一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路的制作方法

1.本实用新型涉及直流电源过压浪涌抑制技术领域，具体涉及一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路。


背景技术：

2.浪涌抑制器是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
3.现在市面上采用进口浪涌抑制芯片的硅场效应管才能在较小的体积下具备足够的浪涌抑制能力，但由于供货渠道单一，进口硅场效应管非常容易受国际形势的影响导致芯片断供。
4.而在同等条件下(28v 25a)，国产的硅场效应管无法满足浪涌抑制功能要求，在进行浪涌实验时，会导致硅场效应管的损坏。作为替代方法可用国产的碳化硅场效应管进行替代，但是现有的驱动电路难以驱动碳化硅场效应管使其保持正常工作状态，同时采用碳化硅场效应管会造成巨大的工作功耗和损耗。
5.现有技术的问题如下：
6.现有国产硅场效应管无法满足浪涌抑制功能的要求，在采用碳化硅场效应管对硅场效应管进行替换时，碳化硅场效应管对驱动电压要求高，现有的驱动电路难以驱动碳化硅场效应管且功率损耗大。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是现有的碳化硅场效应管对驱动电压的要求高，现有的驱动电路难以满足碳化硅场效应管的电压要求，目的在于提供一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路，解决现有的驱动电路难以驱动碳化硅场效应管且驱动电路功率损耗大的问题。
8.本实用新型通过下述技术方案实现：
9.一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路，包括
10.碳化硅场效应管，所述碳化硅场效应管安装于正极28v直流电源输电线上；
11.工作驱动电路，所述工作驱动电路与所述碳化硅场效应管相连，所述工作驱动电路设置有用于提升工作驱动电压的工作驱动电荷泵；
12.浪涌抑制驱动电路，所述浪涌抑制驱动电路与所述碳化硅场效应管相连，所述浪涌抑制驱动电路设置有用于提升浪涌抑制驱动电压的浪涌抑制驱动电荷泵；
13.驱动控制电路，所述驱动控制电路分别与所述工作驱动电路和所述浪涌抑制驱动电路相连。
14.在上述技术方案中，工作驱动电路通过工作驱动电荷泵将5v电压提升至52v以供于碳化硅场效应管在正常工作时的栅极驱动电压，工作驱动电路避免了“搭台阶”的方式，
实现了高于单个驱动芯片最大(41v)的输出电压；浪涌抑制驱动电路通过浪涌抑制驱动电荷泵将5v的电压提升到浪涌抑制时合适的电压以供于碳化硅场效应管在浪涌抑制时的栅极驱动电压。驱动控制电路同时向工作驱动电路和浪涌抑制驱动电路提供相反电平使能信号，保证在正常工作时由工作驱动电路提供栅极驱动电压，在浪涌抑制时由浪涌抑制驱动电路提供栅极驱动电压，分工协作，保证了碳化硅场效应管在不同状态下都具备足够的、相应的驱动电压，同时相较于现有的驱动电路，工作驱动电路、浪涌抑制驱动电路通过电荷泵提升输出电压所耗费的电路功率损耗有所减小。
15.进一步的，所述工作驱动电荷泵包括电感l1、二极管d1、电容c1、电容c2和工作驱动芯片u1；
16.所述工作驱动芯片u1的14引脚和15引脚均连接所述电感l1和二极管d1的并联节点，所述工作驱动芯片u1的13引脚连接所述二极管d1和所述电容c2的并联节点，所述电容c1的一端与所述工作驱动芯片u1的电压输入端连接，所述电容c1的另一端接地；
17.所述工作驱动芯片u1采用非隔离式dc-dc变换器。
18.进一步的，所述工作驱动电路还包括与所述工作驱动芯片u1的接口模块im电连接的r1和用于为所述工作驱动芯片u1提供反馈电压的反馈电路。所述反馈电路包括电阻r2、电阻r3、电容c3、电阻r4和可调电阻rx1；
19.其中，所述电阻r2和所述电容c3串联，所述电阻r4连接所述电阻r3和所述电容c3的并联节点，所述电阻r4和所述可调电阻rx1并联。
20.进一步的，所述浪涌抑制驱动电荷泵包括电感l2、二极管d3、电容c4和浪涌抑制驱动芯片u2；
