CN218734246U - 一种过压保护电路及电力设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种过压保护电路及电力设备。其中，该电路包括：电压检测模块，其第一端连接功率开关的集电极，用于检测所述功率开关的集电极电压；辅助开关模块，其第一端连接所述电压检测模块的输出端，其第二端连接驱动模块与所述功率开关的门极之间，用于在所述功率开关的集电极电压大于预设阈值时，控制所述功率开关导通。通过本实用新型，能够持续有效地抑制功率开关的集电极和发射极之间的电压应力，避免功率开关损坏。

Description

一种过压保护电路及电力设备

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种过压保护电路及电力设备。

背景技术

功率开关器件，例如功率开关(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT)或者MOS(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体，简称MOS)被广泛应用在各种电力设备中，其经常工作在高压大电流的工况下。在实际应用中，由于负载过载、外部干扰、内部信号错误等原因，都会造成功率开关电流急剧增加，超过其容量限制，为了避免功率开关过热损坏，需要及时关断功率开关进行保护。在功率开关过流保护关断的过程中，由于功率开关关断换流回路存在杂散电感，容易产生感应电动势，该电压叠加在母线电压上，使得功率开关的集电极和发射极之间产生较大的电压应力，造成功率开关电压应力过载击穿。图1为现有的功率开关过压保护电路，如图1所示，采用瞬态二极管对功率开关的关断电压应力进行抑制，瞬态二极管来检测集电极-发射极电压，当电压超过瞬态二极管的击穿电压时，瞬态二极管被击穿，击穿电流流向功率开关的门极，使得功率开关暂时导通，过压应力的多余能量泄放，减小此时集电极和发射极之间的电压应力。但瞬态二极管反向导通的电流会被驱动模块旁路掉一部分，使得功率开关的导通效果不理想，导致对过电压抑制较小，使得瞬态二极管持续导通才有电压抑制效果，瞬态二极管长时间的反向导通会导致其热损耗增加温升过大，容易造成瞬态二极管损坏，进而失去作用。

针对现有技术中采用瞬态二极管对功率开关的关断电压应力进行抑制时，瞬态二极管长时间反向导通，导致瞬态二极管易失效的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供一种过压保护电路及电力设备，以解决现有技术中采用瞬态二极管对功率开关的关断电压应力进行抑制效果较差的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种过压保护电路，该电路包括：

电压检测模块，其第一端连接功率开关的集电极，用于检测所述功率开关的集电极电压；

辅助开关模块，其第一端连接所述电压检测模块的输出端，其第二端连接驱动模块与所述功率开关的门极之间，用于在所述功率开关的集电极电压大于预设阈值时，控制所述功率开关导通。

进一步地，所述电压检测模块包括：

串联设置的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接所述功率开关的集电极，所述第二电阻接地。

进一步地，所述辅助开关模块包括：

第一光电耦合器，其输入侧的第一端连接至所述第一电阻和所述第二电阻之间，其输入侧的第二端连接至所述第二电阻的接地端，其输出侧的第一端通过第三电阻连接第一电压源，其输出侧的第二端接地；

第一开关管，其控制端连接至所述第三电阻和所述光电耦合器的输出侧的第一端之间，其输入端通过第四电阻连接所述第一电压源，其输出端接地。

进一步地，所述辅助开关模块还包括：

第一单向二极管，其阳极连接至所述第一开关管的输入端，其阴极连接所述功率开关的门极。

进一步地，所述辅助开关模块包括：

第二光电耦合器，其输入侧的第一端连接至所述第一电阻和所述第二电阻之间，其输入侧的第二端连接至所述第二电阻的接地端，其输出侧的第一端连接第二电压源，其输出侧的第二端通过第五电阻连接第二开关管的控制端；

