一种功率器件隔离保护装置的制作方法

本发明涉及功率器件隔离驱动和保护领域，特别涉及一种功率器件隔离保护装置。

背景技术：

随着人们对电路安全设计要求的越来越高，设备短路引起的器件损坏和设备损失逐渐受到人们的关注，驱动电路在使用中存在的输出过载和短路等弊端逐渐难以满足使用。在功率器件驱动和保护的电路设计领域，使用一种保护装置来预防电路中发生短路现象，可以提高安全性、减少负载设备因短路造成的损坏、防止功率器件的永久性损坏。

在本发明之前，传统采用保险丝熔断器的设计方法，使用保险丝熔断器，需要保险丝过流熔断，由于保险丝的工作原理是功率发热致使金属融化断裂实现开路现象，避免功率器件长时间处于过流状态。此方法存在的缺陷有保险丝熔断后电路不能恢复正常状态、保险丝熔断响应时间过长。带来的后果是一旦发生短路或者过流现象，功率器件很大程度上会因响应时间过长而损坏；电路处于开路后，需要重新更换保险丝，操作繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种功率器件隔离保护装置。

本发明的技术方案是：

一种功率器件隔离保护装置，其主要技术特征在于，电源⑩连接过流保护电路②、高压功率电路③，过流保护电路②连接高压功率电路③，高压功率电路③连接电流检测电路⑥，电流检测电路⑥分别连接驱动放大电路④、控制反馈电路⑦、逻辑控制电路⑧、负载设备⑨，负载设备⑨参考端接地，控制反馈电路⑦连接逻辑控制电路⑧，逻辑控制电路⑧连接低压控制电路⑤，驱动放大电路④分别连接过流保护电路②、过流反馈电路①，过流反馈电路①连接逻辑控制电路⑧。

所述低压控制电路⑤连接高压功率电路③和过流保护电路②的公共节点，低压控制电路⑤的参考端接地。

所述控制反馈电路⑦的输入端连接电流检测电路⑥、负载设备⑨的公共节点，控制反馈电路⑦的参考端接地。

本发明的有益效果是：

当负载设备发生短路或者过流现象时，可以快速响应过流信号并进行功率器件的关断，从而有效保护功率器件；可以实现短路消失之后，电路自恢复正常状态；可以隔离控制和检测负载设备的工作状态；设计方案可经变形之后用于其他类似功能的设计电路，并可有效控制负载设备。

附图说明

图1——本发明的电路框图。

图2——本发明的电路原理图。

图中各标号表示对应的部件名称如下：

过流反馈电路①、过流保护电路②、高压功率电路③、驱动放大电路④、低压控制电路⑤、电流检测电路⑥、控制反馈电路⑦、逻辑控制电路⑧、负载设备⑨、电源⑩。

图中各标号表示对应的信号含义如下：

过流反馈信号(s1)、过流控制信号(s2)、高压端关断信号(s3)、高压端供电信号(s4)、高压端控制信号(s5)、低压端控制信号(s6)、高压端参考信号(s7)、负载检测信号(s8)、过流复位信号(s9)、过流信号(s10)、模拟电流信号(s11)、高压端负载信号(s12)、控制反馈信号(s13)。

具体实施方式

如图1、图2所示：

本发明结构为：

驱动放大电路④和过流保护电路②的公共节点连接过流反馈电路①的输入端，过流反馈电路①的输出端连接逻辑控制电路⑧的过流反馈端；逻辑控制电路⑧的控制输出端连接低压控制电路⑤的控制输入端；逻辑控制电路⑧的复位控制端连接电流检测电路⑥的控制输入端，电流检测电路⑥的过流输出端连接驱动放大电路④的输入端，驱动放大电路④的输出端连接过流保护电路②的控制输入端；电流检测电路⑥的模拟量输出端连接逻辑控制电路⑧的模拟量输入端；控制反馈电路⑦的控制输出端连接逻辑控制电路⑧的控制反馈端。