21.其中，所述电感l2的一端连接所述浪涌抑制驱动芯片u2的电压输入端，所述电感l2的另一端连接所述二极管d3的正极，所述二极管d3的负极连接所述电容c4的一端，所述电容c4的另一端接地；
22.所述浪涌抑制驱动芯片u2采用非隔离式boost dc-dc变换器。
23.进一步的，驱动控制电路包括驱动控制芯片u3，所述驱动控制芯片u3包括与所述工作驱动芯片u1相连接的第一通道和与所述浪涌抑制驱动芯片u2相连接的第二通道，所述驱动控制芯片u3的1引脚为第一通道的输出端，所述驱动控制芯片的7引脚为第二通道的输出端。
24.进一步的，所述第一通道具有同相输入端和反相输入端，所述驱动控制芯片u3的2引脚为所述第一通道的反相输入端，所述驱动控制芯片u3的3引脚为第一通道的同相输入端；所述第二通道具有同相输入端和反相输入端，所述驱动控制芯片u3的6引脚为所述第二通道的反相输入端，所述驱动控制芯片u3的7引脚为第二通道的同相输入端。
25.进一步的，所述第一通道的反相输入端上设置有电阻r7和电阻r8，所述第一通道连接所述电阻r7和所述电阻r8的并联节点；所述第一通道的同相输入端上设置有电阻r11和电阻r12，所述第一通道的同相输入端连接所述电阻r11和所述电阻r12的并联节点；所述第二通道的同相输入端上设置有电阻r9和电阻r10，所述第二通道的同相输入端连接所述电阻r9和所述电阻r10的并联节点；所述第二通道的反相输入端上设置有电阻r13和电阻r14，所述第二通道的反相输入端连接所述电阻r13和所述电阻r14的并联节点。
26.进一步的，所述浪涌抑制电路还包括取样电路，所述取样电路分别与所述第一通
道的反相输入端和所述第二通道的同相输入端相连接。
27.进一步的，所述浪涌抑制电路还包括钳位电路，所述钳位电路分别与正极28v直流电源输电线、负极28v直连电源输电线以及取样电路相连接，所述钳位电路包括过压限制芯片u4。
28.进一步的，所述浪涌抑制电路还包括状态检测电路，所述状态检测电路分别与正极28v直流电源输电线、负极28v直连电源输电线相连接，所述状态检测电路包括状态检测芯片u5。
29.在以上技术方案中，在未产生浪涌时，工作驱动电路为碳化硅场效应管提供栅极驱动电压，确保产品在无浪涌时可以处于正常工作状态。其中工作驱动电路采用了工作驱动电荷泵以提升输出电压，为了保证满足驱动碳化硅场效应管的电压，在工作驱动电荷泵中的芯片采用了非隔离式dc-dc变换器。dc-dc变换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，非隔离式dc-dc变换器可以很好地提升电压。
30.设置电阻r1以及反馈电路可以控制在采用工作驱动电荷泵对电压进行升压的过程中的电压与电流，使其控制在一定范围内，以免超过了栅极的额定功率。
31.产生浪涌时，浪涌抑制驱动电路为碳化硅场效应管提供栅极驱动电压，确保对浪涌产生抑制效果。其中浪涌抑制驱动电路采用了浪涌抑制驱动电荷泵以提升输出电压，为保证满足驱动碳化硅场效应管所需的电压，在浪涌抑制驱动电荷泵中的芯片采用了非隔离式boost dc-dc变换器。
32.驱动控制电路通过将取样电路分别和第一通道的反相输入端和第二通道的同相输入端相连接来实现驱动控制电路对工作驱动电路和浪涌抑制驱动电路的反向控制，当工作驱动电路工作时浪涌抑制驱动电路处于待机状态，工作驱动电路处于待机状态时浪涌抑制驱动电路处于工作状态。
33.钳位电路与28v直流电源输电线和取样电路相连接，其中，钳位电路中的过压限制芯片u4实现对输出电路中电压的控制，将其控制在36v以下。
34.状态检测电路可以检测产品的工作状态，以便于对电路结构及时进行调整。
35.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
36.本实用新型采用外围电路和国产芯片通过工作驱动电路、浪涌抑制电路和驱动控制电路在28v和25a的条件下驱动碳化硅场效应管实现浪涌抑制功能从而实现了进口浪涌抑制芯片的功能，同时采用外围电路降低了驱动电路驱动碳化硅场效应管时的工作功耗和损耗。
附图说明
37.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
38.图1为本实用新型一实施例提供的浪涌抑制电路的结构示意图；
39.图2为本实用新型一实施例提供的工作驱动电路的结构示意图；
