的驱动器E2通过第二短路检测电路对交流电的负半周进行检测。当输出为短路状态时，输出电流快速上升，驱动器能够通过短路检测回路检测功率MOS管的压降，并通过集成硬件电路快速实现短路保护。

优选地，所述驱动器E1和驱动器E2的型号均为ACPL332J。

优选地，所述第一短路检测电路包括二极管D1、二极管D2、电阻R2、电阻R3、电阻R4；

所述驱动器E1的引脚14通过电阻R2接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接功率MOS管Q1的漏极；

所述驱动器E1的引脚11通过电阻R3接功率MOS管Q1的栅极，所述功率MOS管Q1的栅极和源极之间通过电阻R4连接。

优选地，所述第一短路检测电路还包括电容C3、电容C4、电容C7；

所述电容C3和电容C4并联后一端接驱动器E1的引脚16，另一端接在电阻R2和驱动器E1的引脚14之间；

所述电容C7接在驱动器E1的引脚12和引脚13之间；所述驱动器E1的引脚13接电源VCC1，所述驱动器E1的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

优选地，还包括电阻R1、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C5、电容C6；

所述驱动器E1的引脚2接+5V电源，所述电容C1和电容C2并联后一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E1的引脚2之间；

所述电容C5和电容C6并联后一端通过电阻R1接+5V电源，另一端接驱动器E1的引脚1和引脚4；驱动器E1的引脚3接电阻R1与电容C6之间；

+5V电源通过电阻R5接驱动器E1的引脚6和引脚7。

优选地，所述第二短路检测电路包括二极管D3、二极管D4、电阻R8、电阻R11、电阻R12；

所述驱动器E2的引脚14通过电阻R11接二极管D3的阳极，所述二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接功率MOS管Q3的漏极；

所述驱动器E2的引脚11通过电阻R12接功率MOS管Q3的栅极，所述功率MOS管Q3的栅极和源极之间通过电阻R8连接。

优选地，所述第二短路检测电路还包括电容C10、电容C11、电容C14；

所述电容C10和电容C11并联后一端接驱动器E2的引脚16，另一端接在电阻R11和驱动器E2的引脚14之间；

所述电容C14接在驱动器E2的引脚12和引脚13之间；所述驱动器E2的引脚13接电源VCC1，所述驱动器E2的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

优选地，还包括电阻R9、电阻R13、电容C9、电容C12、电容C13；

所述驱动器E2的引脚2接+5V电源，所述电容C9一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E2的引脚2之间；

所述电容C12和电容C13并联后一端通过电阻R9接+5V电源，另一端接驱动器E2的引脚1和引脚4；驱动器E2的引脚3接电阻R9与电容C13之间；

+5V电源通过电阻R13接驱动器E2的引脚6和引脚7。

优选地，还包括电阻R6、电阻R7、电容C8、功率MOS管Q2；

所述控制信号通过电阻R6接功率MOS管Q2的栅极，所述功率MOS管Q2的源极接地，漏极分别接驱动器E1和驱动器E2的引脚5和引脚8；

所述电阻R7和电容C8并联后接接在功率MOS管Q2的源极和栅极。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的短路保护电路原理简单，所需元器件少，将功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联安装在交流回路中，独立的驱动器E1通过第一短路检测电路对交流电的正半周进行检测；独立的驱动器E2通过第二短路检测电路对交流电的负半周进行检测。当输出为短路状态时，输出电流快速上升，驱动器能够通过短路检测回路检测功率MOS管的压降，并通过集成硬件电路快速实现短路保护。

(2)本实用新型的短路保护阈值能够根据实际设备需求进行调整。正半周和负半周的交流电分别通过电阻R2和电阻R11进行控制。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的电路连接示意图；

图2为本实用新型的实施例的交流电正半周电流流向示意图；

图3为本实用新型的实施例的交流电负半周电流流向示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1，本实施例公开了一种交流固态开关短路保护电路，包括驱动器E1、驱动器E2、交流固态开关、第一短路检测电路、第二短路检测电路和控制信号。

交流固态开关包括功率MOS管Q1和功率MOS管Q3；功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联连接；交流固态开关安装在具有负载LOAD的交流回路中，功率MOS管Q1、功率MOS管Q3和负载LOAD依次串联。

驱动器E1通过第一短路检测电路与功率MOS管Q1连接，驱动器E2通过第二短路检测电路与功率MOS管Q3连接；控制信号分别与驱动器E1和驱动器E2的输入端连接。

其中功率MOS管Q1和功率MOS管Q3之间接地。驱动器E1和驱动器E2的型号均为ACPL332J。

在本实施例中，将功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联安装在交流回路中，独立的驱动器E1通过第一短路检测电路对交流电的正半周进行检测；独立的驱动器E2通过第二短路检测电路对交流电的负半周进行检测。当输出为短路状态时，输出电流快速上升，驱动器能够通过短路检测回路检测功率MOS管的压降，并通过集成硬件电路快速实现短路保护。