电源⑩的供电端连接高压功率电路③的输入端，高压功率电路③的输出端连接电流检测电路⑥的检测输入端，电流检测电路⑥的检测输出端连接负载设备⑨的输入端，负载设备⑨的输出端接地；电源⑩的供电端连接过流保护电路②的输入端，过流保护电路②的输出端连接低压控制电路⑤的输入端，低压控制电路⑤的输出端接地；高压功率电路③的控制输入端连接过流保护电路②和低压控制电路⑤的公共节点；电流检测电路⑥和负载设备⑨的公共节点连接控制反馈电路⑦的输入端，控制反馈电路⑦的输出端接地。

逻辑控制电路⑧通过控制低压控制电路⑤中隔离光耦05的开通或者关断，控制高压功率电路③中mos管q1的开通或者关断。

在高压功率电路③中mos管q1开通后，电流检测电路⑥中检测芯片u4进行检测信息输入(信号(s8)、信号(s12))和状态输入(信号(s9))，控制信息输出(信号(s11))和状态输出(信号(s10))，信号(s10)经过驱动放大电路④输出信号(s2)分别给过流保护电路②和过流反馈电路①，信号(s2)控制过流保护电路②中隔离光耦04的开通或者关断，实现短路保护功能；信号(s2)控制过流反馈电路①输出信号(s1)到逻辑控制电路⑧中进行逻辑控制和判断。

高压功率电路③中mos管q1的信号(s8)依次经过电流检测电路⑥和控制反馈电路⑦之后，通过控制反馈电路⑦中隔离光耦06的开通或者关断，将信号(s13)反馈到逻辑控制电路⑧中进行逻辑控制和判断。

逻辑控制电路⑧可实时收到电流检测电路⑥中检测芯片u4输出的信号(s11)，进行高压功率电路③中mos管q1的工作信息。

具体原理图如图2所示：

过流反馈电路①包括电阻r13、电容c7和二极管d3；所述电阻r13的一端连接控制电源端，另一端连接所述信号(s1)端；所述电容c7的一端连接控制电源地，另一端连接信号(s1)端；所述二极管d3的正向端连接信号(s1)端，反向端连接信号(s2)端。

过流保护电路②包括电阻r14和隔离光耦04；所述电阻r14的一端连接信号(s2)端，另一端连接所述隔离光耦04的第二端点；所述隔离光耦04的第一端点连接控制电源端，第二端点连接所述电阻r14的一端，第三端点连接信号(s3)端和信号(s5)端，第四端点连接信号(s4)端。

高压功率电路③包括电阻r15、二极管zd3、电阻r66和mos管q1；所述电阻r15的一端连接信号(s3)端和信号(s5)端，另一端连接信号(s4)端；所述二极管zd3的正向端连接信号(s3)端和信号(s5)端，反向端连接信号(s4)端；所述电阻r66的一端连接信号(s3)端和信号(s5)端，另一端连接所述mos管q1的栅极；所述mos管q1的栅极连接电阻r66的一端，源极连接信号(s4)端，漏极连接信号(s8)端。

驱动放大电路④包括驱动芯片u3；所述驱动芯片u3的第一端点和第三端点连接控制电源地，第五端点连接控制电源端，第二端点连接信号(s10)端，第四端点连接信号(s2)端。

低压控制电路⑤包括电阻r17、电阻r16和隔离光耦05；所述电阻r17的一端连接信号(s6)端，另一端连接所述隔离光耦05的第二端点；所述电阻r16的一端连接所述隔离光耦05的第四端点，另一端连接信号(s3)端和信号(s5)端；所述隔离光耦05的第一端点连接控制电源端，第二端点连接所述电阻r17的一端，第三端点连接信号(s7)端，第四端点连接所述电阻r16的一端。

电流检测电路⑥包括电阻r21、电阻r19、电阻r20、电容c8、电容c9、电容c10、电容c11和检测芯片u4；所述电阻r21的一端连接控制电源端，另一端连接所述检测芯片u4的第十五端点；所述电阻r19的一端连接所述检测芯片u4的第十五端点，另一端连接控制电源地；所述电阻r20的一端连接信号(s10)端，另一端连接控制电源端；所述电容c8的一端连接控制电源地，另一端连接控制电源端；所述电容c9的一端连接信号(s10)端，另一端连接控制电源地；所述电容c10的一端连接所述检测芯片u4的第十一端点，另一端连接控制电源地；所述电容c11的一端连接所述检测芯片u4的第十端点，另一端连接控制电源地；所述检测芯片u4的第一、第二、第三、第四端点一起连接信号(s8)端，第五、第六、第七、第八端点一起连接信号(s12)端，第九端点连接控制电源地，第十端点连接所述电容c11的一端，第十一端点连接所述电容c10的一端，第十二端点连接信号(s11)端，第十三端点连接信号(s10)端，第十四端点连接控制电源端，第十五端点连接所述电阻r21的一端，第十六端点连接信号(s9)端。