40.图3为本实用新型一实施例提供的浪涌抑制驱动电路的结构示意图；
41.图4为本实用新型一实施例提供的驱动控制电路的结构示意图。
具体实施方式
42.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
43.除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可以相应地改变。
44.在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
45.实施例1
46.本实施例1提供一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路，如图1所示，
47.一种基于碳化硅场效应管的浪涌抑制电路包括碳化硅场效应管、工作驱动电路、浪涌抑制驱动电路和驱动控制电路。
48.其中，碳化硅场效应管安装于正极28v直流电源输电线上，碳化硅场效应管具有源极和漏极，源极和漏极一个与正极28v直流电源输电线的输入正端相连，另一个与正极28v直流电源输电线的输出正端相连。
49.工作驱动电路与碳化硅场效应管的栅极相连，用于确保产品在无浪涌时可以处于正常工作状态。如图2所示，工作驱动电路包括工作驱动电荷泵。为了给碳化硅场效应管提供充足的栅极驱动电压，工作驱动电路设置有工作驱动电荷泵将5v的电压转化为50v电压，以确保碳化硅场效应管的导通。工作驱动电荷泵包括电感l1、二极管d1、电容c1、电容c2以及工作驱动芯片u1。
50.其中，二极管d1的正极与电感l1连接，二极管d1的负极与工作驱动芯片u1的13脚连接，电感l1连接二极管d1的一端还连接有工作驱动芯片u1的14脚和15脚，电容c1的一端与工作驱动芯片u1的电压输入端连接，电容c1的另一端接地，电容c2的一端与工作驱动芯片u1的13脚连接，电容c2的另一端接地。工作驱动电荷泵通过电容c1和电容c2来储存能量，当储存的能量达到50v时工作驱动芯片u1以软启动的形式控制电容c1和电容c2释放能量来获得所需的输出电压。
51.浪涌抑制驱动电路与碳化硅场效应管的栅极相连，用于确保在浪涌进入时维持碳化硅场效应管工作在线性区，进行浪涌抑制。如图3所示，浪涌抑制驱动电路包括浪涌抑制驱动电荷泵。为了给碳化硅效应管在抑制浪涌时提供足够的栅极驱动电压，浪涌抑制驱动电路设置有浪涌抑制驱动电荷泵可以将5v的电压转化至合适的电压，以维持碳化硅场效应管工作在线性区，以抑制浪涌。浪涌抑制驱动电荷泵包括电感l2、二极管d3、电容c4和浪涌抑制驱动芯片u2以实现电路的升压转换。其中，电感l2的一端连接浪涌抑制驱动芯片u2的
电压输入端，电感l2的另一端连接二极管d3的正极，二极管d3的负极连接电容c4的一端，电容c4的另一端接地；浪涌抑制驱动电荷泵通过电容c4来储存能量，当储存的能量达到相应的电压时，浪涌抑制驱动芯片u2以软启动的形式控制电容c4释放能量来获得所需的输出电压。
52.驱动控制电路分别与工作驱动电路和浪涌抑制驱动电路相连接，用于控制工作驱动电路和浪涌抑制驱动电路的工作状态。如图4所示，驱动控制电路包括驱动控制芯片u3，驱动控制芯片u3包括与工作驱动电路相连接的第一通道和与浪涌抑制驱动电路相连接的第二通道。驱动控制芯片u3的1引脚为第一通道的输出端，2引脚为第一通道的反相输入端，3引脚为第一通道的同相输入端。第一通道连接电阻r7和电阻r8的并联节点，第一通道的同相输入端连接电阻r11和电阻r12的并联节点；驱动控制芯片的7引脚为第二通道的输出端，6引脚为第二通道的反相输入端，7引脚为第二通道的同相输入端。第二通道的反相输入端连接电阻r13和电阻r14的并联节点，第二通道的同相输入端连接电阻r9和电阻r10的并联节点。
53.驱动控制芯片通过第一通道控制工作驱动芯片的工作，具体而言，第一通道具有同相输入端和反相输入端，在第一通道的同相输入端设置有电阻r11和电阻r12，在第一通道的反相输入端设置有电阻r7、电阻r8和取样电路；将取样电路的取样电压与第一通道的同相输入端的电压进行比较，输出为高电平时，则为无浪涌状态，工作驱动电路正常工作；输出为低电平时，则为浪涌状态，工作驱动电路进入待机状态。第二通道具有同相输入端和反相输入端，在第二通道的反相输入端设置有电阻r13和电阻r14，在第二通道的同相输入端设置有电阻r9、电阻r10和取样电路；将取样电路的取样电压与第二通道的反相输入端的电压进行比较，输出为高电平时，则为浪涌状态，浪涌抑制驱动电路正常工作；输出为低电平时，则为无浪涌状态，浪涌抑制驱动电路进入待机状态。通过驱动控制电路的电路结构，控制工作驱动电路和浪涌抑制驱动电路的工作状态，并使其处于反向状态以使产品在不同状态均可以正常工作。
