CN112134262B - 用于功率器件的保护电路和电路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于功率器件的保护电路和一种电路保护方法，所述保护电路包括：电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路；当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发；当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件。

Description

用于功率器件的保护电路和电路保护方法

技术领域

本发明涉及一种用于功率器件的保护电路和一种电路保护方法。

背景技术

功率器件(例如功率半导体器件)已大量应用在电力电子控制领域，它以其可控性及高速开关特性可实现电源的高效及电机的复杂控制。在实际应用中不仅要保证***的可靠性，同时也要能够保护价格昂贵的功率器件及其负载，这就要求控制***必须具备一些保护措施，其中过电流故障因产生时间短、能量高及破坏性大，所以对其保护电路的设计要求就非常高。

为此需要设计一种响应速度快、具有成本效益的用于功率器件的保护电路。

发明内容

本发明针对上文提到的问题和需求，提出一种用于功率器件的保护电路和一种电路保护方法，其由于采取了如下技术方案而能够解决上述技术问题，并具有其他技术优势。

根据本发明的一个方面，提出一种用于功率器件的保护电路，包括：电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路。电压输入端配置为将与负载电压相关的输入电压输入到所述保护电路；比较电压输入端配置为将预设电压输入到所述保护电路；功率器件控制电路与外设的功率器件电连接以控制所述功率器件的开启和关闭；比较电路的第一输入端与电压输入端电连接，比较电路的第二输入端与比较电压输入端电连接，比较电路的输出端与自锁电路电连接；解锁信号源与自锁电路电连接，功率器件控制电路与自锁电路电连接。

当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发。当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件。

通过上述特征，本发明提出的保护电路采用纯硬件电路实现过电流后对过流状态进行锁定，触发功率器件控制电路以对功率器件进行保护，能有效地保护功率器件免受过电流的损坏。此外，在发生过电流故障后，电路由于自锁功能，在自锁时间内关断功率器件，直至给出解锁信号，不会在发生故障时多次开关功率器件，保护了功率器件。

在一些示例中，所述保护电路还包括控制器，所述控制器包括第一控制端口，所述第一控制端口为所述解锁信号源。

在一些示例中，所述控制器还包括电连接至比较电路的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述比较电路的第一电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

通过上述特征，采用控制器作为解锁信号源，在一些传导或一些电磁干扰等情况下产生的非真实过电流，可利用控制器对过电流次数判断进行故障恢复，***可以再次正常工作。

在一些示例中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

通过上述特征，在电路发生故障而导致过电流的情况时，可利用控制器对过电流次数判断进行故障判断，若故障一直存在未被排除，则及时指示电路出现故障，保护功率器件。

在一些示例中，所述比较电路包括比较器U2和电阻R9，电阻R9的一端与比较器U2的输出端电连接，另一端与比较器U2的正向输入端电连接，比较电压输入端与比较器U2的正向输入端电连接，电压输入端与比较器U2的负向输入端电连接，第二控制端口与比较器U2的输出端电连接。

在一些示例中，所述自锁电路包括三极管Q1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路电连接。

在一些示例中，所述保护电路还包括三极管Q2和二极管D1，三极管Q2的基极与第一控制端口电连接，三极管Q2的发射极与三极管Q1的集电极电连接，三极管Q2的集电极与二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

在一些示例中，所述自锁电路包括三极管Q1和二极管D1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与第一控制端口电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路和二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

在一些示例中，所述自锁电路包括三极管Q1和二极管D1，所述电压输入端包括输入电压源和电阻R6，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路和二极管D1的正极电连接，电阻R6的一端与输入电压源和二极管D1的负极电连接，电阻R6的另一端与比较器U2的负向输入端电连接，第一控制端口与比较器U2的负向输入端电连接。

在一些示例中，所述三极管Q1为PNP三极管，所述第一电平为低电平，所述第二电平为高电平。

在一些示例中，所述保护电路还包括电平转化电路，所述电平转化电路具有输入端和输出端，所述电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，所述输入端与比较电路的输出端电连接，其中，所述控制器还包括电连接至所述电平转化电路的输出端的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述翻转电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

