一种MOSFET短路检测与保护的控制电路的制作方法

一种mosfet短路检测与保护的控制电路
技术领域
1.本发明涉及mosfet功率变换器，特别是一种mosfet短路检测与保护的控制电路。


背景技术：

2.由于mosfet的晶圆面积小，电流密度大且短路能力较弱，因此对电路保护要求更高；常规的大功率逆变器对mosfet保护策略是通过采集相电流和设定的阈值做比较、比较反馈的状态传输到控制单元模块，从而通过控制单元模块关断驱动mosfet来保护mosfet功率变换模块。常规的mosfet保护策略存在响应时间长，无法有效保护mosfet功率变换模块。同时，无法诊断出上、下mosfet直通失效故障。
3.同时，随着车载逆变器的对可靠性及安全性要求越来越高，相比常规的功率逆变器，mosfet功率变换模块提出更高的要求(例如：主供电电源出现非预期掉电，系统需要进入asc状态)。
4.综合以上两项mosfet功率变换模块的最新发展趋势，在mosfet功率功率变换模块应用中，如何设计一种mosfet短路检测与保护的控制电路，通过合理的控制，有效诊断及保护mosfet功率变换模块的故障，提升功率mosfet短路保护的技术问题势在必行。


技术实现要素：

5.针对现有技术中，常规mosfet保护策略无法诊断出上、下mosfet直通失效故障的问题，本发明提出了一种mosfet短路检测与保护的控制电路。
6.本发明的技术方案为，提出了一种mosfet短路检测与保护的控制电路，
7.包括主控制模块、与用电设备连接的mosfet功率变换模块、以及连接于所述主控制模块与mosfet功率变换模块之间的隔离驱动模块，还包括一与所述mosfet功率变换模块连接的短路检测模块、一与所述mosfet功率变换模块连接的短路保护模块、以及一供电模块，所述短路检测模块用于向所述mosfet功率变换模块中的mosfet管注入一恒定电流，并通过检测所述mosfet管的电气参数判断所述mosfet管是否短路，所述短路保护模块于所述mosfet管短路时关断所述mosfet管。
8.进一步，所述供电模块包括：
9.主供电模块，其用于给所述隔离驱动模块、短路检测模块、短路保护模块供电；
10.辅助供电模块，其用于给所述短路检测模块、短路保护模块供电。
11.进一步，所述短路检测模块包括：检测单元、电阻r1、电阻r2、二极管d1、电容c2；
12.所述电阻r1一端与所述检测单元的电压检测引脚连接、另一端连接到所述mosfet管的漏极，所述电阻r2一端与所述检测单元的电流输出引脚连接、另一端连接到所述二极管d1的正极，所述二极管d1的负极与所述mosfet的源极连接，所述mosfet的栅极接地，所述电容c2一端连接到所述检测单元与电阻r2之间、另一端接地。
13.进一步，所述电气参数为电压，当所述短路检测模块检测到所述mosfet管的电压高于阈值电压时，所述短路检测模块判定所述mosfet管短路失效；
14.所述阈值电压满足：
15.其中，v
desat_normal
为阈值电压、id为所述mosfet管流过的电流、v
f_d1
为所述二极管d1的正向压降、r
ds_on
为所述mosfet管的导通电阻。
16.进一步，所述短路检测模块进行检测的短路检测时间满足：
[0017][0018]
其中，t
d_thr
为短路检测时间,v
d_thr
为所述mosfet管短路时短路检测模块的检测电压、i
desat
为短路检测模块输入的恒定电流，id为所述mosfet管流过的电流、v
f_d1
为所述二极管d1的正向压降、r
ds_on
为所述mosfet管的导通电阻。
[0019]
进一步，所述主供电模块采用flyback电路、正激电路中的至少一种；
[0020]
所述辅助供电模块采用ldo电路、buck电路、flyback电路中的至少一种。
[0021]
进一步，所述mosfet功率变换模块采用三相全桥电路，其包括组成第一桥臂上桥臂的开关管s1、组成第一桥臂下桥臂的开关管s2、组成第二桥臂上桥臂的开关管s3、组成第四桥臂的下桥臂的开关管s4、组成第五桥臂上桥臂的开关管s5、组成第六桥臂下桥臂的开关管s6；
[0022]
当所述供电模块出现非预期掉电时，所述主控制模块控制所述开关管s1、开关管s3、开关管s5截止，并使所述开关管s2、开关管s4、开关管s6导通。
[0023]
进一步，所述三相全桥电路的两端分别与电源连接，在所述电源的正极与三相全桥电路之间设有开关sw1，在所述电源的负极与三相全桥电路之间设有开关sw2；
[0024]
当所述mosfet功率变换模块进入开路工作状态时，所述主控制模块控制所述开关sw1、开关sw2断开。
[0025]
进一步，还包括反馈模块，所述反馈模块与所述短路检测模块和短路保护模块连接，并用于反馈给所述主控制模块所述mosfet功率变换模块的短路状态信息。
[0026]
