一种功率开关管的电流检测电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种功率开关管的电流检测电路。

背景技术

随着功率开关管的应用越来越广泛，如何保证功率开关管在导通过程中的可靠性就越来越重要。由于功率开关管在应用时通常有大电流通过，若电流超过功率开关管的承受极限，则会导致开关管的损坏。那么为了保证器件的可靠性，必须对功率开关管的电流进行连续的检测，并能够提供反馈信号。现有技术一般采用在功率开关管所在的支流上加入电阻，通过采样电阻上的压降来反映支路上的电流。但是采样电阻会增加二外的功率损耗。另一种方法是利用功率开关管上漏极-源极电压的变化来采样流经该功率开关管的电流。

例如，公开号的为CN207117586U的中国专利文献公开了一种MOS管过流保护电路，用于MOS管连接，所述MOS管过流保护电路包括电容、充电电路、放电电路与MOS管断开电路。MOS管断开电路串联在所述电容与MOS管的G极之间，用于在所述电容的充电电压超过预设稳压值时将MOS管的G极电压降低，从而使得MOS截止。其中，所述MOS管断开电路包括第四三极管，所述第四三极管的C极连接第六二极管的负极，所述第六二极管的正极用于连接MOS管的G极。该专利文献公开的技术方案是通过在功率开关管与三极管之间串联一个二极管来保护第四三极管和实现功率管导通压降的转换来采样电流。但是，二极管其导通压降与流经电流和温度相关。随着功率开关管漏极电压的升高，即二极管负极处的电压的升高，流经二极管的电流减小，导致二极管的导通压降随之减小，进而使得实际检测到的电流报警点高于设计的电流报警点。因此，需要提供一种功率开关管的电流检测电路，用于解决功率开关管过流检测电路中，由二极管特性带来的检测电流不准确的问题。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种功率开关管的电流检测电路，至少包括第一电阻R1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、稳压二极管D4、三极管Q1以及功率开关管Q2。所述三极管Q1与所述功率开关管Q2的漏极连接以监测所述功率开关管Q2漏极的压降从而实现对所述功率开关管Q2的电流的检测。所述三极管Q1的集电极通过由所述第一电阻R1与第一二极管D1并联构建的支路连接以使得所述第一电阻R1和第一二极管D1并联节点中与所述三极管Q1的集电极连接的第一节点作为反馈所述功率开关管Q2电流是否过大的反馈信号。在所述三极管Q1的发射极直接与所述功率开关管Q2的漏极连接的情况下，在所述三极管Q1的基极与发射极之间并联彼此正负极相反的第三二极管D3和所述稳压二极管D4。在所述三极管Q1的集电极与所述第一节点之间串联所述第二二极管D2。针对功率开关管与三极管之间串联的二极管其导通压降受电流的影响，进而使得实际检测到的电流报警点员高于设计的电流报警点的问题，发明通过将串入功率开关管Q2漏极与三极管Q1发射极之间的二极管去掉，而且在三极管Q1的集电极和发射极分别部署二极管而实现对三极管Q1的保护。克服了二极管的导通压降因与流经电流有关，使得实际检测到的电流报警点远高于设计的电流报警点的问题，并提高了电流检测电路的可靠性。此外，本发明通过功率开关管Q2的漏极电压的变化来采集流过该管的电流，主要是通过三极管Q1的导通与截止的压降变化与流经功率开关管Q2的电流值进行对应转换，但是三极管Q1的导通还与温度相关，将三极管Q1与功率开关管Q2的漏极连接能够克服二极管带来的影响，然而也引入了三极管Q1本身温度因素带来的干扰，并且第三二极管D3和稳压二极管D4其导通压降与流经的电流和温度也有关，因此本发明通过三极管Q1与功率开关管Q2、稳压二极管D4同时变化以使得温度对电压的影响减小，从而提高电流检测精度。具体而言，三极管Q1随温度升高，所需正向偏置电压越低。功率开关管Q2随温度升高，其导通阻抗越大。相同流经电流条件下，第二电压V2的电压更高，两者同时变化，使得温度对电压的影响减小，从而提高电流检测的精度。同理，可以通过设置与三极管Q1温度特性相同的稳压二极管D4和第三二极管D3来使得三极管Q1的反向电压与第三二极管D3的导通压降、稳压二极管D4的稳压值同时变化，来抵消影响，从而实现对三极管Q1的保护。

