一种短路保护电路及电器设备的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种短路保护电路及电器设备。

背景技术：

功率开关器件(例如绝缘栅双极型晶体管，insulatedgatebipolartransistor，igbt)作为一种常用电子器件，在电源、家用电器和空调等产品中广泛应用，发挥着关键作用。在电力电子系统中，短路分为i类短路(桥臂内短路)和ii类短路(桥臂间短路)，其中i类短路主要是由硬件失效或软件失效导致同一桥臂的上下管直通，ii类短路是由相间短路或相对地短路等引起不同桥臂之间直通。在当前技术方案中，ii类短路一般是通过电流传感器监测电网电流进行过流保护。针对i类短路问题，一般利用退饱和机理，采用外围电路监测igbt的饱和压降vce(sat)，图1为现有技术中实现短路保护时采用的外围电路，该外围电路由消隐电容、高压二极管、电阻组成。该方案一般需要使用具有附件退饱和检测功能的集成驱动芯片，成本较高；同时，由于高压二极管存在相对高的结电容，在igbt每次开关时，该二极管产生的位移电流容易对其他电子器件产生干扰，引起短路保护误报，造成短路保护准确性的问题。

针对现有技术中功率开关器件短路保护的成本高、准确性低问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例中提供一种短路保护电路及电器设备，以解决现有技术中功率开关器件短路保护的成本高、准确性低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种短路保护电路，应用于功率开关器件，其中，该短路保护电路包括：

检测模块，其第一输入端连接所述功率开关器件的栅极，用于根据所述功率开关器件的通断控制自身是否通电，其第二输入端连接所述功率开关器件的漏极，用于检测所述功率开关器件是否短路，并在所述功率开关器件正常导通时，输出第一电压信号，在所述功率开关器件短路时，输出第二电压信号；

保护模块，其输入端连接所述检测模块，输出端连接所述功率开关器件的驱动芯片，用于在所述检测模块输出第二电压信号后，封锁所述驱动芯片的驱动信号，使所述功率开关器件关断。

进一步地，所述检测模块包括：

检测电容，其第一端连接所述保护模块的输入端，其第二端接地；

充电单元，其第一端连接所述功率开关器件的漏极，其第二端连接至所述检测电容与所述保护模块的输入端之间；所述充电单元中包括第一开关，用于通过自身通断控制所述充电单元是否为所述检测电容充电；

分压单元，其第一端连接至所述功率开关器件的栅极和驱动电阻之间，其第二端连接至所述第一开关的发射极，其第三端连接所述第一开关的基极，所述分压单元用于根据所述功率开关器件的栅极电压控制所述第一开关的通断。

进一步地，所述充电单元还包括：

第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端连接所述功率开关器件的漏极，第二端依次通过第一开关集电极、发射极连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接至所述检测电容与所述保护模块的输入端之间。

进一步地，所述分压单元包括：

第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端连接至所述功率开关器件的栅极和驱动电阻之间，第二端连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接至所述第一开关的发射极和所述第二电阻之间；所述第三电阻和所述第四电阻之间的线路连接所述第一开关的基极。

进一步地，所述检测模块还包括：

钳位元件，其第一端连接所述第一开关的发射极，另一端连接所述驱动芯片的高电平引脚。

进一步地，所述保护模块包括：

比较器，其第一输入端连接所述检测模块的输出端，其第二输入端输入基准电压，其输出端通过第五电阻连接第二开关的基极，所述比较器的第一输入端为所述保护模块的输入端；

所述第二开关，其集电极通过第六电阻连接外部电压，其发射极接地，所述第二开关的集电极和第六电阻之间的线路连接所述驱动芯片的高电平引脚。

进一步地，所述保护模块还包括：

第七电阻，其第一端连接所述第二开关的集电极，其第二端连接所述第二开关的基极，用于使所述第二开关的基极电压保持稳定。

进一步地，所述电路还包括：

基准电压源，其第一端连接所述驱动芯片的高电压平引脚，其第二端接地，其第三端连接所述比较器的第二输入端，所述基准电压源用于输出基准电压至所述比较器的第二输入端。

进一步地，所述基准电压源包括：

第八电阻和第九电阻，所述第八电阻的第一端连接所述驱动芯片的高电压平引脚，第二端连接所述第九电阻的第一端，所述第九电阻的第二端接地，所述第八电阻和所述第九电阻之间的线路连接所述比较器的第二输入端。

