用于半导体开关的过电流保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于半导体开关的过电流保护电路，尤其涉及应用在车辆电源系统中的用于半导体开关的过电流保护电路。


背景技术：

2.在正常工作的电路中，电流由电源的正极流经负载内部的电路，然后经过控制盒中的导通的半导体开关元器件流回到电源的负极，由此形成回路并且负载得电。而在例如负载内部发生短路的情况下，短路引起的过大电流会直接流经半导体开关元器件。如果半导体开关元器件没有过电流保护功能，则会烧毁半导体开关元器件，引起控制盒的电气损坏。
3.即使在半导体开关元器件具有过电流保护功能的情况下，如果短路持续较长时间，在没有短路后延时接通功能的情况下，则会发生“短路
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半导体开关元器件关断-电流降为0-短路保护解除-打开半导体开关元器件-短路-半导体开关元器件关断-电流降为0-短路保护解除-打开半导体开关元器件-短路”的循环。由于半导体开关元器件频繁地接通以及切断短路大电流，半导体开关元器件本身会由于开关损耗而积累大量的热量，导致电路热损毁。
4.另外，现有技术中的用于半导体开关的过电流保护电路通常仅设有一个阈值，在这种情况下，信号的波动将引起电路中的比较器的输出电压有小的脉冲，该小的脉冲是不期望的，因为这被看做是干扰信号。但是在只有一个阈值的情况下该干扰信号是不可避免的。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是，提供一种用于半导体开关的过电流保护电路，该过电流保护电路能够在电路中发生短路的情况下在可控制的时间内断开和接通半导体开关，由此减少半导体开关的发热，避免了半导体开关在持续短路状况下频繁地断开以及接通大的短路电流而遭损毁。
6.上述目的通过一种用于半导体开关的过电流保护电路实现，所述过电流保护电路包括：
7.检测模块，所述检测模块检测电路中流过半导体开关的电流并将其转变成第一信号；和
8.保护电路模块，所述保护电路模块从所述检测模块接收第一信号，
9.所述保护电路模块在从所述检测模块接收到的第一信号高于高门限阈值时能够在可控制的时间内控制断开对半导体开关；
10.所述保护电路模块在从所述检测模块接收到的第一信号低于低门限阈值时能够延迟地控制接通半导体开关，其中，所述低门限阈值小于所述高门限阈值。
11.该过电流保护电路能够在电路中发生短路的情况下延时地接通半导体开关，由此
实现对半导体开关的保护，防止其在持续短路的情况下频繁断开和接通带来的不利影响。通过设置双阈值，即高门限阈值和低门限阈值，能够避免电路中的干扰信号，使得输出电压稳定。
12.根据优选的设计方案，所述检测模块包括检测电阻和放大滤波电路，所述检测电阻检测在电路中流过半导体开关的电流，所述放大滤波电路放大检测电阻两端的电压并将其作为第一信号发送给所述保护电路模块。通过设置放大滤波电路可为后置电路提供一个大的信号，由此采用电阻值非常小的检测电阻就足够，电路中无需设置多个电阻，由此节省了结构空间并降低了功耗。
13.根据优选的设计方案，所述保护电路模块包括延时电路单元和双阈值比较器单元，所述延时电路单元使接收到的第一信号在可控制的时间内到达双阈值比较器单元，所述双阈值比较器单元提供高门限阈值和低门限阈值并将接收到的第一信号分别与高门限阈值和低门限阈值相比较，基于比较结果控制半导体开关的接通和断开。
14.根据优选的设计方案，所述延时电路单元包括电容器和第一电阻。所述电容器和第一电阻并联。通过不同的充电放电回路，能够简单地实现上述延时控制的功能。
15.根据优选的设计方案，所述双阈值比较器单元包括比较器和第二电阻，所述第二电阻的一端与所述比较器的输出端连接并且所述第二电阻的另一端与所述比较器的同相输入端连接。通过将第二电阻连接在比较器的同相输入端和输出端之间实现高门限阈值或低门限阈值。
16.根据优选的设计方案，所述双阈值比较器单元至少还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的一端与地连接并且另一端与比较器的同相输入端连接，所述第四电阻的一端与比较器的同相输入端连接并且另一端连接比较器电源，通过改变所述第二电阻、第三电阻或第四电阻的电阻值能调节所述高门限阈值和所述低门限阈值。由此能通过简单地设定相应电阻的电阻值实现高门限阈值和低门限阈值的调节。
