TWI491134B

TWI491134B - 短路保護電路及其電壓調節器

Info

Publication number: TWI491134B
Application number: TW102109324A
Authority: TW
Inventors: Su Hui Wang; cheng chang Huang; Chih Hung Huang; Chih Huang Chen
Original assignee: Universal Scient Ind Shanghai; Universal Global Scient Ind Co
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2015-07-01
Also published as: TW201436405A

Description

短路保護電路及其電壓調節器

本發明係為一種保護電路，且特別指一種電壓調節器之短路保護電路。

一般汽車用發電機是將引擎的機械能轉換成電能，供給電瓶充電，讓電瓶能隨時保持在充滿電的狀態下，並且能供應汽車上其他電器使用，進而確保汽車能夠持續運轉。為了使汽車用之發電機輸出之電力不至於過高或過低，汽車內更會設有電壓調節器來調節發電機的發電量。當發電機之輸出電壓過高時，電子開關關閉的時間會延長，以降低勵磁線圈的電流，因此電壓調節器會經由勵磁線圈調整發電機的發電量。當發電機之電壓輸出過低時，電子開關成導通狀態，此時電壓調節器則會控制勵磁線圈的電流，以調整發電機的發電量。因此，電壓調節器具有穩定發電機之輸出電壓的作用，以確保汽車內部供電能維持在相當之電量，使汽車內電器裝置之正常運作。

請參考圖1，圖1為傳統的電壓調節器之示意圖。發電機12包括整流器124、交流發電機126、以及勵磁線圈122。發電機12之勵磁線圈122與電壓調節器10以及電瓶14耦接。當汽車啟動後(圖未示)，電壓調節器10內的控制單元102選擇性地導通電子開關Q1，使得勵磁線圈122得以形成激磁電流，以控制發電機12的發電量。所述電子開關可以是金氧半場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。圖1中的電子開關Q1是以金氧半場效電晶體為例。當控制單元102偵測到發電機端點F(+)(勵磁線圈 122的正接線端)的電壓過高時，將電子開關Q1的導通時間縮短。反之，當控制單元102偵測到發電機端點F(+)的電壓過低時，將電子開關Q1的導通時間延長。

以下以電子開關Q1是金氧半場效電晶體為例子來進一步說明電子開關Q1導通時的電流情況。請同時參考圖2A與圖2B，圖2A為一典型的金氧半場效電晶體的汲極電流、閘極電壓與汲極電壓之間關係曲線圖，圖2B為一典型的金氧半場效電晶體的汲極電流隨著汲極與源極之間SOA曲線圖。以24伏特的電源系統為例，控制單元102導通金氧半場效電晶體Q1時，此時金氧半場效電晶體Q1開極與源極之間的跨壓為10伏特。當短路發生時，勵磁線圈122的正接線端F(+)的電壓等於勵磁線圈122的負接線端F(-)的電壓，金氧半場效電晶體Q1的汲極與源極之間的跨壓會跟勵磁線圈122正接線端F(+)的電壓發生同步變動，而流經金氧半場效電晶體Q1的電流大約為90安培(參照圖2A)。此時，參照圖2B，工作點P1會位在安全操作區域(safe operating area，SOA)外，不利於金氧半場效電晶體Q1。

更進一步的說，目前市面上的金氧半場效電晶體Q1零件特性越來越好，導通電阻Rds(on)越來越小，相對的金氧半場效電晶體Q1汲極與源極之間的跨壓Vds(on)越來越低，因此，對既有的電壓偵測型的短路保護電路越來越不利。換句話說，在正常情況下，金氧半場效電晶體Q1會操作在安全操作區域(safe operating area，SQA)內，但是勵磁線圈122發生短路時，因為導通電阻Rds(on)非常小，因此流經金氧半場效電晶體Q1的瞬間電流相對偏高，長時間下來將不利於金氧半場效電晶體Q1，可能導致金氧半場效電晶體Q1損壞。

本發明實施例利用低成本以及較小的電路設計方式，改善電壓偵測型短路保護電路。在正常應用下，電子開關驅動能力不變；在短路發生時，電子開關能工作於安全操作區域(safe operating area，SOA)內。

本發明實施例提供一種短路保護電路，耦接於發電機與控制單元之間，該短路保護電路包括：電子開關、電壓箝制元件與電阻性元件。

本發明實施例可在12伏特或是24伏特的電源系統下使用，且本發明利用較簡易的電路架構來改善既有離散元件保護電路以及積體電路的電路架構，以減少電路成本。

本發明短路保護電路可使電子開關的驅動電壓在正常運用下維持在預設電壓，而當短路發生時，適當降低電子開關之，驅動電壓，以抑制流經電子開關的電流，因此，電子開關可工作於安全操作區域內，強化短路保護特性。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

以下實施例是利用三線式的方式進行說明，所屬技術領域具有通常知識者可以依據發電機電壓調節器的功能需求，將三線式改成四線式、五線式、六線式等，故本發明在此不加以限制。另，發電機運作原理亦不在此贅述，僅簡述與本發明相關部份。