进一步地，所述电路还包括：

第三开关，其基极通过第十电阻连接至所述驱动芯片的输出引脚和驱动电阻之间，其发射极连接所述功率开关器件的栅极，其集电极接地。

本实用新型还提供一种电器设备，包括功率开关器件及驱动芯片，其特征在于，所述电器设备还包括上述短路保护电路。

进一步地，所述电器设备至少包括以下其中之一：

空调、洗衣机、冰箱、热水器、风扇、烘干机、空气净化器、净水器、纯水机。

应用本实用新型的技术方案，通过检测模块检测功率开关器件是否短路，在所述功率开关器件正常导通时，输出第一电压信号，在功率开关器件短路时，输出第二电压信号；保护模块，其输入端连接所述检测模块，输出端连接所述功率开关器件的驱动芯片，用于在所述检测模块输出第二电压后，封锁所述驱动芯片的驱动信号，使所述功率开关器件关断，本方案适用于普通驱动芯片，能够节约成本，同时，采用检测模块和保护模块结合，能够避免误触发，提高短路保护的准确性。

附图说明

图1图1为现有技术中实现短路保护时采用的外围电路；

图2为根据本实用新型实施例的短路保护电路的结构图；

图3为根据本实用新型另一实施例的短路保护电路的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本实用新型实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述开关，但这些开关不应限于这些术语。这些术语仅用来将设置在不同位置的开关区分开。例如，在不脱离本实用新型实施例范围的情况下，第一开关也可以被称为第二开关，类似地，第二开关也可以被称为第一开关。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本实用新型的可选实施例。

实施例1

本实施例提供一种短路保护电路，应用于功率开关器件，图2为根据本实用新型实施例的短路保护电路的结构图，其中，功率开关器件的驱动电路包括：驱动芯片u和驱动电阻rg，驱动芯片u包括信号输入引脚pwm，用于输入pwm信号，高电平引脚vcc、输出引脚vo以及低电平引脚vee，输出引脚vo连接功率开关器件(本实施例中以icbt为例)的栅极g，低电平引脚vee连接igbt的源极s，在pwm信号为高电平时，输出引脚vo与高电平引脚vcc导通，输出高电平信号，驱动igbt导通，在pwm信号为低电平时，输出引脚vo与低电平引脚vee导通，输出低电平信号，控制igbt关断。

如图2所示，该短路保护电路包括：检测模块1，检测模块1的第一输入端连接igbt的栅极g，用于根据igbt的通断控制自身是否通电，其第二输入端连接igbt的漏极d，用于检测igbt是否短路，在igbt正常导通时，输出第一电压信号，在igbt短路时，输出第二电压信号；

保护模块2，保护模块2的输入端连接检测模块1的输出端，保护模块2的输出端连接igbt的驱动芯片u的高电平引脚vcc，用于在检测模块1输出第二电压信号后，封锁驱动芯片u的驱动信号，使igbt关断。

在igbt处于关断状态下，检测模块1不通电，在igbt正常导通时，检测模块1通电，其检测到igbt的漏极d的电压最大值为igbt的饱和电压值，此时不触发保护电路2工作，驱动芯片u根据输入的pwm信号正常输出高平信号或者低电平信号，当igbt短路时，其漏极d电压会升高至高于igbt的饱和电压，检测模块1将测到电压igbt的电压高于igbt的饱和电压后，触发保护电路2工作，封锁驱动芯片u的驱动信号，使驱动芯片u始终输出低电平信号，进而控制igbt关断。

本实施例的短路保护电路，通过检测模块检测功率开关器件是否短路，在所述功率开关器件正常导通时，输出第一电压信号，在功率开关器件短路时，输出第二电压信号；保护模块，其输入端连接所述检测模块，输出端连接所述功率开关器件的驱动芯片，用于在所述检测模块输出第二电压后，封锁所述驱动芯片的驱动信号，使所述功率开关器件关断，本实施例适用于普通驱动芯片，能够节约成本，同时，采用检测模块和保护模块结合，能够避免误触发，提高短路保护的准确性。

实施例2

本实施例提供另一种短路保护电路，图3为根据本实用新型另一实施例的短路保护电路的结构图，为了实现igbt的故障检测，如图3所示，上述检测模块1包括：检测电容c1，检测电容c1的第一端连接保护模块2的输入端，检测电容c1的第二端接地；还包括用于为检测电容c1充电的充电单元11，充电单元11的第一端连接igbt的漏极d，充电单元11的第二端连接至检测电容c1与保护模块2的输入端之间；充电单元11中包括第一开关q1，第一开关q1用于通过自身通断控制充电单元是否为检测电容c1充电。

具体地，充电单元11中还包括：第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1的第一端连接igbt的漏极d，第一电阻r1的第二端依次通过第一开关集电极、发射极连接第二电阻r2的第一端，第二电阻r2的第二端连接至检测电容c1与保护模块2的输入端之间。

