开关管保护电路以及驱动电路

技术领域

本申请涉及保护电路技术领域，特别是涉及一种开关管保护电路以及驱动电路。

背景技术

在常用的控制电路及开关电源电路中，通常采用输入PWM芯片保护脚信号的方式来对开关管等大功率半导体器件进行过压或过流保护。传统的开关管保护方式受限于芯片自身参数等限制，响应速度慢，动作迟缓，对短路性增加过快的电流可能存在保护不及时，出现烧毁后级芯片或电路的风险。

发明内容

基于此，有必要针对传统的开关管保护方式保护不及时的问题，提供一种开关管保护电路以及驱动电路，能达到提高保护及时性的效果。

一种开关管保护电路，包括积分回路、控制开关、稳压管D3和二极管D4，所述积分回路连接控制信号输入端、所述稳压管D3的阴极和所述二极管D4的阳极，所述稳压管D3的阳极连接所述控制开关的控制端，所述二极管D4的阴极连接开关管的第一端；所述控制开关的第一端连接所述开关管的控制端，所述控制开关的第二端接地；所述积分回路用于拉低所述控制开关的控制端电位，并在所述开关管过流时拉升所述控制开关的控制端电位，使所述控制开关导通。

在其中一个实施例中，所述积分回路包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1和所述电容C1串联且公共端连接所述稳压管D3的阴极和所述二极管D4的阳极，所述电阻R1的另一端连接控制信号输入端，所述电容C1的另一端接地。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D1，所述二极管D1与所述电阻R1并联，且所述二极管D1的阳极连接所述电阻R1和所述电容C1的公共端。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D2，所述电阻R1和所述电容C1的公共端通过所述二极管D2连接所述稳压管D3，且所述二极管D2的阴极连接所述稳压管D3的阴极。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R2，所述电阻R2的一端连接所述控制信号输入端，所述电阻R2的另一端连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R3，所述电阻R3的一端连接所述控制开关的控制端，所述电阻R3的另一端接地。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括连接所述开关管的第一端的显示电路。

在其中一个实施例中，开关管保护电路还包括连接所述控制开关的第一端的报警电路。

在其中一个实施例中，所述开关管为MOS管，所述控制开关为三极管。

一种电路装置，包括开关管和上述的开关管保护电路。

上述开关管保护电路以及驱动电路，在开关管正常工作时，积分回路拉低控制开关的控制端电位，阻止控制开关的误开通。在开关管出现过流时，积分回路拉升控制开关的控制端电位，使控制开关导通，从而将开关管截止，达到过流保护的目的。相对于传统的开关管保护方式，不会受制于芯片的限制而影响响应速度，提高了保护及时性，降低了烧毁后级芯片或电路的风险。

附图说明

图1为一实施例中开关管保护电路的结构原理图；

图2为一实施例中电路正常工作时的驱动波形示意图；

图3为一实施例中电路过流保护时的驱动波形示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

在一个实施例中，提供了一种开关管保护电路，开关管可以是MOS管或三极管，还可以是其他大功率半导体开关器件。如图1所示，开关管保护电路包括积分回路110、控制开关Q1、稳压管D3和二极管D4，积分回路110连接控制信号输入端、稳压管D3的阴极和二极管D4的阳极，稳压管D3的阳极连接控制开关Q1的控制端，二极管D4的阴极连接开关管Q2的第一端；控制开关Q1的第一端连接开关管Q2的控制端，控制开关Q1的第二端接地；积分回路110用于拉低控制开关Q1的控制端电位，并在开关管Q2过流时拉升控制开关Q1的控制端电位，使控制开关Q1导通。

其中，控制开关Q1以及开关管Q2的类型都不是唯一的，例如控制开关Q1可采用三极管，开关管Q2可采用MOS管，本实施例中，控制开关Q1为NPN型三极管，基极作为控制端，集电极作为第一端，发射极作为第二端。进一步地，开关管Q2为N沟道MOS管，栅极作为控制端，漏极作为第一端，源极作为第二端。二极管D4的类型也并不唯一，本实施例中，二极管D4选用肖特基高压超快恢复二极管。正常工作时，积分回路110在开关管Q2开通前的瞬间拉低控制开关Q1的控制端电位，阻止控制开关Q1的误开通。在开关管Q2出现过流时，通过积分回路110短暂的积分延时后，拉升控制开关Q1的控制端电位，使控制开关Q1导通，从而将开关管Q2截止，达到过流保护的目的。