54.在一种可选实施例中，采用工作驱动芯片u1进行升压转换的过程中，可能会导致输出电流和/或输出电压超过限制，故需要采用一定的电路结构对工作驱动电荷泵进行限制。将电阻r1与工作驱动芯片u1相连接，以对输出的电流进行限制，确保栅极电路不会超出其额定功率。采用电阻r2、电阻r3、电容c3、电阻r4和可调电阻rx1为工作驱动芯片u1提供反馈电压，从而对输出电压进行控制。其中具体的电路结构如图2所示，电阻r2和电阻r3并联，电阻r4和可调电阻rx1并联，电阻r3和电阻r4串联，在电阻r2和电阻r3之间设置有电容c3，通过反馈电路将输出电压控制在50v左右。通过控制3脚使能电平的高低可控制工作驱动芯片u1输出的关断。
55.在一种可选实施例中，采用浪涌抑制驱动芯片u2进行升压转换的过程中，也可能会导致输出电压超过限制，故需要采用一定的电路结构对工作驱动电荷泵进行限制。如图3所示，将电阻r6与可调电阻rx2并联再与电阻r5串联形成反馈电路从而为浪涌抑制驱动芯片u2提供反馈电压，将输出电压控制在一定的范围内。通过控制4脚使能电平的高低可控制浪涌抑制驱动芯片u2输出的关断。
56.在一种可选实施例中，进行浪涌抑制后会出现超过36v的尖峰，为此浪涌抑制电路还包括钳位电路，对浪涌抑制后的电压进行钳位，使其低于36v钳位电路采用过线限制芯片
u4，通过设置反馈电阻的阻值，控制最终的输出电压。
57.在一种可选实施例中，工作驱动电路芯片u1为一款非隔离式dc-dc变换器，具备输出限流功能，响应速度为50ns，输入工作电压范围为2.7v～5.5v，输出电压最大为70v，具备软启动功能，具有较低的开关频率。浪涌抑制驱动芯片u2为一款非隔离式boost dc-dc变换器，输入工作电压范围为2.7v～6v，输出电压最大为36v，具备软启动功能，具有较高的开关频率。驱动控制芯片u3为一款rail to rail双运放构成的比较器，输入工作电压范围为2v～36v，输出电压范围为-0.3v～36v，响应速度为6ns。过压限制芯片u4为一款三端可调的过压限制芯片，型号为me341，可以通过设置反馈电阻的阻值来控制最终的输出电压。以上芯片均采用国产芯片，本领域技术人员可以根据实际需要采用相应的国产芯片以实现相应功能，在此不做进一步限制。
58.本实用新型实施例的工作原理如下：
59.在正常工作时，取样电路将取样信号和参考信号进行比较，此时取样信号的电平低于参考信号的电平，驱动控制电路向工作驱动电路提供高电平信号，使其处于正常工作状态，同时驱动控制电路还向浪涌抑制驱动电路输出低电平信号，使其保持待机状态，控制碳化硅场效应管处于饱和工作状态，钳位电路也处于待机状态。此时输出电压为28v，状态监测电路输出为高电平，表示电源处于正常状态。
60.当出现浪涌时，取样电路将取样信号和参考信号进行比较，此时取样信号的电平高于参考信号电平，驱动控制电路向工作驱动电路提供低电平信号，使其处于待机工作状态，同时驱动控制电路向浪涌抑制驱动电路输出高电平信号，使其保持工作状态，控制碳化硅场效应管处于可变电阻区，碳化硅场效应管处于浪涌抑制状态，将80v/50ms的浪涌电压抑制在36v左右，再通过钳位电路将出现的高于36v的电平钳位至36v一下，此时状态检测电路输出为高电平，表示电源处于浪涌抑制或过压状态。
61.本实用新型实施例相对于现有技术而言器件均采用碳化硅场效应管以及国产芯片，不受国际形势的影响；同时对工作驱动电路进行了改进，使得在28v输入电压的情况下达到52v栅极驱动电压，可满足碳化硅场效应管实现浪涌抑制功能要求，即使工作在18v-30v的输入电源条件下，可保持浪涌抑制指标不变，甚至提高浪涌抑制指标；采用了外围电路也降低了驱动电路的工作功耗和损耗。
62.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。