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CN114826226A - 一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路 - Google Patents

一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路 Download PDF

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CN114826226A
CN114826226A CN202110130329.XA CN202110130329A CN114826226A CN 114826226 A CN114826226 A CN 114826226A CN 202110130329 A CN202110130329 A CN 202110130329A CN 114826226 A CN114826226 A CN 114826226A
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Abstract

本发明提供一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，包括用于驱动负载的功率电子开关管、为功率电子开关管提供电源能量的功率电源、用于传感由功率电子开关管包含的电流源信号，并根据传感的电流源信号转换为能够对所述的功率电子开关管进行安全保护的控制信号的控制模块；以及为所述的控制单元提供工作电源的隔离电源，所述的隔离电源的负极与功率电源的正极连接。本发明通过提供一种结构简洁、性能要求低的功率电子开关管的高边电流采集和安全控制电路，在保证可靠性能的同时使根据本发明构建的系统体积减小、成本降低。

Description

一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路
技术领域
本发明涉及高边驱动的功率电子开关管的导通电流检测及功率电子开关管的安全保护技术领域，具体涉及一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路。
背景技术
高边驱动的功率电子开关管的电流检测的主要方法有电流环式、霍尔器件式、或集成电路传感器形式，其中电流环式或霍尔式电流传感器体积较大，集成电路式电流传感器成本较高；
现有技术下，为降低成本，通常将检测电阻放在电源电压正极和功率电子开关管之间的高位，再经过运放对信号放大来实现电流检测。然而，检测放大器的共模电压接近电源电压，这种宽范围的共模电压要求运放具有高共模特性，进而带来成本的增高。
因此对于使用功率电子开关管数量较多的场合，例如汽车，降低功率电子开关管的电流检测和保护成本显得较为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本相对较低的高边功率电子开关管的电流采集电路及安全保护电路。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，包括：
功率电子开关管，该功率电子开关管用于驱动负载；
功率电源，该功率电源为功率电子开关管提供电源能量；
控制模块，该控制模块用于传感由功率电子开关管包含的电流源信号，并根据传感的电流源信号转换为能够对所述的功率电子开关管进行安全保护的控制信号；以及
隔离电源，该隔离电源为所述的控制单元提供工作电源，所述的隔离电源的负极与功率电源的正极连接。
优选地，所述功率电子开关管的输入端连接功率电源VP，输出端连接负载，所述功率电子开关管包括绝缘栅极MOS管和IGBT管。
进一步地，所述控制模块包括逻辑控制单元、用于变换功率电子开关管的电流源信号以满足逻辑控制单元要求的信号调理单元以及用于变换逻辑控制单元输入的安全保护控制信号以满足驱动功率电子开关管要求的驱动调理单元。
进一步地，所述信号调理单元包括电阻R2、R3以及参考电源VW，所述电阻R2的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接参考电源，所述参考电源VW为独立电源或由所述逻辑控制单元中D/A变换器输出的电压源。
优选地，所述信号调理单元还可以通过运算放大器实现，包括电阻R4、R5、R6以及运算放大器OP，所述电阻R4的一端连接功率电子开关管的漏极、另一端连接运算放大器OP的正极，所述电阻R5的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接运算放大器OP的负极，所述电阻R6的一端连接运算放大器OP的负极、另一端连接运算放大器OP的输出端。