进一步，所述短路检测模块与短路保护模块连接于所述隔离驱动模块与所述mosfet功率变换模块之间，在所述隔离驱动模块与所述短路检测模块和短路保护模块之间还设有电平转换处理电路和反逻辑电路，所述电平转换处理电路和反逻辑电路用于将所述主控制模块的信号处理后传输给所述短路检测模块。
[0027]
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
[0028]
本发明使用少量的元器件，通过合理的控制，有效保护了mosfet功率变换模块，提升了系统的安全性及可靠性，当用于电机控制器上，在主供电电源非预期掉电时，能进入asc状态保护电路，避免出现反电势过高，导致功率变化模块电力失效的问题。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本发明的原理框图；
[0031]
图2为本发明短路检测模块的示意图；
[0032]
图3为本发明短路检测模块与短路保护模块电平波形时序示意图；
[0033]
图4为本发明辅助电源模块的示意图；
[0034]
图5为本发明asc状态示意图；
[0035]
图6为本发明主供电模块非预期掉电进入oc状态示意图；
[0036]
图7为本发明进入asc状态电平波形示意图；
[0037]
图8为本发明的mosfet短路检测与保护的控制电路的示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]
由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
[0040]
下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
[0041]
常规的mosfet保护策略存在响应时间长，无法有效保护mosfet功率变换模块，无法诊断出上、下mosfet直通失效故障。同时，随着车载逆变器对可靠性及安全性要求越来越高，相比常规的功率逆变器，mosfet功率变换模块提出更高的要求。本发明的思路在于，提出一种mosfet短路检测与保护的控制电路，通过向mosfet管注入一恒定电流，然后根据其电压判断mosfet管是否短路，并执行相应的短路保护动作，以提高系统的可靠性。
[0042]
请参见图1，本发明提出的控制电路，包括主控制模块、mosfet功率变换模块、隔离驱动模块、短路检测模块、短路保护模块和供电模块，其中，mosfet功率变换模块与用电设备连接，用于调节用电设备的输入功率，主控制模块用于控制mosfet功率变换模块，从而调节用电设备的输入功率，隔离驱动模块用于隔离主控制模块与mosfet功率变换模块。短路检测模块连接到隔离驱动模块与mosfet功率变换模块之间，用于向mosfet功率变换模块中mosfet管的漏极-源极注入一恒定电流，并检测mosfet管漏极-源极电压来判断mosfet管是否短路，短路保护模块根据短路检测模块的结果执行相应的保护动作。
[0043]
请参见图2，短路检测模块包括有：检测单元、电阻r1、电阻r2、二极管d1、电容c2；
[0044]
其电阻r1一端与检测单元的电压检测引脚连接、另一端连接到mosfet管的漏极，电阻r2一端与检测单元的电流输出引脚连接、另一端连接到二极管d1的正极，二极管d1的负极与mosfet的源极连接，mosfet的栅极接地，电容c2一端连接到检测单元与电阻r2之间、另一端接地。
[0045]
其中，开关管q1为待测的mosfet管，二极管d1为反短路检测二极管，其具有反向耐压高、反向恢复时间短和寄生电容小等特点，电阻r2作为短路检测限流电阻，电容c2为短路检测消隐电容。工作时，检测单元通过电流输入引脚向电阻r2输出一恒定电流(desat为去饱和过程，防止电流不足或电路短路对元器件的损坏)，该恒定电流依次经过电阻r2、二极管d1后传输到开关管q1(mosfet管)，由于mosfet管存在导通电阻，其会产生一感应电压，电阻r1连接到开关管q1的漏极，获取该感应电压，检测单元的电压检测引脚通过电阻r1获取
该感应电压，该感应电压作为检测电压用于判断mosfeet管是否发生短路故障。
[0046]
根据kvl原理，正常工作时的检测电压满足：
[0047][0048]
其中，v
desat_normal
为检测电压、id为所述mosfet管流过的电流、v
f_d1
为所述二极管d1的正向压降、r
ds_on
为所述mosfet管的导通电阻。
[0049]
当检测到的电压高于该检测电压时，表明mosfet发生短路故障，因此该正常工作下mosfet管的检测电压v
desat_normal
也作为阈值电压，用于判断mosfet管是否发生短路故障。
[0050]
请参见图3，vin为隔离驱动模块的输出电平，正常工作下，检测电压低于阈值电压v
desat_normal
，不会触发短路保护策略。
[0051]
当发生mosfet管短路失效故障时，流过mosfet管的电流急剧增加，而mosfet管的导通电阻r
ds_on