可以理解，积分回路110的具体结构并不是唯一的，在一个实施例中，积分回路110包括电阻R1和电容C1，电阻R1和电容C1串联且公共端连接稳压管D3的阴极和二极管D4的阳极，电阻R1的另一端连接控制信号输入端，电容C1的另一端接地。具体如图1所示，电阻R1和电容C1串联后接入控制信号输入的两端，接收控制信号Ui。以控制开关Q1为三极管，开关管Q2为MOS管为例，电路正常工作时，在正向驱动脉冲最初的短时间内，由于电阻R1和电容C1的存在，A点电压被箝位在较低的电位，稳压管D3截止，三极管处于截止状态。输入的控制信号Ui几乎全加在MOS管上，并给输入电容C1迅速充电。随着MOS管的栅源电压Ugs的增加，MOS管开通，漏源极间电压减小。二极管D4正向偏置导通，A点电压被箝位，稳压管D3和三极管由于反偏继续可靠的截止。

当MOS管出现过流时，漏极电压Uds迅速升高，二极管D4反偏截止，A点电压开始上升。当升到高于稳压管D3与三极管的门值电压Uth之和时，MOS管导通，栅极电位被下拉至接近0V，从而使MOS管可靠关断，电路电流被切断，当检测到过电流可在0.1us内对电路进行保护。

上述开关管保护电路，在开关管Q2正常工作时，积分回路110拉低控制开关Q1的控制端电位，阻止控制开关Q1的误开通。在开关管Q2出现过流时，积分回路110拉升控制开关Q1的控制端电位，使控制开关Q1导通，从而将开关管Q2截止，达到过流保护的目的。相对于传统的开关管保护方式，不会受制于芯片的限制而影响响应速度，提高了保护及时性，降低了烧毁后级芯片或电路的风险。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D1，二极管D1与电阻R1并联，且二极管D1的阳极连接电阻R1和电容C1的公共端。二极管D1的作用为放电，为下次开通前的积分延时做准备。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D2，电阻R1和电容C1的公共端通过二极管D2连接稳压管D3，且二极管D2的阴极连接稳压管D3的阴极。二极管D2的具体类型也并不唯一，本实施例中，二极管D2选用低压超快恢复型肖特基二极管。进一步地，在一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R2，电阻R2的一端连接控制信号输入端，电阻R2的另一端连接开关管Q2的控制端。

此外，在一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R3，电阻R3的一端连接控制开关Q1的控制端，电阻R3的另一端接地。同样以开关管Q2为MOS管为例，电阻R3用于抑制MOS管栅极高频振荡，从而保护MOS管。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括连接开关管Q2的第一端的显示电路D，显示电路D用于对电路进行实时检测及监控。具体地，可通过显示电路D显示电压、电流等相关参数。显示电路D可包括参数采集单元和显示单元，进一步还可包括存储单元。其中，参数采集单元连接开关管Q2的第一端、显示单元和存储单元，存储单元用于进行参数存储。进一步地，在一个实施例中，开关管保护电路还包括连接控制开关Q1的第一端的报警电路B。当电路发生过流时，报警电路B及时发出报警信号。

在一个实施例中，开关管保护电路还可同时包括显示电路D和报警电路B，当出现异常电路进入保护状态时，报警电路B做出报警指示，同时显示电路D显示此时的MOS管上的电流，实时监测电路状态；当电路正常运行时，不触发报警电路，显示电路D显示的是运行电流及电压参数，在运行期间，电路发出报警一次，显示电路D存储一次，从而进一步保证电路的安全可靠。

在一个实施例中，还提供了一种电路装置，包括开关管和上述的开关管保护电路。其中，电路装置可适用于控制电路及开关电源电路，开关管可以是MOS管或三极管，还可以是其他大功率半导体开关器件。

具体地，如图1所示，开关管保护电路包括积分回路110、控制开关Q1、稳压管D3和二极管D4，积分回路110连接控制信号输入端、稳压管D3的阴极和二极管D4的阳极，稳压管D3的阳极连接控制开关Q1的控制端，二极管D4的阴极连接开关管Q2的第一端；控制开关Q1的第一端连接开关管Q2的控制端，控制开关Q1的第二端接地；积分回路110用于拉低控制开关Q1的控制端电位，并在开关管Q2过流时拉升控制开关Q1的控制端电位，使控制开关Q1导通。