根据一种优选实施方式，所述电流检测电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3、电容C1。驱动信号与所述功率开关管Q2的栅极连接，并且所述驱动信号分别进入所述第二电阻R2以及所述第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中相对所述第一节点的第二节点。所述第一节点通过所述电容C1接地以滤波和RC延时。

根据一种优选实施方式，所述第二电阻R2分别与所述三极管Q1和所述第三电阻R3连接。所述三极管Q1的基极与所述第二电阻R2连接，并且所述三极管Q1与第三电阻R3并联。所述第三电阻R3相对所述第二电阻R2的一端接地。

根据一种优选实施方式，所述第一二极管D1和第二二极管D2的正极分别与所述电容C1连接。在不发出所述驱动信号的情况下，所述电容C1的电流流经所述第一节点分别进入所述第一二极管D1和第二二极管D2。所述第一二极管D1和所述第二二极管D2处于导通状态。进而所述电容C1的电流流经所述第一二极管D1、第二二极管D2和第一电阻R1进行放电以使得所述反馈信号变为低电平状态。

根据一种优选实施方式，在不发出所述驱动信号的情况下，所述功率开关管Q2处于截止状态进而使得所述功率管Q2漏极处的第二电压V2处于高电平。在发出所述驱动信号的情况下，所述驱动信号驱动所述功率开关管Q2处于导通状态。所述驱动信号并分别进入所述第二电阻R2和第一电阻R1使得所述三极管Q1处于导通状态，从而将所述第二电压V2拉至低电位。

根据一种优选实施方式，在所述第二电压V2拉至低电位的情况下，所述反馈信号通过处于导通状态的第二二极管D2、三极管Q1、功率开关管Q2拉至低电平。所述第二电压V2随着流经所述功率开关管Q2的电流的增大而增大。在所述第二电压V2升高至大于所述三极管Q1的正向偏置导通电压的情况下，所述三极管Q1处于截止状态，使得所述反馈信号的电压被拉至高电位。

根据一种优选实施方式，在不发出所述驱动信号使得所述三极管Q1和所述功率开关管Q2截止且所述第二电压V2处于高电平的情况下，所述三极管Q1的发射极与基极间的反向电压为所述第三二极管D2的导通压降和所述稳压二极管D4的稳压电压值，从而避免所述三极管Q1被击穿。在所述三极管Q1处于截止的状态下，所述第二二极管D2的负极与所述三极管Q1的集电极连接从而避免所述反馈信号被拉至高电位。

根据一种优选实施方式，所述三极管Q1的截止电压随所述第二电阻R2与所述第三电阻R3的比值变大而变小，从而修改所述功率开关管Q2的电流报警值。

本发明还公开另一种功率开关管的电流检测电路，至少包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一二极管D1、电容C1、三极管Q1以及功率开关管Q2，所述三极管Q1通过与所述功率开关管Q2的漏极直接/连接间接连接以监测所述功率开关Q2的电流，其中，

所述三极管Q1的集电极通过由所述第一电阻R1与第一二极管D1并联且与所述电容C1串联构建的支路连接以使得所述第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中与所述三极管Q1的集电极和所述电容连接C1连接的第一节点作为反馈所述功率开关管Q2电流是否过大的反馈信号，其中，

所述第一节点通过所述第二电阻R2和第三电阻R3反馈所述三极管Q1随所述功率管Q2漏极处的第二电压V2变化的方式以输出高电平或低电平。

根据一种优选实施方式，驱动信号与所述功率开关管Q2的栅极连接，并且所述驱动信号分别进入所述第二电阻R2以及所述第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中相对所述第一节点的第二节点，其中，

