CN85108410A - 大功率晶体管保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大功率晶体管的保护电路。由于采用了共模取样可控硅分流等保护方法，可以在大功率晶体管出现过流过压或一次及二次击穿现象时对管子进行保护。对于用作开关元件，特别是在感性负载条件下工作的大功率晶体管尤为适用。

Description

本发明是一种大功率晶体管的保护电路，可用于保护各种大功率晶体管，如在晶体管变流设备、晶体管开关式稳压电源、晶体管脉冲电路、晶体管伺服电路以及音频功率放大器等类似设备中用作开关元件、特别是在感性负载条件下工作的大功率晶体管。

常规的晶体管保护电路是取被保护晶体管的集电极电流或集电极对发射极电压作为保护信号，当电流或电压保护信号超过了设定值时，保护电路动作，切断电源。因为这种方法只取电流或电压为信号，其保护范围很小。欧洲专利EP0058005给出了一种取被保护晶体管的功耗作为保护信号的保护电路，该电路用五只小功率晶体管组成取样电路，模拟被保护晶体管的工作状态，从而取得功耗信号，扩大了保护范围。但由于该电路是为音响设备OTL推挽输出设计的，只在被保护晶体管的线性放大工作区内有效，並不能保护处于关断和饱和状态的开关晶体管;同时由于大小功率晶体管性能参数的不同，模拟取样电路不能准确地取出被保护晶体管的功率信号，另外该电路的保护动作是锁闭推挽功率输出的前一级差动放大器的恒流源和被保护晶体管的基极输入信号，並未消除加在被保护晶体管集电极和发射极两端的工作电压，所以该电路也不能对被保护晶体管瞬时出现的一次击穿或二次击穿进行有效保护。

本发明的任务是提供一种结构简单、能在大功率晶体管允许的功耗范围内以及在大功率晶体管瞬时出现一次击穿或二次击穿现象的情况下对大功率晶体管、特别是高频大功率晶体管进行有效保护的电路设计。

本发明的具体结构，是在被保护晶体管的集电极与发射极之间並联两条支路作为第一级保护电路;在被保护晶体管的主电源供电输出端设一开关元件，此开关元件和开关元件的控制电路一起构成第三级保护电路;在被保护晶体管和负载回路中串一电阻，此电阻和一些其它控制电路组成第二级保护电路。具体地说，第一级保护电路中第一支路由一个晶体管和一个可变电阻串联组成，並联在被保护晶体管的集电极相连或通过可变电阻与被保护晶体管的集电极相连，第一支路晶体管的发射极通过可变电阻与被保护晶体管的发射极相连或直接与被保护晶体管的发射极相连。在第一支路晶体管和可变电阻的串联点与被保护晶体管电源的正极或负极之间接一电阻;第二支路由一个电流继电器和一个双向可控硅串联组成，並联在被保护晶体管的集电极与发射极之间;第一支路中可变电阻的滑动触头与第二支路可控硅控制极相连组成比较电路;第一支路中晶体管的基极输入电路与被保护晶体管基极输入电路的接法相同，两管同步工作。第二级保护电路由串联在负载回路中的电流取样电阻和过电流控制器、声光报警器、振荡器以及推动变压器所组成，过电流控制器並在电流取样电阻两端，过电流控制器控制声光报警器，同时控制振荡器。第三级保护电路由一个开关元件和独立设立的此开关元件的控制电路所组成，被保护晶体管的主电源通过第三级保护电路中的开关元件输出，第三级保护电路开关元件的控制电路中含有第一级保护电路第二支路中电流继电器的常闭触点。

本发明的工作原理，是根据被保护晶体管正向工作时，因工作电流增大导致所承受的功率增大包括出现二次击穿现象、饱和压降相应增大的机理，利用第一级保护电路中第一支路晶体管受串联可变电阻限制只工作在小电流状态、饱和电压小的特点，使第一级保护电路第一支路晶体管与被保护晶体管共模同步工作，从可变电阻上取出被保护晶体管饱和压降增大的信号，作为第一级保护信号，经第一支路可变电阻的滑动触头送至第二支路双向可控硅控制极进行比较，当信号超出设定值时，第二支路双向可控硅触发导通，使绝大部分电流以微秒级的速度通过第二支路，对被保护晶体管进行分流，短路被保护晶体管集电极对发射极的电压，迅速将被保护晶体管拉回安全工作区，完成第一级保护动作。当第一级保护动作完成之后，被保护晶体管的主电源通过第二支路加给负载，使串联在负载回路中的电流取样电阻产生第二级保护信号送给过电流控制器，过电流控制器分两路输出，一路送至声光报警器指示故障，另一路送至振荡器使其停止工作，封锁被保护晶体管的基极输入信号、完成第二级保护动作。按时间上的先后顺序，在第一级和第二级的保护动作完成之后，第二支路电流继电器动作，包含在被保护晶体管主电源输出端的开关元件的控制电路中的第二支路电流继电器的常闭触点断开，切断第三级保护电路中开关元件控制电路的电源，从而使开关元件动作切断被保护晶体管的主电源第一级保护电路中第二支路的可控硅因此失电停止工作，致使整个电路失电，完成第三级保护动作。当被保护晶体管的主电源电压波动或由于负载开路等原因造成过电压时，一旦电压超出被保护晶体管的耐压值，晶体管便会出现零偏或反偏一次击穿现象，尽管被保护晶体管的输入信号等于或小于零，只要出现一次击穿现象，便有雪崩电流存在，但此时第一支路晶体管截止关断，雪崩电流依次通过第一支路可变电阻、接在第一支路晶体管和可变电阻连接点与被保护晶体管主电源正极或负极之间的电阻与主电源形成回路。这样在第一支路可变电阻上产生反向第一级保护电压信号，无论电压方向如何，只要绝对值超出设定值，双向可控硅便会触发导通，重复上述第一、二、三级的保护程序。