所述第二开关管，其输入端通过第六电阻连接所述第二电压源，其输出端通过第七电阻接地。

进一步地，所述辅助开关模块还包括：

第二单向二极管，其阳极连接至所述第二开关管的输出端与所述第七电阻之间，其阴极连接所述功率开关的门极。

进一步地，所述辅助开关模块还包括：

第三开关管，其控制端连接所述第二开关管的控制端，其输入端连接所述驱动模块，其输出端连接所述功率开关的门极。

进一步地，所述辅助开关模块还包括：

第三单向二极管，其阳极连接所述第三开关管的输入端，其阴极连接所述第三开关管的输出端。

进一步地，所述过压保护电路还包括：

第八电阻，设置在所述驱动模块与所述功率开关的门极之间。

本实用新型还提供一种电力设备，其中包括功率开关管，还包括权利上述过压保护电路。

应用本实用新型的技术方案，通过设置电压检测模块检测功率开关的集电极电压，进而检测功率开关是否过流，从而判断功率开关的集电极和发射极之间是否存在较大的电压应力，通过设置辅助开关模块，在功率开关的集电极电压超过预设阈值，即功率开关的集电极和发射极之间存在较大的电压应力时，控制功率开关导通，进而降低功率开关的集电极和发射极之间的电压应力，相比于瞬态二极管，辅助开关模块长时间导通也不易失效，因此能够持续有效地抑制功率开关的集电极和发射极之间的电压应力，避免功率开关损坏。

附图说明

图1为现有的功率开关过压保护电路；

图2为根据本实用新型实施例的过压保护电路的结构框图；

图3为根据本实用新型实施例的过压保护电路的结构图；

图4为根据本实用新型另一实施例的过压保护电路的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本实用新型实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述开关管，但这些开关管不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同位置的开关管区分开。例如，在不脱离本实用新型实施例范围的情况下，第一开关管也可以被称为第二开关管，类似地，第二开关管也可以被称为第一开关管。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，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商品或者装置不仅包括那些要素，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商品或者装置所固有的要素。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商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本实用新型的可选实施例。

实施例1

本实施例提供一种过压保护电路，图2为根据本实用新型实施例的过压保护电路的结构框图，如图2所示，该过压电路包括：

电压检测模块10，其第一端连接功率开关的集电极，用于检测所述功率开关的集电极电压；

辅助开关模块20，其第一端连接所述电压检测模块的输出端，其第二端连接驱动模块与功率开关的门极之间，用于在功率开关的集电极电压大于预设阈值时，控制功率开关导通；其中，驱动模块用于驱动所述功率开关。

本实施例的过压保护电路，通过设置电压检测模块10检测功率开关的集电极电压，进而检测功率开关是否过流，从而判断功率开关的集电极和发射极之间是否存在较大的电压应力，通过设置辅助开关模块20，在功率开关的集电极电压超过预设阈值，即功率开关的集电极和发射极之间存在较大的电压应力时，控制功率开关导通，进而降低功率开关的集电极和发射极之间的电压应力，相比于瞬态二极管，辅助开关模块20长时间导通也不易失效，因此能够持续有效地抑制功率开关的集电极和发射极之间的电压应力，避免功率开关损坏。

图3为根据本实用新型实施例的过压保护电路的结构图，如图3所示，电压检测模块包括：

串联设置的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1连接功率开关的集电极，所述第二电阻R2接地。通过第一电阻R1和第二电阻R2对功率开关的集电极电压进行分压。通过设置R1与第二电阻R2的阻值来实现对功率开关的集电极和发射极之间的电压的检测，R1与第二电阻R2的数量关系为：

VCE为功率开关的集电极和发射极之间的电压，Va为辅助开关模块中得第一光电耦合器和第二光电耦合器的导通电压阈值，设集电极和发射极之间的最大保护电压为VCEM，其中，VCEM小于功率开关的击穿电压VCE(BK)，则VCE≤VCEM，则/>

为了实现根据功率开关的集电极电压控制功率开关的通断，如图3所示，上述辅助开关模块20包括：

第一光电耦合器U1，其输入侧的第一端连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间，其输入侧的第二端连接至第二电阻R2的接地端，其输出侧的第一端通过第三电阻R3连接第一电压源，其输出侧的第二端接地；第一开关管Q1，其控制端b连接至第三电阻R3和所述光电耦合器的输出侧的第一端之间，其输入端通过第四电阻R4连接所述第一电压源，其输出端接地。

为了避免门极泄放电流经过第一开关管Q1，上述辅助开关模块20还包括：第一单向二极管D1，其阳极连接至所述第一开关管的输入端，其阴极连接所述功率开关的门极。

为了实现控制端输入高电平时导通，输入低电平时关断，第一开关管Q1为NPN型三极管或NMOS管。

综上所述，电压检测模块10包括两个分压电阻R1和第二电阻R2，辅助开关模块20包括第一光耦U1，其输入侧的第一端连接至R1和第二电阻R2之间，其输出连接第一开关管Q1，用于将过压信号变成电流信号驱动功率开关暂时开通，泄放能量，第一开关管Q1为高电平驱动的NPN三极管或NMOS管，第四电阻R4为限流电阻，第三电阻R3为上拉电阻，第四电阻R4与第三电阻R3和二极管D1串联。