在本实施例的具体实施中，第一短路检测电路包括二极管D1、二极管D2、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4和电容C7。

驱动器E1的引脚14通过电阻R2接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接功率MOS管Q1的漏极；驱动器E1的引脚11通过电阻R3接功率MOS管Q1的栅极，功率MOS管Q1的栅极和源极之间通过电阻R4连接。电容C3和电容C4并联后一端接驱动器E1的引脚16，另一端接在电阻R2和驱动器E1的引脚14之间；电容C7接在驱动器E1的引脚12和引脚13之间；驱动器E1的引脚13接电源VCC1，驱动器E1的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

驱动器E1处还设有电阻R1、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C5、电容C6。

驱动器E1的引脚2接+5V电源，电容C1和电容C2并联后一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E1的引脚2之间；电容C5和电容C6并联后一端通过电阻R1接+5V电源，另一端接驱动器E1的引脚1和引脚4；驱动器E1的引脚3接电阻R1与电容C6之间；+5V电源通过电阻R5接驱动器E1的引脚6和引脚7。

第二短路检测电路包括二极管D3、二极管D4、电阻R8、电阻R11、电阻R12、电容C10、电容C11和电容C14。

驱动器E2的引脚14通过电阻R11接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接功率MOS管Q3的漏极；驱动器E2的引脚11通过电阻R12接功率MOS管Q3的栅极，功率MOS管Q3的栅极和源极之间通过电阻R8连接。

电容C10和电容C11并联后一端接驱动器E2的引脚16，另一端接在电阻R11和驱动器E2的引脚14之间；电容C14接在驱动器E2的引脚12和引脚13之间；驱动器E2的引脚13接电源VCC1，驱动器E2的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

驱动器E2处还设有电阻R9、电阻R13、电容C9、电容C12、电容C13。

驱动器E2的引脚2接+5V电源，电容C9一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E2的引脚2之间；电容C12和电容C13并联后一端通过电阻R9接+5V电源，另一端接驱动器E2的引脚1和引脚4；驱动器E2的引脚3接电阻R9与电容C13之间；+5V电源通过电阻R13接驱动器E2的引脚6和引脚7。

控制信号处还设有电阻R6、电阻R7、电容C8、功率MOS管Q2。

控制信号通过电阻R6接功率MOS管Q2的栅极，功率MOS管Q2的源极接地，漏极分别接驱动器E1和驱动器E2的引脚5和引脚8；电阻R7和电容C8并联后接接在功率MOS管Q2的源极和栅极。

如图2所示，当交流电处于正半周时，图中箭头为电流流向，此时若负载出现短路时，需要检测功率MOS管Q1的压降。

如图3所示，当交流电处于负半周时，图中箭头为电流流向，此时若负载出现短路时，需要检测功率MOS管Q3的压降。

具体的，驱动器E1和驱动器E2接通后，通过单片机控制控制信号置高，使得驱动器E1和驱动器E2导通，驱动器E1的引脚11输出驱动电压至功率MOS管Q1的栅极，使得功率MOS管Q1导通。驱动器E2的引脚11输出驱动电压至功率MOS管Q3的栅极，使得功率MOS管Q3导通。因此整个回路导通。

当交流电处于正半周时，电流流向由L端依次通过功率MOS管Q1、功率MOS管Q3、负载后流向N端，同时驱动器E1的引脚14输出恒定电流经过电阻R2、二极管V1、二极管V2、功率MOS管Q1后接地。

此时，若负载短路，则回路中电流较大，功率MOS管Q1的漏极和源极之间产生的正向压降增大，同时电阻R2、二极管V1、二极管V2的电压没有变化，因此驱动器E1的引脚14处的电压增大，当驱动器E1的引脚14处的电压达到短路触发点时，则驱动器E1内部电路关闭驱动器E1的引脚11处的输出驱动电压，因此功率MOS管Q1的栅极失电断开，从而功率MOS管Q1关断，切断开关输出。

当交流电处于负半周时，电流流向由N端依次通过负载、功率MOS管Q3、功率MOS管Q1后流向L端，同时驱动器E2的引脚14输出恒定电流经过电阻R11、二极管V3、二极管V4、功率MOS管Q3后接地。

此时，若负载短路，则回路中电流较大，功率MOS管Q3的漏极和源极之间产生的正向压降增大，同时电阻R11、二极管V3、二极管V4的电压没有变化，因此驱动器E2的引脚14处的电压增大，当驱动器E2的引脚14处的电压达到短路触发点时，则驱动器E2内部电路关闭驱动器E2的引脚11处的输出驱动电压，因此功率MOS管Q3的栅极失电断开，从而功率MOS管Q3关断，切断开关输出。

因此在本实施例的电路中，交流电的正半周和负半周分别采用独立的驱动器实现驱动和短路保护检测功能。当输出为短路状态时，输出电流快速上升，驱动器通过短路检测回路检测功率MOS管的压降，通过集成硬件电路快速实现短路保护，交流电为正半周时，通过正半周驱动器检测，即驱动器E1，交流电为负半周时，通过负半周驱动器检测，即驱动器E2。