請參照圖3，圖3繪示本發明實施例提供的短路保護之電路圖。電壓調節器20包括控制單元202、第一二極體D1與短路保護電路204。本實施例中的控制單元202是採用三線式(3 pins)，具有接線端(A)、磁場接線端(F)及接地端(G)。控制單元202之接線端(A)耦接於發電機22之輸出端與電瓶24，磁場接線端(F)耦接發電機22之勵磁線圈222。第一二極體D1與勵磁線圈222並聯，如圖3所示，第一二極體D1之陰極耦接控制單元202之接線端(A)，第一二極體D1之陽極耦接控制單元202之磁場接線端(F)，以使第一二極體D1與發電機22之勵磁線圈222並聯。發電機22包括交流發電機224、整流器226與勵磁線圈222。其中，交流發電機224與整流器226耦接，且整流器226經由勵磁線圈222與電壓調節器耦接，且整流器226和電瓶24耦接。

短路保護電路204耦接於發電機22與控制單元202之間。控制單元202依據偵測到發電機22電壓的高低來調整電子開關Q2的導通或截止時間，以調整勵磁線圈的正接線端F(+)與負接線端F(-)之間的導通電流，達到電壓控制的目的。短路保護電路204包括電子開關、電壓箝制元件與電阻性元件，其中電壓箝制元件耦接於電子開關之控制端與輸出端之間，電阻性元件耦接在電子開關之輸出端與電壓箝制元件之一端之間。電壓箝制元件用以箝制電子開關之控制端之電壓，以抑制電子開關之最大導通電流。電壓箝制元件例如是稽納二極體，電阻性元件例如是電阻，所述電子開關Q2可以是金氧半場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)，電阻性元件可以是由導體油墨製成，但本發明並不因此限定。電子開關與發電機之勵磁線圈串聯，如圖3所示，電子開關Q2之輸入端經由磁場接線端(F)與發電機22之勵磁線圈222耦接。電子開關Q2之輸出端透過電阻R1耦接至接地端(G)，且電阻R1耦接於電子開關Q2之輸出端與稽納二極體D2之陽極之間。電子開關Q2之控制端耦接稽納二極體D2之陰極端並且受控於控制單元202。本實施例在此設計下，短路保護電路204內所使用的電子開關Q2為N型金氧半場效電晶體，在其它實施例中亦可設計為P型金氧半場效電晶體，本發明在此不加以限制。

基於上述圖3的電路架構，接下來進一步的說明其中的工作原理。控制單元202接收發電機22之勵磁線圈的正接線端F(+)的輸出電壓，用以判斷發電機22之輸出電壓的大小。當電子開關Q2因控制端所提供的電壓而導通時，形成電流流經勵磁線圈222，使發電機22發電。當勵磁線圈222發生短路時，流過電子開關Q2的電流會大幅度增加，此時，稽納二極體D2的導通會箝制電子開關Q2之控制端之電壓，以抑制電子開關Q2之最大導通電流。電阻R1會減少電子開關Q2之控制端與輸出端之間的跨壓。藉此，避免電子開關Q2承受不住過大功率而損壞。

請同時參照圖3與圖4，圖4是本發明實施例中電子開關為金氧半場效電晶體時，其汲極電流隨著汲極與源極之間的電壓變化之特性曲線圖。而當短路發生時，電阻R1會造成金氧半場效電晶體的閘極與源極之間的跨壓減少，而使流經金氧半場效電晶體的電流I_D 由曲線C10變為曲線C20。藉此，使金氧半場效電晶體工作於安全操作區域(safe operating area，SOA)內。

請參照圖5，其繪示本發明短路保護電路及其電壓調節器之另一實施例。本實施例中的元件與上述之實施例相同者，是採用一致的符號標示。並且本實施例之短路保護電路204的工作原理與達成的功效是與上述之實施例相同，同樣可以使電子開關Q2在發生短路時仍能維持工作於安全操作區域內，進而避免電子開關Q2的損壞。本實施例的電子開關Q2是金氧半場效電晶體，如圖5所示。電子開關Q2也可以是絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。

本實施例與上述實施例主要的差異點在於短路保護電路204與第一二極體D1的設置位置。於本實施例中，電壓調節電路30包括控制單元202、第一二極體D1與短路保護電路204。控制單元202之磁場接線端(F)與接地端(G)分別耦接勵磁線圈222之正接線端F(+)與負接線端F(-)。第一二極體D1之陰極耦接控制單元202之磁場接線端(F)，第一二極體D1之陽極耦接接地端(G)，使得第一二極體D1與發電機22之勵磁線圈222並聯。