控制反馈电路⑦包括电阻r22、电阻r24、电阻r23、电容c12、二极管zd4和隔离光耦06；电阻r22的一端连接信号(s13)端，另一端连接控制电源地；所述电阻r24的一端连接所述隔离光耦06的第一端点，另一端连接所述二极管zd4的正向端；所述电阻r23的一端连接二极管zd4的正向端，另一端连接信号(s12)端；所述电容c12的一端连接信号(s7)端，另一端连接所述二极管zd4的正向端；所述二极管zd4的一端连接信号(s7)端，另一端连接所述所述电容c12的一端；所述隔离光耦06的第一端点连接所述电阻r24的一端，第二端点连接信号(s7)端，第三端点连接信号(s13)端，第四端点连接控制电源端。本发明应用过程简要说明：

本例中，如图2所示，逻辑控制电路⑧将信号(s6)输出给低压控制电路⑤，低压控制电路⑤将信号(s6)通过隔离光耦05，输出信号(s5)，

其中信号(s5)的响应时间取决于隔离光耦05的传输延时t1(约为3微妙)和隔离光耦05中发光二极管的电流大小if，即

其中vdd为控制电源端电压，vd为二极管导通压降。

进一步地，低压控制电路⑤输出信号(s5)驱动高压功率电路③的mos管q1开通或关断，实现了隔离控制开通或关断，在输出信号过程中需要使用电源⑩的信号(s4)和信号(s7)；

其中高压功率电路③的mos管q1，其开通或者关断取决于mos管q1源极和栅极之间的压降vgs，即

其中vss为电源⑩的供电电压。

二极管zd3可将压降钳位在一定限值，防止压降过高；mos管q1的开通或者关断时间取决于电阻r66对cgs(mos管源极和栅极的结电容)充放电时间t2。

进一步地，高压功率电路③输出信号(s8)到电流检测电路⑥，在输出信号过程中需要使用电源⑩的信号(s4)；电流检测电路⑥将信号(s12)分别输出到负载设备⑨和控制反馈电路⑦；电流检测电路⑥通过检测芯片u4的电流采集和信号(s9)的状态控制，将信号(s10)分别输出到驱动放大电路④和逻辑控制电路⑧，实现了电流隔离采集和电流变化快速响应；

其中信号(s10)的响应时间取决于检测芯片u4的故障输出响应时间t3(约为1.9微妙)和故障输出的延迟时间t4，延迟时间取决于电容c9的大小，即

其中vdd控制端电源电压。

进一步地，电流检测电路⑥将信号(s11)输出到逻辑控制电路⑧，实现了模拟电流实时监控；驱动放大电路④将信号(s2)分别输出到过流反馈电路①和过流保护电路②；

其中信号(s2)的响应时间取决于驱动芯片u3的转换时间t5(约为0.01微妙)。

进一步地，过流保护电路②的隔离光耦04控制信号(s3)进一步控制高压功率电路③快速动作，实现了过流控制快速响应和隔离控制，在输出信号过程中需要使用电源⑩的信号(s4)。

其中信号(s3)的响应时间取决于取决于隔离光耦04的传输延时t6(约为3微妙)和隔离光耦04中发光二极管的电流大小if，即

其中vdd为控制电源端电压，vd为二极管导通压降。

综合上述，从高压功率电路③的mos管q1产生短路信号开始，到过流保护电路②将mos管q1快速关断的整个过程中，整体响应时间t7取决于t2、t3、t4、t5、t6和的大小，即

其中为隔离光耦04发光二极管的电流大小if所限制的时间。

进一步地，过流反馈电路①将信号(s1)输出到逻辑控制电路⑧，使用rdc延时恢复电路，可有效避免干扰信号的误动作；

其中信号(s1)的响应时间取决于电阻r13和二极管d3对电容c7的充放电时间，充电时间t8取决于电阻r13和电容c7的大小，放电时间t9取决于二极管d3和电容c7大小，即