在一些示例中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

在一些示例中，所述比较电路包括比较器U2，比较电压输入端与比较器U2的负向输入端电连接，电压输入端与比较器U2的正向输入端电连接，并且其中，所述自锁电路包括二极管D2，二极管D2的正极与比较器U2的输出端电连接，二极管D2的负极与电压输入端和比较器U2的正向输入端电连接。

在一些示例中，所述电平转化电路包括三极管Q1、电阻R9、电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端与比较器U2的输出端电连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端和三极管Q1的基极电连接，三极管Q1的发射极与电阻R14的另一端和地线电连接，三极管Q1的集电极与电阻R9的一端电连接，电阻R9的另一端与直流电压源电连接，第一控制端口与比较器U2的正向输入端电连接，第二控制端口与三极管Q1的集电极电连接。

在一些示例中，所述三极管Q1为NPN三极管，所述第一电平为高电平，所述第二电平为低电平。

在一些示例中，比较电压输入端包括直流电压源和分压电路，所述分压电路包括电阻R7、电阻R8和电容C6，所述直流电压源与电阻R7的一端电连接，电阻R7的另一端通过电阻R8与地线电连接，电阻R8与电容C6并联，所述电阻R7的另一端与比较电路的第二输入端电连接。

在一些示例中，所述功率器件控制电路包括场效应管、电阻R11和电阻R12，电阻R11的一端与所述自锁电路电连接，电阻R11的另一端与场效应管的栅极电连接，所述场效应管的源极与地线电连接，所述场效应管的漏极与功率器件电连接。

在一些示例中，所述场效应管为MOS场效应管。

在一些示例中，所述功率器件控制电路包括所述控制器，所述控制器包括第三控制端口，所述第三控制端口与功率器件电连接，并且所述第三控制端口配置为当所述制动引脚被触发时，输出电平信号关闭所述功率器件。

在一些示例中，所述保护电路还包括采样电路，配置为采样负载的电流信号并转换成电压信号。

在一些示例中，所述保护电路还包括放大电路，配置为将所述采样电路的电压信号放大并输出至电压输入端。

根据本发明的另一方面，提供一种电路保护方法，所述电路包括电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路，所述方法包括比较比较电压输入端的预设电压和电压输入端的输入电压，当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发。当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件。

在一些示例中，所述方法还包括通过控制器的第一控制端口作为解锁信号源发出所述解锁信号。

在一些示例中，所述控制器还包括电连接至比较电路的第二控制端口，通过所述第二控制端口接收所述比较电路的第一电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

在一些示例中，所述保护电路还包括电平转化电路，所述电平转化电路具有输入端和输出端，所述电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，所述输入端与比较电路的输出端电连接，其中，所述控制器还包括电连接至所述电平转化电路的输出端的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述翻转电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

在一些示例中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

综上所述，本发明提出的用于功率器件的保护电路和电路保护方法，采用纯硬件电路实现过电流后对过流状态进行锁定，触发功率器件控制电路以对功率器件进行保护，能有效地保护功率器件免受过电流的损坏。此外，在发生过电流故障后，电路由于自锁功能，在自锁时间内关断功率器件，直至给出解锁信号，不会在发生故障时多次开关功率器件，保护功率器件。该保护电路响应速度快、具有成本效益。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1是根据本发明的至少一实施例的保护电路的框图；

图2是根据本发明又一实施例的保护电路的框图；

图3是根据本发明的保护电路的第一实施例的结构示意图；

图4是根据本发明的保护电路的第二实施例的结构示意图；

图5是根据本发明的保护电路的第三实施例的结构示意图；

图6是根据本发明的保护电路的第四实施例的结构示意图；

图7是根据本发明的至少一实施例的电路保护方法的流程图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“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，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或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能相应地改变。

电流保护电路需要对电路中负载的电流进行采样并输出至比较电路。在电路中对电流的采样一般分为间接采样或直接采样，间接采样一般都会用到专用的电流传感器，虽然其精度高抗干扰能力强，但价格比较昂贵。