短路保護電路204的電子開關Q2之輸入端耦接控制單元202之正接線端(A)與發電機22。電子開關Q2之控制端耦接稽納二極體D2之陰極且受控於控制單元202。電阻R1耦接電子開關Q2之輸出端與稽納二極體D2之陽極之間，且稽納二極體D2之陽極耦接磁場接線端(F)。當短路發生時，電阻R1會造成電子開關Q2的控制端與輸出端之間的跨壓減少，藉此抑制流經電子開關Q2的最大導通電流，以避免電子開關Q2承受不住過大功率而損壞。

綜上所述，本發明實施例所提供的短路保護電路是耦接於發電機與控制單元之間，短路保護電路內的電壓箝制元件箝制電子開關之控制端的電壓，以抑制電子開關之最大導通電流。短路保護電路內的電阻用以降低在發生短路時的電子開關之輸入端與輸出端之間的跨壓，讓電子開關工作於安全操作區域內，強化短路保護特性。

再者，本發明實施例可以在12伏特或是24伏特的電源系統下使用，且本發明利用較簡易的電路設計，改善既有控制單元內的電壓偵測型短路保護電路，增強短路保護效果。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

10、20、30‧‧‧電壓調節器

12、22‧‧‧發電機

14、24‧‧‧電瓶

102、202‧‧‧控制單元

122、222‧‧‧勵磁線圈

204‧‧‧短路保護電路

124、224‧‧‧交流發電機

126、226‧‧‧整流器

Q1、Q2‧‧‧電子開關

R1‧‧‧電阻

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧稽納二極體

C10、C20‧‧‧曲線

P1‧‧‧工作點

A‧‧‧接線端

F‧‧‧磁場接線端

G‧‧‧接地端

F(+)‧‧‧正接線端

F(-)‧‧‧負接線端

GND‧‧‧接地

圖1是傳統的電壓調節器之示意圖。

圖2A是一典型的金氧半場效電晶體的汲極電流隨著汲極與源極之間的電壓變化之特性曲線圖。

圖2B是一典型的金氧半場效電晶體的汲極電流隨著汲極與源極之間的電壓變化之特性曲線圖。

圖3是本發明實施例的短路保護之電路圖。

圖4是本發明實施例中金氧半場效電晶體的汲極電流隨著汲極與源極之間的電壓變化之特性曲線圖。

圖5是本發明另一實施例的短路保護電路示意圖。

20‧‧‧電壓調節器

22‧‧‧發電機

24‧‧‧電瓶

202‧‧‧控制單元

222‧‧‧勵磁線圈

204‧‧‧短路保護電路

224‧‧‧交流發電機

226‧‧‧整流器

Q2‧‧‧電子開關

R1‧‧‧電阻

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧稽納二極體

Claims

一種短路保護電路，耦接於一發電機與一控制單元之間，該短路保護電路包括：一電子開關，具有一控制端、一輸入端以及一輸出端，該電子開關耦接於該發電機，該控制端受控於該控制單元；一電壓箝制元件，耦接於該電子開關之該控制端與該輸出端之間；以及一電阻性元件，耦接在該電子開關之該輸出端與該電壓箝制元件之一端之間；其中，當發生短路時，該電壓箝制元件用以箝制該電子開關之該控制端之電壓，以抑制該電子開關之最大導通電流，且該電阻性元件用以減少該電子開關之該控制端與輸出端之間的一跨壓，以使該電子開關工作於一安全操作區域。
如申請專利範圍第1項所述之短路保護電路，其中該電子開關是金氧半場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。
如申請專利範圍第1項所述之短路保護電路，其中該電子開關與該發電機之一勵磁線圈串聯。
如申請專利範圍第3項所述之短路保護電路，更包括一第一二極體，與該勵磁線圈並聯。
如申請專利範圍第1項所述之短路保護電路，其中該電壓箝制元件是一稽納二極體。
如申請專利範圍第1項所述之短路保護電路，其中該電阻性元件是由導體油墨製成。
一種電壓調節器，用以調整一發電機之一勵磁線圈的電量，該電壓調節器包括：一控制單元；一第一二極體，耦接該控制單元，且與該發電機之該勵磁線圈並聯；以及一短路保護電路，耦接於該發電機與該控制單元之間，該短路保護電路包括：一電子開關，具有一控制端、一輸入端以及一輸出端，該電子開關耦接於該發電機之該勵磁線圈，該控制端受控於該控制單元；一電壓箝制元件，耦接於該電子開關之該控制端與該輸出端之間，該電壓箝制元件用以箝制該電子開關之該控制端之電壓，以抑制該電子開關之最大導通電流；以及一電阻性元件，耦接在該電子開關之該輸出端與該電壓箝制元件之一端之間；其中，當發生短路時，該控制單元透過該控制端控制該電子開關的導通或截止，且該電阻性元件用以減少該電子開關之該控制端與輸出端之間的一跨壓，以使該電子開關工作於一安全操作區域。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節器，其中該電子開關是金氧半場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節器，其中該電壓箝制元件是一稽納二極體。
如申請專利範圍第7項所述之電壓調節器，其中該電阻性元件是由導體油墨製成。