所述驱动信号通过所述第二电阻R2以并联的方式分别接入所述三极管Q1的基极以及所述第三电阻R3。

附图说明

图1为本发明的一种优选实施方式的电路示意图；

图2为本发明的另一种优选实施方式的电路示意图。

附图标记列表

R1：第一电阻 R2：第二电阻 R3：第三电阻

D1：第一二极管 D2：第二二极管 D3：第三二极管

D4：稳压二极管 Q1：三极管 Q2：功率开关管

C1：电容 V1：第一电压 V2：第二电压

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例公开一种功率开关管的电流检测电路，至少包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一二极管D1、电容C1、三极管Q1以及功率开关管Q2。三极管Q1通过与功率开关管Q2的漏极直接连接/间接连接以监测功率开关Q2的电流。三极管Q1的集电极通过由第一电阻R1与第一二极管D1并联且与电容C1串联构建的支路连接。第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中与三极管Q1的集电极和电容连接C1连接的第一节点作为反馈功率开关管Q2电流是否过大的反馈信号。第一节点通过第二电阻R2和第三电阻R3反馈三极管Q1随功率管Q2漏极处的第二电压V2变化的方式以输出高电平或低电平。

优选地，如图2所示的电流检测电路适用于对电流检测精度不高但需要快速检测的应用场景。该电流检测电路的三极管Q1的发射极与功率开关管Q2的漏极之间串联有一个第二二极管D2，用于实现对功率开关Q2的漏极电压的检测。如图2所示，驱动信号与功率开关管Q2的栅极连接。驱动信号分别进入第二电阻R2以及第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中相对第一节点的第二节点。驱动信号通过第二电阻R2以并联的方式分别接入三极管Q1的基极以及第三电阻R3。当驱动信号(Driver)驱动功率开关管Q2导通时，三极管Q1同时导通。此时第一节点的反馈信号(Feedback)由于电容C1放电被拉至低电位。随着流经功率开关管Q2的电流增大后，功率开关管Q2漏极处的第二电压V2逐渐升高。当第二电压V2升高至第二二极管D2的截止电压时，第二二极管D2截止，从而三极管Q1同时截止。此时第一节点的反馈信号(Feedback)被拉至高电位处。优选地，通过修改第二电阻R2与第三电阻R3的比值可以调整第二二极管D2的截止电压，即修改功率开关管Q2的电流报警值。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

如图1所示，本实施例提供一种功率开关管的电流检测电路，至少包括第一电阻R1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、稳压二极管D4、三极管Q1以及功率开关管Q2。三极管Q1与功率开关管Q2的漏极连接以监测功率开关管Q2漏极的压降从而实现对功率开关管Q2的电流的检测。三极管Q1的集电极通过由第一电阻R1与第一二极管D1并联构建的支路连接以使得第一电阻R1和第一二极管D1并联节点中与三极管Q1的集电极连接的第一节点作为反馈功率开关管Q2电流是否过大的反馈信号。优选地，功率开关管Q2的源极接地。在三极管Q1的发射极直接与功率开关管Q2的漏极连接的情况下，在三极管Q1的基极与发射极之间并联彼此正负极相反的第三二极管D3和稳压二极管D4。在三极管Q1的集电极与第一节点之间串联第二二极管D2。针对功率开关管与三极管之间串联的二极管其导通压降受电流的影响，进而使得实际检测到的电流报警点员高于设计的电流报警点的问题，发明通过将串入功率开关管Q2漏极与三极管Q1发射极之间的二极管去掉，而且在三极管Q1的集电极和发射极分别部署二极管而实现对三极管Q1的保护。克服了二极管的导通压降因与流经电流有关，使得实际检测到的电流报警点远高于设计的电流报警点的问题。提高了电流检测电路的可靠性。此外，本发明通过功率开关管Q2的漏极电压的变化来采集流过该管的电流，主要是通过三极管Q1的导通与截止的压降变化与流经功率开关管Q2的电流值进行对应转换，但是三极管Q1的导通还与温度相关，将三极管Q1与功率开关管Q2的漏极连接能够克服二极管带来的影响，然而也引入了三极管Q1本身温度因素带来的干扰，并且第三二极管D3和稳压二极管D4其导通压降与流经的电流和温度也有关，因此本发明通过三极管Q1与功率开关管Q2、稳压二极管D4同时变化以使得温度对电压的影响减小，从而提高电流检测精度。具体而言，三极管Q1随温度升高，所需正向偏置电压越低。功率开关管Q2随温度升高，其导通阻抗越大。相同流经电流条件下，第二电压V2的电压更高，两者同时变化，使得温度对电压的影响减小，从而提高电流检测的精度。同理，可以通过设置与三极管Q1温度特性相同的稳压二极管D4和第三二极管D3来使得三极管Q1的反向电压与第三二极管D3的导通压降、稳压二极管D4的稳压值同时变化，来抵消影响，从而实现对三极管Q1的保护。

