CN220857620U - 一种功率器件过流保护电路和功率变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率器件过流保护电路和功率变换器，包括：温度检测模块、信号处理模块、电流检测模块和比较模块；温度检测模块输出表征功率器件温度的温度信号；信号处理模块连接温度检测模块，用于根据温度信号生成与温度信号对应的过流阈值；电流检测模块连接功率器件，电流检测模块检测功率器件的电流；比较模块的第一输入端连接信号处理模块的输出端，比较模块的第二输入端连接电流检测模块的输出端，比较模块根据温度信号对应的过流阈值和功率器件的电流控制功率器件的导通或关断。本实用新型中的功率器件过流保护电路可以根据功率器件的温度动态调整过流阈值，提高功率器件的可靠性。

Description

一种功率器件过流保护电路和功率变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种功率器件过流保护电路和功率变换器。

背景技术

功率变换器可以实现功率变换的作用，例如，功率变换器包括整流器、逆变器、DC-DC变压器等，功率器件是功率变换器中的关键功率器件，需要具有一定的耐电压和耐电流能力，并且在功率回路中的电流过大时及时对功率器件进行过流保护。

目前，主要采用软件控制策略对功率器件进行过流保护，以防止电流损坏功率器件，但是，功率器件在不同温度下的耐电压和耐电流能力也会相应发生变化，尤其是当温度升高时，功率器件的最大耐电流值会下降。因此，如果仍然按照固定的电流保护阈值点来配置过流保护策略，则当温度升高时，过流保护策略可能就无法正常发挥作用，甚至会引发功率器件损坏。

实用新型内容

本实用新型提供了一种功率器件过流保护电路和功率变换器，以解决现有技术中过流保护策略由于未考虑温度因素导致功率器件损坏的问题。

根据本实用新型的一方面，提供了一种功率器件过流保护电路，包括：温度检测模块、信号处理模块、电流检测模块和比较模块；

所述温度检测模块设置在功率器件的外部，所述温度检测模块用于输出表征所述功率器件温度的温度信号；

所述信号处理模块的输入端连接所述温度检测模块的输出端，所述信号处理模块用于根据所述温度信号生成与所述温度信号对应的过流阈值；

所述电流检测模块的输入端连接所述功率器件，所述电流检测模块用于检测流过所述功率器件的电流值；

所述比较模块的第一输入端连接所述信号处理模块的输出端，所述比较模块的第二输入端连接所述电流检测模块的输出端，所述比较模块用于根据所述温度信号对应的过流阈值和所述功率器件的电流值，控制所述功率器件的导通或关断。

可选的，所述信号处理模块包括特性分析单元和PWM信号生成单元，所述特性分析单元用于对所述温度信号进行特性分析，并确定与所述温度信号对应的所述过流阈值，所述PWM信号生成单元的输入端连接所述特性分析单元的输出端，所述PWM信号生成单元用于根据所述过流阈值生成与所述过流阈值对应的PWM信号。

可选的，所述功率器件过流保护电路还包括稳压模块，所述稳压模块的输入端连接所述信号处理模块的输出端，所述稳压模块的输出端连接所述比较模块的第一输入端，所述稳压模块用于对所述PWM信号进行稳压处理。

可选的，所述特性分析单元包括预设的所述温度信号与所述过流阈值的映射模型，所述映射模型用于将所述温度信号与所述过流阈值一一对应。

可选的，所述温度检测模块包括第一电阻、第二电阻和第一电源，所述第一电源的正极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电源的负极接地，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端和所述温度检测模块的输出端，所述第二电阻的第二端接地。

可选的，所述第二电阻包括热敏电阻。

可选的，所述比较模块包括第一运算放大器和第三电阻，所述第一运算放大器的正向输入端连接所述比较模块的第一输入端，所述第一运算放大器的负向输入端连接所述比较模块的第二输入端，所述第一运算放大器的输出端连接所述比较模块的输出端和所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端接地。

可选的，所述电流检测模块包括电流检测器，所述电流检测器用于根据检测到的电流信号转换为电压信号。

可选的，所述稳压模块包括第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容和第三电容，所述第四电阻的第一端连接所述稳压模块的输入端，所述第四电阻的第二端连接所述第一电容的第一端和所述第五电阻的第一端，所述第五电阻的第二端连接所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端和所述稳压模块的输出端，所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种功率变换器，包括功率器件和如上任一方面所描述的所述功率器件过流保护电路。