本发明的优点是保护范围广，能在晶体管所允许的耗散功率范围内对晶体管进行充分地保护。特别是在晶体管出现一次或二次击穿的情况下能对晶体管进行保护，这对用作开关元件、工作在感性负载条件下的高频大功率晶体管尤为适用。此外，电路结构简单、可靠。

附图1是本发明的一个实施例。

附图2是本发明的另一个实施例。

附图1所示为一直流-交流变换器的电路图。其中（1）是晶体管，（2）是可变电阻，（1）和（2）组成第一级保护电路中的第一支路;（3）是电阻;（4）是双向可控硅;（5）是电流继电器线圈;（4）和（5）组成第一级保护电路中的第二支路;（6）是用以消除干扰的电容;（7）是被保护的大功率晶体管;（8）是脉冲输出变压器的初级线圈，也是本电路中的负载;（9）是变换器的负载电阻;（10）是续流二级管;（11）是电流取样电阻;（12）是过电流控制器;（13）是声光报警器;（14）是振荡器;（15）是推动变压器的初级线圈;（11）、（12）、（13）、（14）和（15）组成第二级保护电路;（16）是为第一级保护电路第一支路晶体管基极提供输入信号的推动变压器次级线圈;（17）是为被保护晶体管的基极提供输入信号的推动变压器次级线圈;（18）和（20）是电阻;（19）和（21）是电容;（22）是接触器主常开触点;（23）是接触器控制电路的工作电源;（24）是电流继电器常闭触点，（25）是停止按钮，（26）是接触器的常开触点;（27）是起动按钮;（28）是接触器线圈，（22）、（23）、（24）、（25）、（26）、（27）和（28）组成第三级保护电路;（29）是被保护晶体管回路中的主电源，也是本实施例变流器的主电源;（30）是（1）与（2）的串联连接点;（31）是（8）与（11）的串连接点;（32）是接地零点;（33）是（14）与（15）的连接点。在附图1中，（29）的正极经（22）与（7）的集电极相连;（7）的发射极经（8）和（11）接到（29）的负极构成回路。（10）与（8）並联其阴极接（7）的发射极，阳极接（31）起续流作用。（1）和（2）串联组成第一级保护电路中的第一支路与（7）並联，（1）的集电极与（7）的集电极相连，（1）的发射极经（2）与（7）的发射极相连。（4）和（5）组成第一级保护电路第二支路与（7）並联。（4）的控制极与（2）的滑动触点相连。在（4）的控制极与（7）的发射极之间还接有（6）以消除干扰。（12）的输入端接在（8）与（11）之间，（12）的输出端接（14），由（14）接（15），（12）的另一输出端接（13）的输入端。在（23）与（29）的负极之间依次接有（24）、（25）、（27）和（28）的並联电路以及（28）。（1）的基极通过（18）和（19）的並联电路接在（16）的一端，（16）的另一端与（1）的发射极相连。（7）的基极通过（20）和（21）的並联电路与（17）的一端相连，（17）的另一端与（7）的发射极相连。（16）和（17）都作为次级线圈与（15）耦合，以实现（1）和（7）同步工作。在交换器的工作过程中，如果（7）出现过流或二次击穿现象，从（2）取出的第一级信号就会超过设定值，于是经（4）的控制极触发（4）导通，以微秒级的速度对（7）进行分流、短路（7）的集电极对发射极电压，完成第一级保护动作。在（4）导通之后，（29）经（4）、（5）加在（8）上，使（31）的电位升高，产生第二级保护信号送给（12）的输入端。（12）的一端输出接至（13），发出警报並指示故障，（12）的另一端输出接至（14），使（14）停止振荡，进而锁闭了（7）的基极输入信号，完成第二级保护动作。（3）接在（30）与（32）之间，用以形成反向第一级保护信号的通道。当（1）或（7）的基极电路开路产生失步现象、（8）或（10）断开产生过电压现象以及（7）产生零偏或反偏一次击穿现象时，会在（2）上产生反向第一级保护信号，经（2）的滑动触头送至（4）的控制极，因（4）是双向可控硅，不论控制极的信号方向如何，只要超过设定值，就会触发（4）导通，完成上述三级的保护动作。