优选地，所述逻辑控制单元的输出端口IO-1与驱动调理单元的命令输入端口CIN连接,驱动调理单元的输出端口OUT连接到控制端TG，控制端TG通过电阻R1连接到功率电子开关管的栅极，所述驱动调理单元的输入信号CIN为逻辑电平信号，驱动调理单元的输出信号OUT为驱动功率电子开关的电平信号，该电平信号能关断MOS管的导通。
进一步地，所述逻辑控制单元的电流采集单元A/D的输入为信号调理单元的输出，所述逻辑控制单元对电子开关管的保护由数字逻辑比较器实现，所述数字逻辑比较器的第一输入端连接A/D转换器的输出转换结果，所述数字逻辑比较器的第二输入端连接可配置的数字阈值电平单元，数字逻辑比较器的输出连接到驱动调理单元的输入CIN端，所述数字逻辑比较器包含通过运算逻辑实现的虚拟数字逻辑比较器或通过软件配置的数字逻辑比较器。
优选地，所述逻辑控制单元的安全保护控制信号由模拟逻辑比较器实现，所述模拟逻辑比较器的第一输入端连接信号调理电路的输出端，所述模拟逻辑比较器的第二输入端连接可配置的模拟阈值电平，模拟逻辑比较器的输出连接到驱动调理单元的输入CIN端。
进一步地，所述的数字逻辑比较器和模拟逻辑比较器的输出均连接到逻辑控制单元的输出端IO-1,且逻辑控制单元对数字逻辑比较器和模拟逻辑比较器的输出进行逻辑与后输出到驱动调理单元的CIN输入端。
优选地，所述隔离电源包括由功率电源变换的DC/DC隔离电源，所述隔离电源的负极至少通过一个二极管与功率电源的正极连接。
由以上技术方案可知，本发明通过提供一种结构简洁、性能要求低的功率电子开关管的高边电流采集和安全控制电路，在保证可靠性能的同时使根据本发明构建的系统体积减小、成本降低。
附图说明
图1为本发明实施例一的电路结构示意图；
图2为本发明实施例二的电路结构示意图；
图3为本发明实施例三的电路结构示意图；
图中：1、功率电子开关管；2、负载；3、控制模块；31、逻辑控制单元；32、信号调理单元；33、驱动调理单元；4、隔离电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式做详细的说明。
如图1所示的功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，包括用于驱动负载2的功率电子开关管1、为功率电子开关管提供电源能量的功率电源、用于传感由功率电子开关管包含的电流源信号，并根据传感的电流源信号转换为能够对所述的功率电子开关管进行安全保护的控制信号的控制模块3，以及为所述的控制单元提供工作电源的隔离电源4，所述的隔离电源的负极与功率电源的正极连接。
本优选实施例所述的功率电子开关管1的输入端连接功率电源，输出端连接负载2，负载的另一端连接功率电源的地，所述功率电子开关管包括绝缘栅极MOS管和IGBT管，本发明电流传感信号源取自功率电子开关管自身的导通内阻，可以省去额外的附加传感器；所述隔离电源包括由功率电源驱动的DC/DC隔离电源，所述隔离电源的负极与功率电源的正极连接，本发明设置功率电源的正极为控制单元的参考地电平，使得信号调理电路和逻辑控制电路变得简单、控制系统对电路性能的要求降低。
具体的，所述控制模块3包括逻辑控制单元31、用于变换功率电子开关管的电流源信号以满足逻辑控制单元要求的信号调理单元32以及用于变换逻辑控制单元输入的安全保护控制信号以满足驱动功率电子开关管要求的驱动调理单元33，所述逻辑控制单元包含单片机、CPLD和FPGA。
本优选实施例所述的信号调理单元通过以下实施方式：
实施例一：信号调理单元32为偏置电阻的实现方式，如图1所示，所述信号调理单元包括电阻R2、R3以及参考电源VW，所述电阻R2的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接参考电源，所述参考电源为独立电源或由所述逻辑控制单元中D/A变换器输出的电压源；所述逻辑控制单元设置有与所述电阻R2另一端连接的A/D转换器以及与所述电阻R3另一端连接的D/A转换器，所述逻辑控制单元的输出端口IO-1与驱动调理单元的命令输入端口CIN连接,驱动调理单元的输出端口OUT连接到控制端TG，控制端TG通过电阻R1连接到功率电子开关管的栅极，所述驱动调理单元的输入信号CIN为逻辑电平信号，驱动调理单元的输出信号OUT为驱动功率电子开关的电平信号，该电平信号能关断MOS管的导通。