根据一种优选实施方式，电流检测电路还包括第二电阻R2、第三电阻R3、电容C1。驱动信号与功率开关管Q2的栅极连接，并且驱动信号分别进入第二电阻R2以及第一电阻R1与第一二极管D1并联节点中相对第一节点的第二节点。第一节点通过电容C1接地以滤波和RC延时。通过该设置方式，能够避免反馈信号出现误触发的情况。

根据一种优选实施方式，第二电阻R2分别与三极管Q1和第三电阻R3连接。三极管Q1的基极与第二电阻R2连接。三极管Q1与第三电阻R3并联。第三电阻R3相对第二电阻R2的一端接地。通过该设置方式，电容C1能够通过第二电阻R2、第三电阻R3接地进而放电。

根据一种优选实施方式，第一二极管D1和第二二极管D2的正极分别与电容C1连接。在不发出驱动信号的情况下，电容C1的电流流经第一节点分别进入第一二极管D1和第二二极管D2。第一二极管D1和第二二极管D2处于导通状态。通过该设置方式，电容C1的电流流经第一二极管D1、第二二极管D2和第一电阻R1进行放电以使得反馈信号变为低电平状态。通过该设置方式，在不发出驱动信号，或者驱动信号为低电平的情况下，能够使得第一节点的反馈信号迅速变为低电平状态，进而避免出现误触发的情况。

根据一种优选实施方式，在不发出驱动信号的情况下，功率开关管Q2处于截止状态进而使得功率管Q2漏极处的第二电压V2处于高电平。优选地，第二电压V2为外部电平(常高电平)，因此在功率开关管Q2不导通的情况下，第二电压V2始终为高电平。在发出驱动信号的情况下，驱动信号驱动功率开关管Q2处于导通状态。驱动信号并分别进入第二电阻R2和第一电阻R1使得三极管Q1处于导通状态，从而将第二电压V2拉至低电位。

根据一种优选实施方式，在第二电压V2拉至低电位的情况下，反馈信号通过处于导通状态的第二二极管D2、三极管Q1、功率开关管Q2拉至低电平。第二电压V2随着流经功率开关管Q2的电流的增大而增大。在第二电压V2升高至大于三极管Q1的正向偏置导通电压的情况下，三极管Q1处于截止状态，使得反馈信号的电压被拉至高电位。