如图3，该装置通过电压检测模块的限流分压电阻R1和第二电阻R2对集电极和发射极之间的大电压进行分压后将第二电阻R2的电压作为第一光耦U1的输入，当功率开关管的集电极和发射极之间的电压大于或接近击穿电压时，第一光耦U1的输入端电压(即第二电阻R2的分压)超过了其导通阈值电压Va，使第一光耦U1导通，第一开关管Q1控制端b的输入电压被拉低，第一开关管Q1关断，通过第四电阻R4使第一开关管Q1的输入端c变为高电平。第一开关管Q1在未发生过压时，其控制端b为高电平，第一开关管Q1导通，此时第一开关管Q1的输入端c变为为低电平，由于第一单向二极管D1的存在，过电压保护电路并不影响功率开关的正常工作。相应地，功率开关的门极泄放电流也不经过三极管第一开关管Q1。功率开关处于关断状态，其门极进行电荷泄放，由于二极管D1的存在，门极泄放电流不经过三极管第一开关管Q1；当发生过压时，第一光耦U1输出侧的第一端为低电平，辅助开关模块的第一开关管Q1的控制端b的输入电压被拉低，进而关断，第一电压源Vd1(Vd1为供电电源，具体电压值可根据分压电阻R4设置)提供的电压通过第四电阻R4及二极管D1分压后，输出到功率开关的门极，使得功率开关导通，对过压应力的能量进行泄放，避免功率开关过压击穿，实现对功率开关的过压保护。

本实施例通过电压检测模块进行电压检测，通过辅助开关模块进行过压时功率开关的驱动，对高压部分与低压部分隔离，且驱动能力可通过第四电阻R4进行调节，较为灵活。本实用新型无需对原驱动电路进行改造，只是在原基础上添加了部分元件，易于实现，对功率开关的保护及时，无需瞬态二极管击穿来进行功率开关过压时的驱动，可靠性高。

实施例2

本实施例提供另一种过压保护电路，图4为根据本实用新型另一实施例的过压保护电路的结构图，如图4所示，为了实现根据功率开关的集电极电压控制功率开关的通断，辅助开关模块包括：第二光电耦合器U2，其输入侧的第一端连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间，其输入侧的第二端连接至第二电阻R2的接地端，其输出侧的第一端连接第二电压源，其输出侧的第二端通过第五电阻R5连接第二开关管Q2的控制端；第二开关管Q2，其输入端c通过第六电阻R6连接第二电压源，其输出端通过第七电阻R7接地。

为了避免门极泄放电流经过第一开关管Q2，所述辅助开关模块还包括：

第二单向二极管D2，其阳极连接至第二开关管Q2的输出端e与第七电阻R7之间，其阴极连接功率开关的门极。

为了在过压泄放时关闭驱动模块对功率开关的门极电流的泄放回路，使得辅助开关模块输出的电流不被驱动模块分流，提高功率开关的导通速度，使得上述电路对功率开关的保护更加及时有效，所述辅助开关模块还包括：第三开关管Q3，其控制端连接所述第二开关管Q2的控制端b，其输入端连接驱动模块，其输出端连接功率开关的门极；第三单向二极管D3，其阳极连接第三开关管Q3的输入端，其阴极连接所述第三开关管Q3的输出端。

为了实现控制端输入高电平时导通，输入低电平时关断，上述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3均为NPN型三极管或NMOS管。