本实用新型实施例的技术方案，提供了一种功率器件过流保护电路，包括温度检测模块、信号处理模块、电流检测模块和比较模块。温度检测模块用于获取表征功率器件的温度的温度信号，信号处理模块根据温度信号生成与温度信号对应的过流阈值，使得功率器件的过流阈值随温度信号动态变化，电流检测模块通过检测功率器件的电流获取功率器件的实际工作电流，比较模块根据温度信号对应的过流阈值和功率器件的实际电流控制功率器件的导通或关断，当功率器件的电流大于过流阈值时，比较模块控制功率器件关断，当功率器件的电流不大于过流阈值时，比较模块控制功率器件导通。本实用新型中的功率器件过流保护电路通过根据功率器件的温度动态调整过流阈值，提高了功率器件的可靠性，解决了现有技术中过流保护策略由于未考虑温度因素导致功率器件损坏的问题。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的一种功率器件过流保护电路的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的功率器件温度与过流阈值的关系曲线图；

图4是本实用新型实施例提供的一种功率器件过流保护电路的仿真电路图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的仿真电路图；

图6是本实用新型实施例提供的比较模块输入输出关系曲线图；

图7是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的仿真电路图；

图8是本实用新型实施例提供的负载电压与比较模块输出电压的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型实施例提供了一种功率器件过流保护电路，图1是本实用新型实施例提供的一种功率器件过流保护电路的结构示意图，如图1所示，功率器件过流保护电路包括：温度检测模块110、信号处理模块120、电流检测模块130和比较模块140；温度检测模块110设置在功率器件的外部，温度检测模块110用于输出表征功率器件温度的温度信号；信号处理模块120的输入端a1连接温度检测模块110的输出端b1，信号处理模块120用于根据温度信号生成与温度信号对应的过流阈值；电流检测模块130的输入端a2连接功率器件，电流检测模块130用于检测流过功率器件的电流值；比较模块140的第一输入端a3连接信号处理模块120的输出端b2，比较模块140的第二输入端a4连接电流检测模块130的输出端b3，比较模块140用于根据温度信号对应的过流阈值和功率器件的电流值，控制功率器件的导通或关断。

本实施例中，温度检测模块110是对功率器件的温度进行检测的模块，例如，温度检测模块110可以是温度传感器，可以将采集的温度信号转换为电信号。在实际应用中，温度检测模块110可以设置在功率器件的附近，例如贴附功率器件的表面、贴附在功率器件的散热器的表面等，由此获得的温度值可以表征功率器件真实的温度情况。功率器件所在的功率变换电路与负载连接，负载根据功率变换电路输出的功率运行，影响功率器件温度的原因包括环境温度、负载功率等。信号处理模块120是进行信号处理的模块，例如，信号处理模块可以进行数据存储、数据转换、数据传输、控制信号生成等。电流检测模块130是对功率器件的工作电流进行实时采集、检测的模块，例如，电流检测模块130包括电流检测器。比较模块140是将一个采样信号(即功率器件的电流)与基准信号(即过流阈值)进行比较后输出控制信号的模块。

本实施例中，温度检测模块110通过检测功率器件的温度，可以将温度信号转换为电信号，信号处理模块120根据接收的电信号进行数据分析，并动态生成过流阈值，即过流阈值与温度信号相对应。电流检测模块130对功率器件的电流进行采集、检测，比较模块140通过比较功率器件的电流和过流阈值输出控制信号，例如，当功率器件的电流大于过流阈值时，比较模块140输出的控制信号为低电平，功率器件根据比较模块140输出的低电平信号关断，当功率器件的电流不大于过流阈值时，比较模块140输出的控制信号为高电平，功率器件根据比较模块140输出的高电平信号导通。