控制开关Q1以及开关管Q2的类型都不是唯一的，例如控制开关Q1可采用三极管，开关管Q2可采用MOS管，本实施例中，控制开关Q1为NPN型三极管，基极作为控制端，集电极作为第一端，发射极作为第二端。进一步地，开关管Q2为N沟道MOS管，栅极作为控制端，漏极作为第一端，源极作为第二端。二极管D4的类型也并不唯一，本实施例中，二极管D4选用肖特基高压超快恢复二极管。正常工作时，积分回路110在开关管Q2开通前的瞬间拉低控制开关Q1的控制端电位，阻止控制开关Q1的误开通。在开关管Q2出现过流时，通过积分回路110短暂的积分延时后，拉升控制开关Q1的控制端电位，使控制开关Q1导通，从而将开关管Q2截止，达到过流保护的目的。

在一个实施例中，积分回路110包括电阻R1和电容C1，电阻R1和电容C1串联且公共端连接稳压管D3的阴极和二极管D4的阳极，电阻R1的另一端连接控制信号输入端，电容C1的另一端接地。具体如图1所示，电阻R1和电容C1串联后接入控制信号输入的两端，接收控制信号Ui。以控制开关Q1为三极管，开关管Q2为MOS管为例，电路正常工作时，在正向驱动脉冲最初的短时间内，由于电阻R1和电容C1的存在，A点电压被箝位在较低的电位，稳压管D3截止，三极管处于截止状态。输入的控制信号Ui几乎全加在MOS管上，并给输入电容C1迅速充电。随着MOS管的栅源电压Ugs的增加，MOS管开通，漏源极间电压减小。二极管D4正向偏置导通，A点电压被箝位，稳压管D3和三极管由于反偏继续可靠的截止。

当MOS管出现过流时，漏极电压Uds迅速升高，二极管D4反偏截止，A点电压开始上升。当升到高于稳压管D3与三极管的门值电压Uth之和时，MOS管导通，栅极电位被下拉至接近0V，从而使MOS管可靠关断，电路电流被切断，检测到过电流可在0.1us内对电路进行保护。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D1，二极管D1与电阻R1并联，且二极管D1的阳极连接电阻R1和电容C1的公共端。二极管D1的作用为放电，为下次开通前的积分延时做准备。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括二极管D2，电阻R1和电容C1的公共端通过二极管D2连接稳压管D3，且二极管D2的阴极连接稳压管D3的阴极。本实施例中，二极管D2选用低压超快恢复型肖特基二极管。进一步地，在一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R2，电阻R2的一端连接控制信号输入端，电阻R2的另一端连接开关管Q2的控制端。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括电阻R3，电阻R3的一端连接控制开关Q1的控制端，电阻R3的另一端接地。同样以开关管Q2为MOS管为例，电阻R3用于抑制MOS管栅极高频振荡，从而保护MOS管。

在一个实施例中，开关管保护电路还包括连接开关管Q2的第一端的显示电路D，显示电路D用于对电路进行实时检测及监控。具体地，可通过显示电路D显示电压、电流等相关参数。进一步地，在一个实施例中，开关管保护电路还包括连接控制开关Q1的第一端的报警电路B。当电路发生过流时，报警电路B及时发出报警信号。

在一个实施例中，开关管保护电路还可同时包括显示电路D和报警电路B，当出现异常电路进入保护状态时，报警电路B做出报警指示，同时显示电路D显示此时的MOS管上的电流，实时监测电路状态；当电路正常运行时，不触发报警电路，显示电路D显示的是运行电流及电压参数，在运行期间，电路发出报警一次，显示电路D存储一次，从而进一步保证电路的安全可靠。

为便于更好地理解上述开关管保护电路以及驱动电路，下面结合具体实施例进行详细解释说明。

随着电力电子的迅猛发展，对于作用于开关器件的大功率半导体器件，其开关速度要求也越来越快，应用范围更加广泛。本申请设计一种适合于MOSFET管大功率可靠性较高的驱动及保护电路，充分发挥MOSFET管的优点，实现大功率电路驱动、具有高速的驱动耦合和故障响应速度，提高检测过流故障并迅速作出保护动作、抗干扰能力强，结构简单，调整参数容易，成本低廉。