具体的，所述电流采集的工作原理为：所述功率电子开关管的漏极和源极间的导通电阻为RON，当功率电子开关管导通时，电流IA在其内阻上产生电压差信号VDS＝IA*RON，这个电压差信号VDS作为功率电子开关管的电流源信号接入电路调理单元的VI+和VI-端。因为功率电子开关管源极的电平低于漏极的电平，对逻辑控制单元的A/D转换器呈现负电平信号，所以要接入正向偏置电路。正向偏置电路由独立稳压源VW和电阻R2、R3组成，偏置电路使VDS电压在A/D输入端为正电平信号。所述R2和R3连接点的电压计算公式为：
VIA＝(R2*VW-R3*VI-)/(R2+R3)；
在具体的实施过程中，选取(R2*VW-R3*VI-)>0；
功率电子开关的电流保护工作原理为：预先对逻辑控制单元的阈值单元VIG设置电流阀值,当逻辑控制单元的A/D采样电流值通过软件比较大于设置的电流阀值VIG时，逻辑控制单元的控制端口BD1在输出端口IO-1输出关断信号，该关断信号经驱动调理单元变换后由OUT端口输出，关断功率电子开关管，从而保护了功率电子开关管的安全。
实施例二：信号调理单元32为运算放大器的实现方式，如图2所示，所述信号调理单元包括电阻R4、R5、R6以及运算放大器OP，所述电阻R4的一端连接功率电子开关管的漏极、另一端连接运算放大器OP的正极，所述电阻R5的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接运算放大器OP的负极，所述电阻R6的一端连接运算放大器OP的负极、另一端连接运算放大器OP的输出端。
具体的，所述电流采集电路的工作原理为：所述功率电子开关管的漏极和源极间的导通电阻为RON，当功率电子开关管导通时，电流IA在其内阻上产生电压差信号VDS＝IA*RON，这个电压差信号VDS作为功率电子开关管的电流源信号接入电路调理单元的VI+和VI-端。电路调理单元内含运算放大器OP，运算放大器OP的输出电压为VIA，所述输出电压VIA的电压计算公式为：
VIA＝(VI+-VI-)*(R6/R5)；
当电流调理电路的运算放大器OP使用单电源供电时，其VI-输入端接收的负信号使放大输出失真。为使VI-端的信号为正，隔离电源的负极输出端VP串接一个或多个二极管后与功率电源VP的正极连接。因为功率电子开关管的导通电阻一般为几毫欧，所以负载电流在其内阻上形成的电压一般低于二极管的正向导通电压(二极管的正向导通电压约为0.6V)，串接二极管后运放在负极端接收的信号为正极性信号。
本实施例的安全保护电路及原理同实施例一。
实施例三：在实施例二的基础上，将所述逻辑控制单元31添加一个模拟比较器,其它部分与实施例二相同。
具体的，如图3所示,所述逻辑控制单元31内含由分立元件组成的模拟比较器ACOMP和由数字逻辑单元配置的数字比较器DCOMP。该模拟比较器的负极端连接运算放大器OP1的输出端、正极端连接模拟比较阀值设置单元AVIG；该数字比较器DCOMP的负极端连接A/D转换器的输出端、正极端连接数字比较阀值单元DVIG。
其中端口IO-1对模拟比较器ACOMP的输出端口和数字比较器DCOM的输出端口是逻辑与关系，即无论是哪一个比较器输出逻辑关断信号，端口IO-1均输出逻辑关断信号。驱动调理单元的输入信号CIN为逻辑电平信号，驱动单元的输出信号OUT为驱动功率电子开关1的电平信号，该电平信号能关断MOS管的导通。
此时，电流采集电路的工作原理与实施例二相同。
所述模拟比较器ACOMP输出关断逻辑信号的工作原理为：所述逻辑控制单元31预先对模拟比较器ACOMP的阀值单元AVIG设置电流阀值,当运放输出端的值VIA电平值大于设置的电流阀值AVIG时，比较器ACOMP输出关断功率电子开关管1的信号。
所述数字比较器DCOM输出关断逻辑信号的工作原理为：逻辑控制单元31预先对数字比较器DCOMP的阀值单元DVIG设置电流阀值,当A/D转换器的输出大于设置的电流阀值DVIG时，比较器DCOMP输出关断功率电子开关管1的信号。
因为模拟比较器ACOMP的输出受其负极端信号VIA的影响，而数字比较器DCOMP的输出只受软件控制，可以设置不同的输出控制逻辑。实际应用时可以设置为：当流过负载的电流大于设置的电流阀值VIG、需要对电子开关管进行保护时可以设置为两个步骤：
(1)加载到模拟比较器ACOMP负极端的电平信号VIA使模拟比较器ACOMP输出关断信号；
(2)控制逻辑同时把A/D采集的过载电流值输出到数字比较器DCOMP的负极端,使数字比较器DCOMP输出关断信号；
由于输出端口IO-1对所述的两个比较器是逻辑与关系，所以任何一个关断信号均会使逻辑输出端口IO-1对驱动调理单元33的输入端口CIN输出关断信号，使功率电子开关管1关断。由于所述数字比较器DCOMP受软件控制，软件逻辑上设置为：一旦数字比较器DCOMP输出关断信号就保持这个关断逻辑，即不论其由A/D转换器加载到其输入端口的值如何变化，直到该逻辑控制单元3接收到其它外部开启功率电子开关管的信号后才使功率电子开关管导通。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种功率电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，包括：