本实施例技术方案提供了一种功率器件过流保护电路，包括温度检测模块、信号处理模块、电流检测模块和比较模块。温度检测模块用于获取表征功率器件温度的温度信号，信号处理模块根据温度信号生成与温度信号对应的过流阈值，使得功率器件的过流阈值随温度信号动态变化，电流检测模块通过检测功率器件的电流获取功率器件的实际工作电流，比较模块根据温度信号对应的过流阈值和功率器件的实际电流控制功率器件的导通或关断，当功率器件的电流大于过流阈值时，比较模块控制功率器件关断，当功率器件的电流不大于过流阈值时，比较模块控制功率器件导通。在实际应用中，比较模块140的输出信号可以与功率器件的驱动模块连接，从而通过控制驱动模块的使能和禁能来控制功率器件的导通或关断。例如，比较模块140连接功率器件的驱动芯片的使能端，当比较模块140输出高电平信号时，驱动芯片正常使能，功率器件根据驱动芯片的驱动信号进行工作；当比较模块140输出低电平信号时，驱动芯片被禁能而无法输出驱动信号，因此功率器件处于关断状态。

在本实施例中，功率器件过流保护电路通过根据功率器件的温度动态调整过流阈值，提高了功率器件的可靠性，解决了现有技术中过流保护策略由于未考虑温度因素导致功率器件损坏的问题。

图2是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的结构示意图，如图2所示，信号处理模块120包括特性分析单元和PWM信号生成单元，特性分析单元的输入端连接信号处理模块120的输入端a1，特性分析单元用于对温度信号进行特性分析，并确定与温度信号对应的过流阈值，PWM信号生成单元的输入端连接特性分析单元的输出端，PWM信号生成单元的输出端连接信号处理模块120的输出端b2，PWM信号生成单元用于根据过流阈值生成与过流阈值对应的PWM信号。

本实施例中，特性分析单元是对功率器件的过流阈值随温度变化的特性进行分析的单元，例如，特性分析单元包括预设的温度信号与过流阈值的映射模型，映射模型用于将温度信号与过流阈值一一对应。其中，映射模型可以是温度信号与过流阈值的数据映射表，也可以是预设的温度信号与过流阈值的关系曲线图，图3是本实用新型实施例提供的功率器件温度与过流阈值的关系曲线图，如图3所示，纵坐标分别为参考电压值Vref，单位为伏特，保护电流Ic/额定电流Ie与参考电压值Vref相对应，横坐标为功率器件的温度T，单位为摄氏度，其中，参考电压Vref即为过流阈值。可以根据功率变换器的实际温升试验得到测试数据来建立温度信号与过流阈值的映射模型，并将该映射模型内置在特性分析单元中。在实际温升试验中，可以获得更精准的不同温度下的过流阈值点，从而提高模型的准确度。

PWM信号生成单元是根据过流阈值生成PWM信号的单元，其可以由MCU来执行该功能。可以根据需求，将与温度对应的过流阈值设置为不同幅值和/或不同占空比的PWM信号。通过将过流阈值转换为PWM信号，使得过流阈值以固定幅值、和一定占空比的PWM信号的方式传输，提高了信号传输的准确性。

继续参考图2，功率器件过流保护电路还包括稳压模块210，稳压模块210的输入端a5连接信号处理模块120的输出端b2，稳压模块210的输出端b5连接比较模块140的第一输入端a3，稳压模块210用于对PWM信号进行稳压处理。

本实施例中，稳压模块210是对信号处理模块120输出的PWM信号进行稳压处理的模块，例如，稳压模块210可以对PWM信号进行稳压滤波处理，使得PWM信号更加稳定。

继续参考图2，电流检测模块130包括电流检测器，电流检测器用于根据检测到的电流信号转换为电压信号。电流检测器的电压输出端作为电流检测模块130的输出端b3，电流检测器将检测到的电流信号通过电流输出端传输到比较模块140。例如，电流传感器包括电阻，通过采集电阻两端的压降获取电压值，比较模块140根据电流检测器输出的电压值和稳压模块210输出的PWM信号的电压值控制功率器件的导通或关断，例如，当电流采集器输出的电压值大于PWM信号电压值时，比较模块140输出低电平信号，功率器件根据比较模块140输出的低电平信号关断，当电流采集器输出的电压值不大于PWM信号电压值时，比较模块140输出高电平信号，功率器件根据比较模块140输出的高电平信号导通。