对于图1和图2中的相同元器件，使用同一数字表示。在图2中（34）为（1）与（2）的串联连接点。（35）是（7）与（11）的串联连接点。（29）的正极依次经过（22）和（8）与（7）的集电极相连，（7）的发射极经（11）与（26）的负极相连构成回路。（16）和（17）各有一端分别接于（1）和（7）的基极电路，（16）和（17）的另一端一起接到（35），（16）和（17）的这种接法同样满足（7）和（1）的同步工作条件。（1）的集电极经（2）接在（7）的集电极上，（1）的发射极则直接与（7）的发射极相连，（1）和（7）共模同步工作。和图1相比，（4）和（5）的位置颠倒，因（4）可双向导通。所以其功能並不受影响。其余元器件的接法同图1，工作原理和三级保护的执行程序也与图1的实施例同。

本发明的方法不仅可用于保护晶体管，也可用于保护可控硅、可关断可控硅或类似的半导体元件。

Claims (12)

1、一种大功率晶体管的保护电路，本发明的特征是全部保护电路由共模取样获得第一级功耗保护信号并进行第一级分流和短路保护动作的第一级保护电路、根据第一级的保护动作指示故障并封锁被保护晶体管基极输入信号的第二级保护电路以及根据第一级的保护动作切断被保护晶体管电源的第三级保护电路所组成。

2、根据权利要求1的大功率晶体管保护电路，其特征是第一级保护电路由两条支路所组成;用以产生第一级功耗保护信号的第一支路并联在被保护晶体管的集电极与发射极之间，与被保护晶体管共模同步工作;用以对被保护晶体管进行分流和短路被保护晶体管集电极对发射极电压的第二支路也并联在被保护晶体管的集电极与发射极之间。

3、根据权利要求2的大功率晶体管保护电路，其特征是第三级保护电路由串联在被保护晶体管回路中的开关元件和单独设立的、该开关元件的控制电路所组成。

4、根据权利要求2的大功率晶体管保护电路，其特征是第一级保护电路第一支路中接有一晶体管，其集电极与被保护晶体管的集电极相连或经其它元件与被保护晶体管的集电极相连，其发射极经其它元件与被保护晶体管的发射极相连或直接与被保护晶体管的发射极相连。

5、根据权利要求4的大功率晶体管保护电路，其特征是第一级保护电路第一支路中的晶体管的基极电路的接法与被保护晶体管基极电路的接法相同，两管同步工作。

6、根据权利要求5的大功率晶体管保护电路，其特征是第一级保护电路第一支路中接有一可变电阻;该可变电阻有两种接法，一种是使其一端接第一支路晶体管的发射极，另一端接被保护晶体管的发射极;另一种接法是使其一端接第一支路晶体管的集电极，另一端接被保护晶体管的集电极;在两种接法中，可变电阻的滑动触点均与第一级保护电路第二支路中的比较电路相连。

7、根据权利要求6的大功率晶体管保护电路，其特征是第一级保护电路第二支路由一个双向可控硅和一个电流继电器线圈串联组成，双向可控硅的控制极作为比较电路与第一支路中可变电阻的滑动触点相连。

8、根据权利要求7的大功率晶体管保护电路，其特征是在第一级保护电路第一支路的晶体管和可变电阻的连接点与被保护晶体管主电源的负极或正极之间接一电阻。

9、根据权利要求3和8的大功率晶体管保护电路，其特征是第三级保护电路中的、串联在被保护晶体管回路中的开关元件为接触器常开触点，该开关元件的控制电路由接触器的另一常开触点与起动按钮并联后，再与接触器以及停止按钮等串联组成。

10、根据权利要求9的大功率晶体管保护电路，其特征是第三级保护电路的开关元件的控制电路中还串有一个第一级保护电路第二支路电流继电器的常闭触点。

11、根据权利要求10的大功率晶体管保护电路，其特征是第二级保护电路由串联在被保护晶体管回路中的电源取样电阻和并联在该电阻和并联在该电阻两端的过电流控制器、振荡器以及推动变压器所组成;过电流控制器同时控制声光报警。

12、根据权利要求11的大功率晶体管保护电路，其特征是被保护晶体管为在晶体管变流设备、晶体管开关式稳压电源、晶体管脉冲电路、晶体管伺服电路及音频功率放大器等类似设备中用作开关元件的大功率晶体管。