具体地，本申请提供了一种大功率驱动及电流显示保护电路，电路由MOS管、三极管以及超快恢复二极管、积分电路和报警显示电路组成。选用MOSFET管可实现大功率驱动电路的需求；选用三极管可对MOS管进行过流保护，增加电路可靠性及安全性；选用积分电路及超快恢复二极管可快速实现过流检测及保护。针对电路特性设计报警及显示模块电路进行实时监控，记录存储数据。此电路实现了针对大功率电路驱动需求，并高速检测过流信号，提高检测保护效率，降低误触发或延迟检测的风险。电路可靠性高，成本低廉。

如图1所示，电路中二极管D1与电容C1串联，接入控制信号输入的两端，二极管D1的阴极与电阻R1的上端汇入电阻R2的左端，电阻R2的右端与三极管Q1的集电极一起接入MOS管的栅极G。电阻R1的下端与肖特基二极管D4的阳极、二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与稳压二极管D3的阴极相连。稳压二极管D3的阳极和电阻R3的上端与三极管Q1的基极相连。电阻R3、电容C1与三极管Q1的发射极共同接地。肖特基二极管D4的阴极与MOS管的漏极相连。在三极管Q1处设置报警电路B，当出现异常电路进入保护状态时，报警电路B做出报警指示，同时显示电路D显示此时的MOS管上的电流，实时监测电路状态；当电路正常运行时，不触发报警电路B，显示电路D显示的是运行电流及电压参数，在运行期间，电路发出报警一次，显示电路D存储一次，从而进一步保证电路的安全可靠。

电路正常工作时，在正向驱动脉冲最初的短时间内，由于电阻R1和电容C1的存在，A点电压被箝位在较低的电位，稳压二极管D3截止，三极管Q1处于截止状态。输入控制信号Ui几乎全加在MOS管Q2上，并给输入电容C1迅速充电。随着MOS管Q2的栅源电压Ugs的增加，MOS管Q2开通，漏源极间电压减小。肖特基二极管D4正向偏置导通，A点电压被箝位，稳压二级管D3和三极管Q1由于反偏继续可靠的截止。图中二极管D1的作用为放电，为下次开通前的积分延时做准备；电阻R3用来抑制栅极高频振荡，保护MOSFET管。

图2所示为电路正常工作时的驱动波形图，图3所示为电路过流保护时的驱动波形图。当MOSFET管出现过流时，漏极电压Uds迅速升高，肖特基二极管D4反偏截止，A点电压开始上升。当升到高于稳压管D3与三极管Q1的门值电压Uth之和时，MOS管Q2导通，栅极电位被下拉至接近0V，从而使MOS管Q2可靠关断，电路电流被切断，检测到过电流，在0.1us内对电路进行保护，如图3所示。

电阻R1和电容C1构成的积分回路主要有如下功能：正常工作时，在MOSFET管开通前的瞬间将A点的电位拉低，阻止三极管Q1管的误开通；过流时，通过短暂的积分延时，使A点电位升高至三极管Q1的开通电压，三极管Q1导通，栅极电压G点被箝位。MOS管Q2截止，从而达到过流保护的目的。

设计显示电路D和报警电路B用于对电路进行实时检测及监控。当电路正常工作时，显示电路显示电压，电流等相关参数；当电路发生过流时，报警电路B及时发出报警信号，显示电路D显示过流时MOS管的电流及电压数据，记录整个测试周期内发生保护的次数，进一步确认电路设计的合理性及可靠性。

图1中二极管D4选用肖特基高压超快恢复二极管，二极管D2选用低压超快恢复型肖特基二极管，可消除稳压管D3存在较大结电容形成电荷位移电流对三极管Q1的影响。

上述大功率驱动及电流显示保护电路，选用MOSFET管作为核心器件搭建驱动电路，可实现电路对大功率的需求。同时，选用三极管搭配MOSFET以及超快恢复二极管，充放电电路的组合方式，实现高速过电流保护，保护响应及时，可靠性高。并通过外部显示及报警电路，显示相关参数，进行实时监控。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。