在上述实施例的基础上，本实施例对功率器件过流保护电路进行仿真，示例性的，图4是本实用新型实施例提供的一种功率器件过流保护电路的仿真电路图，如图4所示，温度检测模块110包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电源V1，第一电源V1的正极连接第一电阻R1的第一端，第一电源V1的负极接地，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端和温度检测模块110的输出端，第二电阻R2的第二端接地。其中，第二电阻R2包括热敏电阻。热敏电阻可以设置在功率器件的附近，以检测和生成表征功率器件温度的温度信号。

示例性的，当功率器件的温度升高时，热敏电阻的阻值减小，热敏电阻两端的电压值减小，温度检测模块110输出到信号处理模块120的电压值减小，模拟采样器CY1通过采集热敏电阻两端的电压值，将电压信号传输到信号处理模块120，信号处理模块120中的特性分析单元根据输入的电压信号分析得到功率器件的温度，特性分析单元再根据预设的温度信号与过流阈值的映射模型，得到与温度信号对应的过流阈值，信号处理模块120中的PWM信号生成单元根据过流阈值输出相应的PWM信号。例如，过流阈值为1.65V，PWM信号可以设置为幅值3.3V、占空比D＝0.5，即3.3V×0.5＝1.65V。

图5是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的仿真电路图，如图5所示，稳压模块210包括第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，第四电阻R4的第一端连接稳压模块210的输入端a5，第四电阻R4的第二端连接第一电容C1的第一端和第五电阻R5的第一端，第五电阻R5的第二端连接第二电容C2的第一端、第三电容C3的第一端和稳压模块210的输出端b5，第一电容C1的第二端、第二电容C2的第二端和第三电容C3的第二端接地。

本实施例中，稳压模块210接收信号处理模块120输出的PWM信号，Vpow表示对PWM信号的采样信号，VPWM表示PWM信号的幅值电压，第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过对PWM信号的采样信号进行滤波稳压处理得到稳定的电压信号，模拟采样器CY2对稳压模块210输出的稳定电压信号进行采集，并将采集的电压信号传输到比较模块140的第一输入端a3，比较模块140的第一输入端a3的电压信号作为参考电压Vref。

继续参考图5，比较模块140包括第一运算放大器U1和第三电阻R3，第一运算放大器U1的正向输入端连接比较模块140的第一输入端a3，第一运算放大器U1的负向输入端连接比较模块140的第二输入端a4，第一运算放大器U1的输出端连接比较模块140的输出端b4和第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端接地。

本实施例中，第一运算放大U1的正向输入端接入参考电压Vref，第一运算放大器U1的负向输入端接入电压信号VIc，电压信号VIc是根据电流检测器输出的电压信号Vic进行处理后的电压信号。第一运算放大器U1通过将电压信号VIc与参考电压Vref对比输出控制信号Vcomp，当电压信号VIc大于参考电压Vref时，第一运算放大U1输出的控制信号Vcomp为低电平信号，功率器件根据第一运算放大U1输出的低电平信号关断，当电压信号VIc不大于参考电压Vref时，第一运算放大U1输出的控制信号Vcomp为高电平信号，功率器件根据第一运算放大U1输出的高电平信号导通。

示例性的，过流阈值(即参考电压Vref)为1.65V，相应的，在PWM信号生成单元中可以设置PWM信号的幅值为3.3V，占空比D＝0.5，仿真结果为：PWM信号的幅值为3.3V，过流阈值为1.644V，与预设过流阈值较为接近，功率器件过流保护电路的仿真电路具有较高的仿真精度。图6是本实用新型实施例提供的比较模块输入输出关系曲线图，如图6所示，当电流检测器输出的电压信号VIc不大于参考电压Vref时，比较模块输出控制信号Vcomp的电压幅值为3.3V，当电流检测器输出的电压信号VIc大于参考电压Vref时，比较模块输出控制信号Vcomp的电压幅值为0V。

图7是本实用新型实施例提供的另一种功率器件过流保护电路的仿真电路图，如图7所示，VO1表示为负载供电的电源，Rod为负载电阻，VO2为负载的电压，功率器件用Q1表示，VO1的电压值为5V。图8是本实用新型实施例提供的负载电压与比较模块输出电压的关系曲线图，如图8所示，当比较模块输出控制信号Vcomp的电压幅值为3.3V时(即比较模块输出的控制信号为高电平信号)，功率器件Q1对应处于闭合状态，负载正常工作，负载的电压VO2与VO1相同，均维持为5V；当比较模块输出控制信号Vcomp的电压幅值为0V时(即比较模块输出的控制信号为低电平信号)，表明此时功率变换电路中出现过流风险，功率器件Q1对应处于关断状态，负载不能工作，负载的电压VO2为0V。本实施例中的稳压模块、比较模块等采用硬件电路，具有结构简单、响应较快的优点。