功率电子开关管(1)，该功率电子开关管用于驱动负载(2)；
功率电源，该功率电源为功率电子开关管提供电源能量；
控制模块(3)，该控制模块用于传感由功率电子开关管包含的电流源信号，并根据传感的电流源信号转换为能够对所述的功率电子开关管进行安全保护的控制信号；以及
隔离电源(4)，该隔离电源为所述的控制单元提供工作电源，所述的隔离电源的负极与功率电源的正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述功率电子开关管(1)的输入端连接功率电源VP，输出端连接负载，所述功率电子开关管包括绝缘栅极MOS管和IGBT管。
3.根据权利要求1所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述控制模块(3)包括逻辑控制单元(31)、用于变换功率电子开关管的电流源信号以满足逻辑控制单元要求的信号调理单元(32)以及用于变换逻辑控制单元输入的安全保护控制信号以满足驱动功率电子开关管要求的驱动调理单元(33)。
4.根据权利要求3所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述信号调理单元(32)包括电阻R2、R3以及参考电源VW，所述电阻R2的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端连接参考电源，所述参考电源VW为独立电源或由所述逻辑控制单元中D/A变换器输出的电压源。
5.根据权利要求3所述的一种电子开关的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述信号调理单元(32)还可以通过运算放大器实现，包括电阻R4、R5、R6以及运算放大器OP，所述电阻R4的一端连接功率电子开关管的漏极、另一端连接运算放大器OP的正极，所述电阻R5的一端连接功率电子开关管的源极、另一端连接运算放大器OP的负极，所述电阻R6的一端连接运算放大器OP的负极、另一端连接运算放大器OP的输出端。
6.根据权利要求3所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述逻辑控制单元(31)的输出端口IO-1与驱动调理单元(33)的命令输入端口CIN连接,驱动调理单元的输出端口OUT连接到控制端TG，控制端TG通过电阻R1连接到功率电子开关管(1)的栅极，所述驱动调理单元的输入信号CIN为逻辑电平信号，驱动调理单元的输出信号OUT为驱动功率电子开关的电平信号，该电平信号能关断MOS管的导通。
7.根据权利要求6所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述逻辑控制单元(31)的电流采集单元A/D的输入为信号调理单元(32)的输出，所述逻辑控制单元对电子开关管的保护由数字逻辑比较器实现，所述数字逻辑比较器的第一输入端连接A/D转换器的输出转换结果，所述数字逻辑比较器的第二输入端连接可配置的数字阈值电平单元，数字逻辑比较器的输出连接到驱动调理单元的输入CIN端，所述数字逻辑比较器包含通过运算逻辑实现的虚拟数字逻辑比较器或通过软件配置的数字逻辑比较器。
8.根据权利要求6所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述逻辑控制单元(31)的安全保护控制信号由模拟逻辑比较器实现，所述模拟逻辑比较器的第一输入端连接信号调理电路的输出端，所述模拟逻辑比较器的第二输入端连接可配置的模拟阈值电平，模拟逻辑比较器的输出连接到驱动调理单元的输入CIN端。
9.根据权利要求7或8所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述的数字逻辑比较器和模拟逻辑比较器的输出均连接到逻辑控制单元的输出端IO-1,且逻辑控制单元对数字逻辑比较器和模拟逻辑比较器的输出进行逻辑与后输出到驱动调理单元的CIN输入端。
10.根据权利要求1所述的一种电子开关管的高边电流采集及安全保护电路，其特征在于，所述隔离电源(4)包括由功率电源变换的DC/DC隔离电源，所述隔离电源的负极至少通过一个二极管与功率电源的正极连接。
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