为了实现根据igbt的通断控制第一开关q1的导通状态，检测模块1中还包括分压单元12，分压单元12的第一端连接至igbt的栅极g和驱动电阻rg之间，其第二端连接至所述第一开关的发射极，其第三端连接第一开关的基极，分压单元12用于根据igbt的栅极g电压控制第一开关q1的通断。

在具体实施时，分压单元12中可以包括：第三电阻r3和第四电阻r4，第三电阻r3的第一端连接至igbt的栅极g和驱动电阻rg之间，第二端连接第四电阻r4的第一端，第四电阻r4的第二端连接至第一开关q1的发射极和第二电阻r2之间；第三电阻r3和第四电阻r4之间的线路连接第一开关q1的基极。在igbt导通时，栅极g电压较高，第三电阻r3和第四电阻r4之间输出高电压，驱动第一开关q1导通，进而使充电单元11导通，为检测电容c1充电，如果第一开关q1是正常导通状态，则电容c1的电压等于igbt的饱和电压后，将不再继续充电，如果第一开关q1是短路状态，则电容c1进一步被充电，检测模块1的输出电压进一步升高，触发保护模块2启动短路保护；在igbt关断时，栅极g电压较低，第三电阻r3和第四电阻r4之间输出低电压，控制第一开关q1关断，进而使充电单元11关断，停止为检测电容c1充电。

上述第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4还用于释放检测电容c1的电量，在igbt关断后，检测电容c1的第一端、第二电阻r2、第四电阻r4、第三电阻r3、驱动电阻rg、驱动芯片u的输出引脚vo、驱动芯片u的低电平引脚vee、检测电容c1的第二端形成回路，释放检测电容c1的电量。

由于igbt内部存在电容，导致igbt关断时，第一开关q1仍然继续导通一段时间，这时如果第一电阻r1的第一端电压较高，则会导致电容c1进一步被充电，检测模块1的输出电压进一步升高，错误地触发保护模块启动短路保护，为了避免上述情况发生，需要控制第一开关q1的发射极的电压，因此，上述检测模块1还包括：钳位元件d1，其第一端连接第一开关q1的发射极，另一端连接驱动芯片的高电平引脚vcc，在本实施例中，钳位元件d1为二极管，该二极管的阳极连接第一开关q1的发射极，阴极连接驱动芯片的高电平引脚vcc，通过二极管将第一开关q1的发射极的电压控制在一定值，避免在igbt关断后，误触发短路保护。在本实施例中，第一开关q1为npn型三极管。

为了实现在igbt短路后，触发短路保护，在igbt正常导通时，不触发短路保护，上述保护模块2包括：比较器a，比较器a的第一输入端+(同相输入端)连接检测模块1的输出端(即检测电容c1的第一端)，比较器a的第二输入端-(反相输入端)输入基准电压vref，比较器a的输出端通过第五电阻r5连接第二开关q2的基极，比较器a的第一输入端+为保护模块2的输入端；第二开关q2的集电极通过第六电阻r6连接外部电压v1，发射极接地；第二开关q2的集电极和第六电阻r6之间的线路连接驱动芯片u的高电平引脚vcc，第六电阻r6用于限流。为了为比较器a提供工作电压，比较器a的电源正极连接驱动芯片u的高电平引脚vcc，电源负接地，在本实施例中，第二开关q2为npn型三极管。

通过设置合适的分压电阻，使基准电压vref的值高于igbt的饱和电压，且低于igbt短路时检测模块1的输出电压。在igbt正常导通时，检测电容c1的第一端电压的最大值不会超过igbt的饱和电压，即比较器a的同相输入端的电压小于反相输入端输入的基准电压vref，比较器a输出低电压，第二开关q2不导通，驱动芯片u的高电平引脚vcc输入高电平信号，驱动芯片u按照输入的pwm信号控制igbt的通断；在igbt短路时，igbt的漏极电压升高，检测电容c1被继续充电，检测电容c1的第一端电压持续升高，比较器a的同相输入端超过比较器a的反相输入端输入的基准电压vref，比较器a输出高电压，第二开关q2导通，驱动芯片u的高电平引脚vcc接地，从而输入低电平信号，驱动芯片u的驱动信号被封锁，即无论输入的pwm信号是高电平还是低电平，驱动芯片u均输出低电平，从而控制igbt关断。

为了提供合适的基准电压vref，上述短路保护电路还包括：基准电压源3，基准电压源3的第一端连接驱动芯片u的高电压平引脚vcc，其第二端接地，其第三端连接比较器a的第二输入端-，基准电压源用于输出基准电压vref至比较器的第二输入端。具体地，基准电压源3包括：第八电阻r8和第九电阻r9，第八电阻r8的第一端连接驱动芯片u的高电压平引脚vcc，第二端连接第九电阻r9的第一端，第九电阻r9的第二端接地，第八电阻r8和第九电阻r9之间的线路连接比较器a的第二输入端。通过第八电阻r8和第九电阻r9，将高电压平引脚vcc输出的电压进行分压，获得基准电压vref，通过设计第八电阻r8和第九电阻r9的阻值，即可获得所需要的基准电压vref。