17.根据优选的设计方案，所述延时电路单元还至少包括第五电阻，所述第五电阻连接在所述检测模块和电容器与第一电阻的并联电路之间，通过改变所述第五电阻和第一电阻的电阻值能调节接通所述半导体开关的延时时间和断开所述半导体开关的断开时间。
18.根据优选的设计方案，所述延时电路单元还包括第五电阻和第一二极管，所述第五电阻与第一二极管串联地设置在检测模块和并联的电容器和第一电阻之间。由此通过第一二极管确保电路中的电流经由第五电阻和第一二极管后为电容器充电，而电容器放电时，电流不能通过第一二极管回流，只能通过第一电阻放电。通过不同的充电放电回路，能够简单地实现上述延时控制的功能。
19.根据优选的设计方案，所述保护电路模块还包括第二二极管，所述第二二极管连接在所述半导体开关与比较器之间并且与比较器的输出端反向连接。由此当比较器的输出端输出低电平时，第二二极管导通，半导体开关断开。当比较器的输出端输出高电平时，第二二极管截止，半导体开关接通。
20.根据优选的设计方案，所述第五电阻的电阻值比所述第一电阻的电阻值更小、尤其小得多。由此过电流保护电路能够快速地进入保护状态、例如10-6
秒，而解除保护状态需要秒级，例如100秒，两者时间相差近百万倍。因此在过电流保护时，能够迅速地断开半导体开关。在半导体开关断开之后以更大的延时接通半导体开关。由此避免频繁导通短路电流，
防止过大的电流造成半导体开关的损毁。
附图说明
21.为了更好地理解本实用新型的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
22.图1示出了根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路的电路图。
23.图2a-2c示出了根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路中的双阈值比较器单元的比较器的工作原理。
24.图3a和图3c分别示出了现有技术中的单阈值比较器单元的电路图和工作原理。
25.图3b和图3d分别示出了根据本实用新型的双阈值比较器单元的电路图和工作原理。
具体实施方式
26.以下结合附图以具体实施例的方式对本实用新型的技术方案作进一步描述，但本实用新型并不限于这些实施例。这里所描述的仅仅是根据本实用新型的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本实用新型的其他方式，所述其他方式同样落入本实用新型的范围。
27.图1示例性地示出了根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路的电路图。图1示出了电源s，该电源例如为车辆中的蓄电池。该电源为负载b供电。在电路正常工作时，电流从电源s的正极流过负载b、半导体开关q2以及检测电阻r10并流回电源s的负极，由此形成回路。在该实施例中半导体开关q2是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，但是其他的半导体开关也是可能的，例如bjt、igbt 等。另外，在回路中也可设置其他的元器件，例如图1中在负载b和半导体开关q2之间设有二极管d5。
28.例如在负载内部电路发生短路的情况下，短路引起的过大电流会直接流经半导体开关，由此损坏电路中的各个元器件，因此需要用于半导体开关的过电流保护电路。
29.根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路包括检测模块和保护电路模块。检测模块检测电路中流过半导体开关的电流并将其转变成第一信号；保护电路模块从检测模块接收该第一信号并且基于接收到的第一信号控制半导体开关使其在可控制的时间内接通和断开。
30.在图1的实施例中，检测模块包括检测电阻r10和放大滤波电路80，检测模块检测电路中流过半导体开关q2的电流并将其转变成第一信号，例如可将检测电阻r10两端的电压作为第一信号。放大滤波电路80接收到作为第一信号的检测电阻r10两端的电压后，可将该电压放大数倍。放大滤波电路80的设置使得检测电阻r10可采用电阻值非常小的电阻。在本实用新型中，检测电阻r10例如可为0.05欧姆。如果仅设置电阻值非常小的检测电阻r10而没有放大滤波电路，则电阻值过小使得第一信号很容易受到干扰。而如果检测电阻r10采用大电阻值会带来的问题是，大电阻值的电阻功耗大；且阻值越大，电阻本身体积也越大。在根据本实用新型的过电流保护电路中，通过放大滤波电路就可为后置电路提供一个大的