其中vdd为控制电源端电压，v0为开始充电的电容电压，vt为t8时间点的电容电压。

由于放电回路中只有二极管d3，没有电阻限流，因此，放电时间t9接近于零。

进一步地，控制反馈电路⑦的隔离光耦06将信号(s13)输出到逻辑控制电路⑧，在输出信号过程中需要使用电源⑩的信号(s7)，实现了隔离控制和快速反馈。

其中信号(s13)的响应时间取决于取决于隔离光耦06的传输延时t6(约为3微妙)和隔离光耦06中发光二极管的电流大小if，即

vrd＝if*r24+vd(8)

其中为电流检测电路⑥输出信号(s12)端的电压(约为电源⑩的供电电压)，vd为二极管导通压降，vrd为电阻分压和二极管导通压降之和。

二极管zd4可将vrd钳位在一定限值，防止压降过高，当vrd大于二极管zd4的钳位值时，vrd取值为钳位值，当vrd小于或等于二极管zd4的钳位值时，vrd取值为电阻分压和二极管导通压降之和，即

其中为二极管zd4的钳位值。

进一步地，逻辑控制电路⑧收集输入信号包括：信号(s1)、信号(s11)和信号(s13)，进行逻辑控制和诊断之后，分别通过信号(s6)控制低压控制电路⑤和信号(s9)控制电流检测电路⑥，保证高压功率电路③中mos管q1的隔离控制、快速响应、电流实时监控和电路自恢复，使装置正常工作。

其中信号(s1)的响应处理使用逻辑控制电路⑧的中断控制机制，保证事件快速响应，信号(s9)的控制使电流检测电路⑥可以清除故障信息，保证故障消失后，电路可自恢复正常工作。

进一步地，在正常控制工作情况下，逻辑控制电路⑧通过信号(s6)控制低压控制电路⑤中隔离光耦05的开通或关断，保证两侧信号不会相互干扰，进一步控制高压功率电路③中mos管q1的开通或关断。当逻辑控制需要负载设备⑨输出时，信号(s6)为低电平，控制信号(s12)为高电压，负载设备⑨工作；负载设备⑨状态通过控制反馈电路⑦收到信号(s13)为高电平。反之，当逻辑控制不需要负载设备⑨输出时，信号(s6)为高电平，控制信号(s12)为低电压，负载设备⑨不工作；负载设备⑨的状态通过控制反馈电路⑦输出信号(s13)为低电平。

进一步地，在异常保护工作情况下，逻辑控制电路⑧通过信号(s6)控制低压控制电路⑤中隔离光耦05的开通，控制负载设备⑨工作之后，如果出现过流或者短路现象，电流检测电路⑥中的检测芯片u4在信号(s9)为高的情况下，输出信号(s10)为低电平，实现过流参数可调节和信号快速响应；

其中信号(s10)调节的电流检测阈值取决于检测芯片u4的第十五端点，设定第十五端点的输入电压voc可调节电流检测阈值ioc，即

其中vdd为控制电源端电压，voc取值在(0.25--0.4)*vdd，单位mv；ioc为电流检测阈值，单位a，sens为检测芯片u4的敏感系数，根据检测芯片u4的选择而定，本例取值85mv/a。

进一步地，信号(s10)经过驱动放大电路④之后输出信号(s2)为低电平，进一步控制过流保护电路②中隔离光耦04的开通，保证两侧信号不会相互干扰，信号(s3)进一步控制高压功率电路③快速关断，避免高压功率电路③中mos管q1损坏；信号(s2)进一步通过过流反馈电路①中rdc延时恢复出处理之后，将信号(s1)输出到逻辑控制电路⑧进行逻辑判断，控制隔离光耦05执行关断动作，负载设备⑨不工作，实现短路后保护高压功率电路③中mos管q1的功能；进一步负载设备⑨短路现象消失后，可自恢复正常工作状态。

进一步地，在实时监控工作情况下，逻辑控制电路⑧可实时收到电流检测电路⑥的信号(s11)和控制反馈电路⑦的信号(s13)，进行判断高压功率电路③中mos管q1的工作状态和工作信息。