在实际应用过程中，比较器a的输出电压可能会产生波动，导致第二开关q2的基极电压升高，而误触发短路保护，为了避免上述情况发生，保护模块2还包括：第七电阻r7，第七电阻r7的第一端连接第二开关q2的集电极，第二端连接第二开关q2的基极，用于使第二开关的基极电压保持稳定，避免误触发。

根据上文所述，由于igbt内部存在电容，导致驱动芯片u输出低电平信号后，igbt不能及时关断，有可能会导致误触发短路保护，为了尽快释放igbt内部电容的电量，上述短路保护电路还包括：第三开关q3，第三开关q3的基极通过第十电阻r10连接至驱动芯片的输出引脚vo和驱动电阻rg之间，发射极连接igbt的栅极g，集电极接地。第三开关q3在驱动芯片u输出低电平信号后导通，释放igbt栅极和源极之间的电容的电量，避免误触发短路保护。在本实施例中，第三开关q3为pnp型三极管，同时，检测电容c1的第一端、第二电阻r2、第四电阻r4、第三电阻r3、第三开关q3、驱动芯片u的低电平引脚vee、检测电容c1的第二端也形成回路，释放检测电容c1的电量。

实施例3

本实施例提供另一种短路保护电路，本实施例的短路保护电路的结构如上文中提及的图3中所示，该短路保护电路主要包括检测模块1和保护模块2和基准电压源3三部分，其中，检测模块包括检测电容c1、第一电阻r1、第一开关q1、第二电阻r2，钳位二极管d1、第三电阻、第四电阻；保护模块包括运放比较器a、第二开关q2、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7；基准电压源3包括第八电阻r8和第电阻r9。

驱动电路包括驱动芯片u、驱动电阻rg，驱动芯片u为普通的驱动ic。

当驱动电路正常运作时，在驱动芯片u输入的pwm脉冲的激励下，驱动芯片u的输出引脚可同步输出驱动信号。正常情况下，驱动信号分为高电平、低电平两种状态：当驱动信号为高电平时，输出电流流经驱动电阻rg给igbt内部电容充电，igbt开始慢慢导通，漏极d和源极s之间的电压vds电压不断降低。同时随着igbt的栅极g电位的升高，在第三电阻r3、第四电阻r4的分压作用下，可使第一开关q1的基极、发射极间的pn结正偏导通，基极和发射极间存在电流流过，经由电阻第二电阻r2给检测电容c1充电直至达到igbt的饱和压降vce(sat)。当驱动信号为低电平时，第一开关q1的基极电位无法维持pn结导通，此时第一开关q1的集电极和发射极间断开，电流不能流过。同时，第三开关q3的基极发射极正偏导通，集电极和发射极间可流过电流，一方面可供igbt的内部电容放电，另一方面，检测电容c1可经过第二电阻r2、第四电阻r4、第三电阻r3、第三开关q3进行放电至零电位。

第八电阻r7和第九电阻r9可在电压vcc上电时，提供基准电压vref(基准电压vref的值需结合igbt的自身特性计算，一般为6.5v)，正常情况下基准电压vref>第一电容两端电压vc1，此时比较器a输出低电压(供电电源负，采用单电源供电时，该电压为0)。当igbt发生短路情况时，漏极电压会开始上升，使得检测电容c1被进一步充电，当检测电容c1两端电压vc1>基准电压vref时，比较器a输出高电压(供电电源正)，经第五电阻r5使第二开关q2的基极和发射极导通，此时第二开关q1的集电极-发射极间饱和导通，集电极电位被钳位至三极管的饱和压降(约0.3～0.6v)，驱动芯片u此刻断电不工作，第七电阻r7用于设置三极管的工作点，第六电阻r6用于限流，第七电阻r7和第六电阻r6的阻值可根据实际需要进行选择。

本实施例提供了一种结构简单、成本低廉的新型igbt短路保护电路，避免了传统igbt短路电路因高压二极管引起短路保护误触发的风险。

实施例4

本实施例体提供一种电器设备，包括igbt及驱动芯片，还包括上述实施例中短路保护电路，用于提升igbt的短路保护准确性，进而提升整个电器设备的可靠性。在本实施例中，上述电器设备至少包括以下其中之一：空调、洗衣机、冰箱、热水器、风扇、烘干机、空气净化器、净水器、纯水机。

以上所描述的电路实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。