信号，由此采用电阻值非常小的检测电阻r10就足够，电路中无需设置多个电阻，由此节省了结构空间并降低了功耗。
31.保护电路模块从检测模块接收第一信号，在此从放大滤波电路80 接收到经放大的电压。保护电路模块包括延时电路单元和双阈值比较器单元。延时电路单元使接收到的第一信号延迟地到达双阈值比较器单元，而双阈值比较器单元提供高门限阈值和低门限阈值并将接收到的第一信号分别与高门限阈值和低门限阈值相比较，基于比较结果控制半导体开关q2使其接通和断开。在图1的实施例中，延时电路单元包括电容器c2和第一电阻r11，电容器c2与第一电阻r11并联。双阈值比较器单元包括比较器u5和第二电阻r14，第二电阻r14的一端与比较器u5的输出端连接并且第二电阻r14的另一端与比较器u5的同相输入端连接。延时电路单元与比较器u5的反相输入端连接。
32.当检测电阻r10检测到流过半导体开关的电流过大，检测电阻r10 两端的电压作为第一信号经由放大滤波电路放大后发送给保护电路模块。保护电路模块中的延时电路单元接收到第一信号后，以该电压对电容器c2充电。在此，电容器c2的电容例如为1μf。由于电容器c2的电容非常小，因此只需要很短的时间即可将c2充电至双阈值比较器单元中的高门限阈值。在c2继续被充电超过该高门限阈值时，对双阈值比较器单元、确切地说对比较器u5输入高电平。比较器u5在接收到高电平之后，输出端out输出低电平给半导体开关，使得半导体开关q2 断开。在此半导体开关形成为mosfet，在这种情况下，比较器u5输出的低电平将mosfet的栅极拉为低电平，在此例如为0v，使得半导体开关q2关断，电路中的电流降为零，由此进入过电流保护状态。
33.此时电路中的电流为零。由于电容器c2已经充电，此时电容器c2 与第一电阻r11形成回路，电容器c2通过第一电阻r11放电。当电容器c2放电直至其电压小于双阈值比较器单元中的低门限阈值时，对双阈值比较器单元、确切地说对比较器u5输入低电平。比较器u5在接收到低电平之后，输出端out输出高电平给半导体开关，使得半导体开关 q2接通。在这种情况下，比较器u5输出的高电平将mosfet的栅极拉为高电平，从而接通半导体开关。
34.由于设置的延时电路单元，在检测电阻r10两端的电压高于高门限阈值或低于低门限阈值时，通过对电容器c2的充电和放电，使得能够在可控制的时间内断开和接通半导体开关，例如在检测电阻r10两端的电压高于高门限阈值时快速地断开半导体开关而在检测电阻r10两端的电压低于低门限阈值时延迟地接通半导体开关，由此避免了半导体开关频繁地导通，由此损坏半导体开关。
35.在根据本实用新型的过电流保护电路中，电容器c2的电容值很小，仅需要很短的时间即可将电容器c2充电至双阈值比较器单元中的高门限阈值。而与其并联的第一电阻r11的电阻值较大，例如电阻值为 1mohm。由此使得进入保护状态只需要10-6
秒，而解除保护状态需要秒级，例如100秒。两者时间相差近百万倍。因此在过电流保护时，能够迅速地断开半导体开关q2。在半导体开关q2断开、即电路中的电流为 0之后，基于较大电阻值的第一电阻r11，能够以更大的延时接通半导体开关q2。
36.此外，在该实施例中，延时电路单元还可包括第五电阻r12和第一二极管d4，第五电阻r12与第一二极管d4串联地设置在检测模块和并联的电容器c2和第一电阻r11之间。电路中的电流经由检测模块流向第五电阻r12和第一二极管d4，经由第五电阻r12和第一二极管d4 后为电容器c2充电。其中，第五电阻r12的电阻值较小，例如可为 50ohm。由此能够迅
速地断开半导体开关q2。第一二极管d4确保电流从第五电阻r12至电容器c2的电流导通，而阻断电容器c2放电回流至第五电阻r12。
37.在这种情况下，通过改变第一电阻r11和第五电阻r12的电阻值能调节接通半导体开关q2和的延时时间和断开半导体开关q2的断开时间。
38.在图1的实施例中，双阈值比较器单元至少还包括第三电阻r13和第四电阻r15，第三电阻r13的一端与地gnd连接并且另一端与比较器u5的同相输入端连接，第四电阻r15的一端与比较器u5的同相输入端连接并且另一端连接比较器电源vcc，通过设置第二电阻r12、第三电阻r13或第四电阻r15的电阻值能调节高门限阈值和低门限阈值。
39.通过设置第一电阻至第五电阻的电阻值能有效调节保护阈值以及保护速度和延时的时间长度，由此极大地提高了过电流保护电路的灵活性。