本发明实施例还提供了一种功率变换器，包括功率器件和功率器件过流保护电路。功率器件的耐电压和耐电流能力对功率器件的正常运行具有重要作用，功率器件过流保护电路可以对功率器件进行保护的电路，将功率器件过流保护电路应用于功率器件，可以提高功率器件的耐压能力和功率变换器的稳定性。

本实施例中，温度检测模块用于获取表征功率器件温度的温度信号，信号处理模块根据温度信号生成与温度信号对应的过流阈值，使得功率器件的过流阈值随温度信号动态变化，并通过PWM信号设置模块输出与过流阈值匹配的PWM信号，电流检测模块通过检测功率器件的电流获取功率器件的实际电压，比较模块根据PWM信号和功率器件的实际电压控制功率器件的导通或关断，功率器件过流保护电路通过根据功率器件的温度动态调整过流阈值，提高了功率器件的可靠性，保证了功率变换器的正常运行，提高功率变换器的寿命。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率器件过流保护电路，其特征在于，包括：温度检测模块、信号处理模块、电流检测模块和比较模块；

所述温度检测模块设置在功率器件的外部，所述温度检测模块用于输出表征所述功率器件温度的温度信号；

所述信号处理模块的输入端连接所述温度检测模块的输出端，所述信号处理模块用于根据所述温度信号生成与所述温度信号对应的过流阈值；

所述电流检测模块连接所述功率器件，所述电流检测模块用于检测流过所述功率器件的电流值；

所述比较模块的第一输入端连接所述信号处理模块的输出端，所述比较模块的第二输入端连接所述电流检测模块的输出端，所述比较模块用于根据所述温度信号对应的过流阈值和所述功率器件的电流值，控制所述功率器件的导通或关断。

2.根据权利要求1所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述信号处理模块包括特性分析单元和PWM信号生成单元，所述特性分析单元用于对所述温度信号进行特性分析，并确定与所述温度信号对应的所述过流阈值，所述PWM信号生成单元的输入端连接所述特性分析单元的输出端，所述PWM信号生成单元用于根据所述过流阈值生成与所述过流阈值对应的PWM信号。

3.根据权利要求2所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，还包括稳压模块，所述稳压模块的输入端连接所述信号处理模块的输出端，所述稳压模块的输出端连接所述比较模块的第一输入端，所述稳压模块用于对所述PWM信号进行稳压处理。

4.根据权利要求2所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述特性分析单元包括预设的所述温度信号与所述过流阈值的映射模型，所述映射模型用于将所述温度信号与所述过流阈值一一对应。

5.根据权利要求1所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述温度检测模块包括第一电阻、第二电阻和第一电源，所述第一电源的正极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电源的负极接地，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端和所述温度检测模块的输出端，所述第二电阻的第二端接地。

6.根据权利要求5所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述第二电阻包括热敏电阻。

7.根据权利要求1所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述比较模块包括第一运算放大器和第三电阻，所述第一运算放大器的正向输入端连接所述比较模块的第一输入端，所述第一运算放大器的负向输入端连接所述比较模块的第二输入端，所述第一运算放大器的输出端连接所述比较模块的输出端和所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端接地。

8.根据权利要求1所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述电流检测模块包括电流检测器，所述电流检测器用于根据检测到的电流信号转换为电压信号。

9.根据权利要求3所述的功率器件过流保护电路，其特征在于，所述稳压模块包括第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容和第三电容，所述第四电阻的第一端连接所述稳压模块的输入端，所述第四电阻的第二端连接所述第一电容的第一端和所述第五电阻的第一端，所述第五电阻的第二端连接所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端和所述稳压模块的输出端，所述第一电容的第二端、所述第二电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

10.一种功率变换器，其特征在于，包括功率器件和如权利要求1-9任一项所述的功率器件过流保护电路。