根据一种优选实施方式，在不发出驱动信号使得三极管Q1和功率开关管Q2截止且第二电压V2处于高电平的情况下，三极管Q1的发射极与基极间的反向电压为第三二极管D2的导通压降和稳压二极管D4的稳压电压值，从而避免三极管Q1被击穿。在三极管Q1处于截止的状态下，第二二极管D2的负极与三极管Q1的集电极连接从而避免反馈信号被拉至高电位。通过以上设置方式，能够通过第二二极管D2、第三二极管D3和稳压二极管D4对三极管Q1实现保护。具体而言，无论是否发出驱动信号(Driver)，第二二极管D2都能在三极管Q1截止时防止反馈信号被拉高。而且，在不发出驱动信号(Driver)或者驱动信号为低电平的情况下，三极管Q1和功率开关管Q2处于截止状态，第二低压V2为高电平，如果没有第三二极管D3和稳压二极管D4，则三极管Q1的发射极与基极之间存在很高的反向电压，会导致三极管Q1被击穿。添加第三二极管D3和稳压二极管D4后，三极管Q1的发现电压为第三二极管D2的导通压降以及稳压二极管D4的稳压电压值，避免三极管Q1被击穿。

根据一种优选实施方式，三极管Q1的截止电压随第二电阻R2与第三电阻R3的比值变大而变小，从而修改功率开关管Q2的电流报警值。通过该设置方式能够实现电流报警值的调节。具体而言，当发出驱动信号(Driver)，或者驱动信号(Driver)为高电平时，功率开关管Q2导通，此时第二低压V2取决于流经功率开关管Q2的电流Id的大小。正常工作时，第二电压V2-第一电压V1的电压值小于三极管Q1的正向偏置电压，则三极管Q1导通。第一节点的反馈信号(Feedback)通过第二二极管D2、三极管Q1、功率开关管Q2被拉至低电平。当第二电压V2-第一电压V1的电压值大于三极管Q1的正向偏置电压时，三极管Q1截止，第一节点的反馈信号(Feedback)通过第一电阻R1被拉至高电平。

本发明的检测原理是：通过功率开关管Q2漏极处的电压变化来采样流过该功率开关管Q2的电流，即通过功率开关管Q2的导通压降随电流变化的特性检测导通压降，并将导通压降的变化与流经功率开关管Q2的电流值进行对应转换，从而实现电流检测。然而现有技术在三极管Q1的发射极与功率开关管Q2漏极之间串联二极管以用于对三极管Q1的保护和导通压降的转换。但是，二极管导通的压降也与流经的电流相关，当随着第二电压V2的升高，其流经二极管的电流减小，进而二极管的导通压降随之减小，使得实际检查得到的电流报警点远高于设计的电流报警点。本发明通过将串入功率开关管Q2漏极与三极管Q1发射极之间的二极管去掉，而在三极管Q1的集电极和发射极分别部署二极管而实现对三极管Q1的保护。克服了二极管的导通压降因与流经电流有关，使得实际检测到的电流报警点远高于设计的电流报警点的问题，并提高了电流检测电路的可靠性。

优选地，当功率开关管Q2开启并工作在线性区，假设其漏、源极电压很小，功率开关管Q2被用作一个开关，可视其为一个等效电阻。对于已知的等效电阻，开关电流取决于功率开关管Q2漏、源极之间的压降。但由于温度的变化会导致迁移率和阈值电压的变化，使得功率开关管Q2的等效电阻产生非线性变化，误差范围可以达到-40％～80％。需要说明的是，功率开关管Q2一般是正温度系数，随着温度的增加其电阻增加，进而功率开关管Q2随着温度的增加其电流下降。而三极管Q1饱和后，其集电结饱和压降随温度上升而下降，进而三极管集电极到发射极的电压也随温度的上升而下降，在负载电阻固定时，流过三极管Q1的电流随温度上升而增加。为了克服三极管Q1随温度变化对功率开关管Q2电流检测的影响，本发明在以上设置的基础上利用三极管Q1和功率开关Q2的变化特性，即在温度变化时，三极管Q1随温度升高其所需正向偏置电压越低，而功率开关管Q2随温度升高其导通阻抗越大，相同流经电流条件下，第二电压V2更高。因此三极管Q1正向偏置电压和功率开关管Q2漏极处的第二电压V2两者同时变化，抵消的对电压的影响，使得电流检测精度更高。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。