40.在图1中还可看出，保护电路模块还包括在比较器u5的输出端out 和半导体开关之间连接的第二二极管d6，第二二极管d6与比较器u5 的输出端out反向连接，由此当比较器u5的输出端out输出低电平时，第二二极管d6导通，mosfet的栅极被拉为低电平，半导体开关q2断开。当比较器u5的输出端out输出高电平时，第二二极管d6截止，mosfet的栅极被拉为高电平，半导体开关q2接通。
41.在图1示出的实施例中，还可为半导体开关q2额外地设置控制单元k，所述控制单元k用于在流过半导体开关q2的电流正常的情况下控制半导体开关q2。
42.图2示出了根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路中的双阈值比较器单元的比较器u5的工作原理。从图2a中可以看出，当比较器u5反相输入端输入高电平、例如图2a中输入的电压ui大于高门限阈值v
ih
时，比较器u5输出端out的输出uo从高电平转变为低电平、即图中从v
oh
转变为v
ol
(参见图2a中的沿箭头方向的曲线走向)。而当比较器u5反相输入端输入低电平、例如图2b中输入的电压ui小于低门限阈值v
il
时，比较器u5输出端out的输出uo从低电平转变为高电平、即图中从v
ol
转变为v
oh
(参见图2b中的沿箭头方向的曲线走向)。图2c中的曲线是将图2a和图2b的曲线结合在一起，在图2a和图2b中的曲线之间的阴影线表示，在阴影线的范围中比较器输出端将保持先前的输出不变，由此也可看出对比较器的迟滞控制。
43.图3a和图3c示出了现有技术中的单阈值比较器单元工作原理，从图3a和图3c中可以看出，比较器的输入vi直接接地，其为单阈值比较器，从图中可看出在此例如阈值、即临界电压为零。当比较器的输入vi为高电平时，输出vo为低电平-v
sat
，当比较器的输入vi为低电平时，输出vo为高电平+v
sat
。由于信号不可能是完全平滑的，而是波动的，当输入vi降为零时在零位上有小的波动，该小的波动在输出vo处引起很小的脉冲，而在该很小的脉冲之后，只有输入vi真正小于零时才紧接着有一个更宽的脉冲。而该很小的脉冲是不期望的，因此这被看做是干扰信号。但是由于只有一个阈值，该干扰信号是不可避免的。
44.图3b和3d示出了根据本实用新型的双阈值比较器单元的工作原理，从图3b和3d可以看出，通过电阻r2连接在比较器的同相输入端和输出端之间引起了图2中的高门限阈值或低门限阈值。从图3b中可以看出，杂波多次地来回穿越临界电压，即高门限阈值v
th
或低门限阈值v
ih
。在零位上的小波动引起的干扰信号处于高门限阈值与低门限阈值之间的范围内，由此在该范围中保持先前的输出不变，从而避免了现有技术中由零位上的小波动引起的干扰信号。由此，当输出状态发生改变时，只要干扰信号不超过高门限阈值或低门限阈值
的差δu，输出电压都会如图3b中一样是维持稳定的。
45.这种双阈值比较器单元可以加快比较器的响应速度。此外，由于双阈值比较器单元的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故双阈值比较器单元还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。
46.根据本实用新型的用于半导体开关的过电流保护电路能够在电路中发生短路的情况下在可控制的时间内断开和接通半导体开关，由此减少半导体开关发热，避免了半导体开关在持续短路状况下频繁地断开以及接通大的短路电流而遭损毁。此外，通过设置过电流保护电路中的电阻的电阻值能有效调节保护阈值以及保护速度和延时的时间长度，由此极大地提高了过电流保护电路的灵活性。另外，通过设置放大滤波电路，可为后置电路提供一个大的信号，由此采用电阻值非常小的检测电阻就足够，电路中无需设置多个电阻，由此节省了结构空间并降低了功耗。
47.此外，根据本实用新型的过电流保护电路能够快速地进入保护状态、例如10-6
秒，而解除保护状态需要秒级，例如100秒，两者时间相差近百万倍。因此在过电流保护时，能够迅速地断开半导体开关q2。在半导体开关q2断开之后以更大的延时接通半导体开关q2。由此避免频繁导通短路电流，防止过大的电流造成半导体开关的损毁。最后，通过设置双阈值，即高门限阈值和低门限阈值，能够避免电路中的干扰信号，使得输出电压稳定。
48.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改、补充或采用替代方式，但不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。