综上所述，如图4所示，将实施例1中，增加第七电阻R7，第七电阻R7的第一端连接至第二开关管Q2的输出端e，第二端接地，将二极管D2的一端接在第七电阻R7的的第一端，将第二光耦U2的输出侧的第二端通过第五电阻R5接在第二开关管Q2的基极控制端b。通过电压检测模块的限流分压电阻R1和R2对集电极和发射极之间的大电压进行分压后将第二电阻R2的电压作为第二光耦U2的输入侧的输入电压，当功率开关的集电和发射极间的电压大于或等于击穿电压时，第二光耦U2的输入端电压，即第一电阻R1和第二电阻R2之间的分压超过了第二光耦U2的导通阈值电压Va，使第二光耦U2输出侧导通，由于设置了第五电阻R5，第二光耦U2输出高电平，此时第二开关管Q2控制端b输入高电平，第二开关管Q2导通，第二开关管Q2的输出端e为高电平。未发生过压时，辅助开关模块20中的第二开关管Q2的控制端b输入低电平，第二开关管Q2保持关断，此时第二开关管Q2的输出端e为低电平，功率开关处于关断状态，其门极进行电荷泄放，由于二极管D2的存在，过电压保护电路并不影响功率开关的正常工作。相应地，功率开关的门极泄放电流也不经过第二开关管Q2；当发生过压时，第二光耦U2输出高电平，第二开关管Q2导通，第二电压源Vd2(Vd2为供电电源，具体电压值可根据分压电阻R6设置)提供的电压通过第六电阻R6、第七电阻R7及二极管D2分压后，输出到功率开关的门极，使得功率开关导通，对过压应力的能量进行泄放，避免功率开关过压击穿，实现对功率开关的过压保护。

相比于实施例1，辅助开关模块中的开关管由常导通改为常关断，降低功耗，且可以使得第六电阻R6减小，使其驱动功率开关的门极的能力增强，对功率开关的保护更加及时。

为了在过压泄放时关闭驱动模块对功率开关的门极电流的泄放回路，使得辅助开关模块输出的电流不被驱动模块分流，提高功率开关的导通速度，使得上述电路对功率开关的保护更加及时有效，所述辅助开关模块20还包括：第三开关管Q3和第三单向二极管D3，用于在过压泄放时关闭驱动电路对功率开关的门极电流的泄放回路，使得第二开关管Q2输出的电流该回路不被分流，提高功率开关的导通速度，使得该装置对功率开关的保护更加及时有效。

上述过压保护电路还包括：第八电阻R8，设置在驱动模块与功率开关的门极之间，用于限流。

实施例3

本实施例提供一种电力设备，其中包括功率开关管，还包括上述实施例中的过压保护电路。

以上所描述的电路实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种过压保护电路，其特征在于，所述电路包括：

电压检测模块，其第一端连接功率开关的集电极，用于检测所述功率开关的集电极电压；

辅助开关模块，其第一端连接所述电压检测模块的输出端，其第二端连接驱动模块与所述功率开关的门极之间，用于在所述功率开关的集电极电压大于预设阈值时，控制所述功率开关导通。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压检测模块包括：

串联设置的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接所述功率开关的集电极，所述第二电阻接地。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块包括：

第一光电耦合器，其输入侧的第一端连接至所述第一电阻和所述第二电阻之间，其输入侧的第二端连接至所述第二电阻的接地端，其输出侧的第一端通过第三电阻连接第一电压源，其输出侧的第二端接地；

第一开关管，其控制端连接至所述第三电阻和所述光电耦合器的输出侧的第一端之间，其输入端通过第四电阻连接所述第一电压源，其输出端接地。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块还包括：

第一单向二极管，其阳极连接至所述第一开关管的输入端，其阴极连接所述功率开关的门极。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块包括：

第二光电耦合器，其输入侧的第一端连接至所述第一电阻和所述第二电阻之间，其输入侧的第二端连接至所述第二电阻的接地端，其输出侧的第一端连接第二电压源，其输出侧的第二端通过第五电阻连接第二开关管的控制端；

所述第二开关管，其输入端通过第六电阻连接所述第二电压源，其输出端通过第七电阻接地。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块还包括：

第二单向二极管，其阳极连接至所述第二开关管的输出端与所述第七电阻之间，其阴极连接所述功率开关的门极。

7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块还包括：

第三开关管，其控制端连接所述第二开关管的控制端，其输入端连接所述驱动模块，其输出端连接所述功率开关的门极。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述辅助开关模块还包括：

第三单向二极管，其阳极连接所述第三开关管的输入端，其阴极连接所述第三开关管的输出端。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述过压保护电路还包括：

第八电阻，设置在所述驱动模块与所述功率开关的门极之间。

10.一种电力设备，其中包括功率开关管，其特征在于，还包括权利要求1至9中任一项所述的过压保护电路。

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