同时，本实施例的正半周的短路保护阈值可以通过在驱动器E1的引脚14处设置的电阻R2进行调整，驱动器E1的引脚14处的电压为电阻R2、二极管V3、二极管V4和功率MOS管Q1的电压之和，在二极管V3和二极管V4的电压不变，且驱动器E1引脚14的短路触发点也不会变化的情况下，电阻R2的阻值增大，则电阻R2处的电压相应增大，因此功率MOS管Q1处的电压仅需更少的增长量即可，即正半周的短路保护阈值随着电阻R2的阻值的增大而减小。

同理，本实施例的负半周的短路保护阈值可以通过在驱动器E2的引脚14处设置的电阻R11进行调整，负半周的短路保护阈值随着电阻R11的阻值的增大而减小。其具体的实现原理与正半周相同，不再赘述。

电路原理简单、元器件少，能快速实现短路保护，检测最快速率30us。同时短路保护点阈值根据实际设备需求进行自由调整。可防止开关和设备造成损坏。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示实用新型的实施方式，本实用新型的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型保护范围。

Claims (9)

1.一种交流固态开关短路保护电路，用于保护交流固态开关，其特征在于：包括驱动器E1、驱动器E2、第一短路检测电路、第二短路检测电路和控制信号；

交流固态开关设置在具有负载LOAD的交流回路中，交流固态开关包括功率MOS管Q1和功率MOS管Q3；所述功率MOS管Q1和功率MOS管Q3反串联连接；

所述驱动器E1通过第一短路检测电路与功率MOS管Q1连接，所述驱动器E2通过第二短路检测电路与功率MOS管Q3连接；

控制信号分别与驱动器E1和驱动器E2的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：所述驱动器E1和驱动器E2的型号均为ACPL332J。

3.根据权利要求2所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：所述第一短路检测电路包括二极管D1、二极管D2、电阻R2、电阻R3、电阻R4；

所述驱动器E1的引脚14通过电阻R2接二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接功率MOS管Q1的漏极；

所述驱动器E1的引脚11通过电阻R3接功率MOS管Q1的栅极，所述功率MOS管Q1的栅极和源极之间通过电阻R4连接。

4.根据权利要求3所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：所述第一短路检测电路还包括电容C3、电容C4、电容C7；

所述电容C3和电容C4并联后一端接驱动器E1的引脚16，另一端接在电阻R2和驱动器E1的引脚14之间；

所述电容C7接在驱动器E1的引脚12和引脚13之间；所述驱动器E1的引脚13接电源VCC1，所述驱动器E1的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

5.根据权利要求3所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：还包括电阻R1、电阻R5、电容C1、电容C2、电容C5、电容C6；

所述驱动器E1的引脚2接+5V电源，所述电容C1和电容C2并联后一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E1的引脚2之间；

所述电容C5和电容C6并联后一端通过电阻R1接+5V电源，另一端接驱动器E1的引脚1和引脚4；驱动器E1的引脚3接电阻R1与电容C6之间；

+5V电源通过电阻R5接驱动器E1的引脚6和引脚7。

6.根据权利要求2所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：所述第二短路检测电路包括二极管D3、二极管D4、电阻R8、电阻R11、电阻R12；

所述驱动器E2的引脚14通过电阻R11接二极管D3的阳极，所述二极管D3的阴极接二极管D4的阳极，二极管D4的阴极接功率MOS管Q3的漏极；

所述驱动器E2的引脚11通过电阻R12接功率MOS管Q3的栅极，所述功率MOS管Q3的栅极和源极之间通过电阻R8连接。

7.根据权利要求6所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：所述第二短路检测电路还包括电容C10、电容C11、电容C14；

所述电容C10和电容C11并联后一端接驱动器E2的引脚16，另一端接在电阻R11和驱动器E2的引脚14之间；

所述电容C14接在驱动器E2的引脚12和引脚13之间；所述驱动器E2的引脚13接电源VCC1，所述驱动器E2的引脚9和引脚12均接电源VCC2。

8.根据权利要求6所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：还包括电阻R9、电阻R13、电容C9、电容C12、电容C13；

所述驱动器E2的引脚2接+5V电源，所述电容C9一端接地，另一端接在+5V电源和驱动器E2的引脚2之间；

所述电容C12和电容C13并联后一端通过电阻R9接+5V电源，另一端接驱动器E2的引脚1和引脚4；驱动器E2的引脚3接电阻R9与电容C13之间；

+5V电源通过电阻R13接驱动器E2的引脚6和引脚7。

9.根据权利要求1所述的交流固态开关短路保护电路，其特征在于：还包括电阻R6、电阻R7、电容C8、功率MOS管Q2；

所述控制信号通过电阻R6接功率MOS管Q2的栅极，所述功率MOS管Q2的源极接地，漏极分别接驱动器E1和驱动器E2的引脚5和引脚8；

所述电阻R7和电容C8并联后接接在功率MOS管Q2的源极和栅极。

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