大小不变，根据欧姆定律，电压检测引脚获取的检测电压将会随电流的增大而增大，从而高于阈值电压v
desat_normal
，该情况下，短路检测模块判定mosfet管发生短路失效故障，短路保护模块执行相应的保护动作，关断该mosfet管，避免元器件损坏。其短路检测时间为：
[0052][0053]
其中，t
d_thr
为短路检测时间,v
d_thr
为mosfet管短路时短路检测模块的检测电压、i
desat
为短路检测模块输入的恒定电流，id为mosfet管流过的电流、v
f_d1
为所述二极管d1的正向压降、r
ds_on
为所述mosfet管的导通电阻。
[0054]
本发明通过上述控制策略，实现了最少元器件情况下对mosfet管的短路检测，以及短路保护，提高了系统整体的安全性和可靠性。
[0055]
进一步的，供电模块包括有主供电模块和辅助供电模块，其主供电模块用于给隔离驱动模块、短路检测模块、短路保护模块供电，其采用flyback电路、正激电路等隔离电源中的至少一种；辅助供电模块用于给短路检测模块、短路保护模块供电，其采用ldo(线性稳压源)电路、buck电路、flyback电路等拓扑架构电源中的至少一种。具体的，请参见图4，辅助供电模块包括有电池组battery，以及多个开关s1至sn，通过调节开关s1至sn的闭合状态可以调节电池组的输出电压，在电池组的输入端设有一降压模块，其用于进行降压处理，使辅助供电模块的输入电压匹配短路检测模块和短路保护模块。
[0056]
请参见图5，mosfet功率变换模块采用三相全桥电路，其包括组成第一桥臂上桥臂的开关管s1、组成第一桥臂下桥臂的开关管s2、组成第二桥臂上桥臂的开关管s3、组成第四桥臂的下桥臂的开关管s4、组成第五桥臂上桥臂的开关管s5、组成第六桥臂下桥臂的开关管s6。
[0057]
当电机驱动系统出现主供电模块非预期掉电的情况，系统不可控，主控制模块同时开关下桥臂的三个开关管(上桥臂的三个开关管关断，避免直通)，即控制开关管s1、开关管s3、开关管s5截止，开关管s2、开关管s4、开关管s6导通，该控制方式下，能避免电机运行在高效区，进而减少掉电问题的发生。
[0058]
请参见图6，在电源的正极与三相全桥电路之间设有开关sw1，在电源的负极与三相全桥电路之间设有开关sw2，电机控制器(motor)分别连接到三相全桥电路三个桥臂的中点，如果mosfet管进入开路工作状态，该情况下，电机产生的反电动势高于母线电压，经续
流二极管向高压电池整流回馈，形成闭合回路，这种不可控的被动整流会使得电机反电动势对挂在直流母线上的元器件(如：母线电容、mosfet功率变换模块)产生较大的危害冲击，整车系统或电机控制器系统出现故障影响到安全。为此，基于高压功能安全性考虑，主控制模块会在检测到mosfet管进入开路工作状态第一时间下断开开关sw1和开关sw2，禁止高压输出。请参见图7，系统通过进入asc状态，有效避免了掉电问题的发生。
[0059]
在本发明其他实施例中，mosfet功率变换模块还可以采用其它功率变换模块，如单管mosfet、半桥电路、全桥电路等，其均可以通过控制进入asc状态，只要符合本发明的控制思路，均应处于本发明的保护范围。
[0060]
请参见图1及图8，本发明在电路检测模块和短路保护模块与主控制模块之间还设有一反馈模块，其用于将mosfet功率变换模块的短路状态信息反馈给主控制模块，主控制模块可以执行相应的控制动作，并通过隔离驱动模块传输给短路保护模块执行。隔离驱动模块与短路保护模块和短路检测模块之间设有电平转换处理电路和反逻辑电路，其用于对主控制模块输出的信号进行相应处理，并传输给短路检测模块和短路保护模块，以执行相应的保护动作。
[0061]
其中，主控制模块可以为数字控制电路，如mcu/fpga/cpld等，其用于故障信号处理，并向mosfet功率变换模块发出相应的控制信号，该控制信号依次通过隔离驱动模块、短路检测模块和短路保护模块后传输到mosfet功率变换模块，使mosfet功率变换模块执行相应的动作，短路检测模块用于检测mosfet功率变换模块是否出现短路故障，并通过反馈模块将mosfet功率变换模块的短路状态信息反馈反馈给主控制模块，使主控制模块发出相应的控制信号给短路保护模块，短路保护模块执行相应的保护动作，以避免故障问题的进一步发生。其隔离驱动模块采用芯片ucc21222-x、短路检测模块和短路保护模块采用芯片ncv501a、反馈模块采用芯片iso7741x，反馈电路可以采用具有隔离效果的数字或光耦隔离电路。
[0062]
与现有技术相比，本发明使用少量的元器件，通过合理的控制，有效保护了mosfet功率变换模块，提升了系统的安全性及可靠性，当用于电机控制器上，在主供电电源非预期掉电时，能进入asc状态保护电路，避免出现反电势过高，导致功率变化模块电力失效的问题。
[0063]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。