因此，常用的方法是直接采样，在电流回路中串入电阻，将电流信号转换成电压信号。通过差分放大电路对转换后的电压信号进行放大，放大后的电压信号送入比较器进行比较，判断是否产生过电流故障。

因为大多功率半导体器件过电流承受能力仅几微秒，所以比较器后级执行电路必须能在几微秒内关闭功率器件以达到保护功率器件及负载的作用。如果让比较器的输出触发MCU的中断，由软件执行关闭功率器件的动作，从MCU响应到输出执行所花费的时间会大于功率器件所能承受过电流的时间，往往是软件还没来得及处理，功率器件已经损坏。

所以为了满足能够快速响应，执行电路通常要由硬件电路来完成。硬件电路虽然响应速度快，但当发生过电流时关闭功率器件，此时电流就会下降，当低于过电流保护比较阈值后，比较器输出将复位，功率器件会再次打开。此时如果过电流故障依然存在，比较器输出将会再次翻转进入过电流状态。如此往复，功率器件及负载将不断地承受过电流冲击，损坏的几率同样很大。

常规做法是在比较器的输出端接单稳态触发器(单芯片或分立器件搭建的单稳态触发器)，利用比较器输出的跳变沿使单稳态触发器输出一个较长时间的电平信号，再通过后级电路关闭功率器件，同时可以通过软件对过电流状态进行检测并在单稳态结束后能够持续关闭功率器件。但是单稳态触发器价格昂贵，不合适在成本敏感的项目中使用。

针对以上问题和需求，提出了本公开的用于功率器件的保护电路和一种电路保护方法。

下面结合附图具体说明根据本公开内容的用于功率器件的保护电路的优选实施方式。图1是根据本发明的至少一实施例的保护电路的框图。图2是根据本发明又一实施例的保护电路的框图。图3是根据本发明第一实施例的保护电路的结构示意图。图4是根据本发明第二实施例的保护电路的结构示意图。图5是根据本发明第三实施例的保护电路的结构示意图。图6是根据本发明第四实施例的保护电路的结构示意图。

首先，参考图1，本公开至少一实施例提供的保护电路，包括电压输入端1、比较电压输入端2、比较电路3、自锁电路4、解锁信号源5以及功率器件控制电路6。

电压输入端1配置为将与负载电压相关的输入电压输入到保护电路，例如，电压输入端1与比较电路3的第一输入端电连接。

比较电压输入端2配置为将预设电压输入到保护电路。例如，比较电压输入端2与比较电路3的第二输入端电连接。

比较电路的示例包括比较器，其具有正向输入端和负向输入端，以及比较器的输出端。在本文的描述中，第一输入端可以指的是正向输入端和负向输入端的其中一个，而相应地，第二输入端可以指的是正向输入端和负向输入端的其中另一个。对于正向输入端和负向输入端的选择可以根据实际的电路结构而进行选择，本公开并不以此为限。

需要说明的是，本文所述的“第一电平”和“第二电平”分别指的是高电平和低电平之一。在本发明中，比较电路的主要作用在于比较预设电压与输入电压，进而产生电平翻转信号。例如，正常工作时，输入电压小于等于预设电压，比较电路输出第二电平，而当出现过电流故障时，输入电压增大至大于预设电压，比较电路输出端的电平翻转，从第二电平变为第一电平。

功率器件控制电路6与外设的功率器件电连接以控制功率器件的开启和关闭。例如，功率器件可以组成桥式逆变电路，其上下桥的开关状态由施加在控制极的电压信号所决定。因此，功率器件控制电路6可以连接至桥式逆变电路上下桥的控制极，以控制功率器件的开启和关闭。

自锁电路4与比较电路3的输出端电连接，以接收比较电路3的比较结果而进行电路自锁。解锁信号源5与自锁电路3电连接，功率器件控制电路6与自锁电路电连接。

当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发。

当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件。

根据本公开的又一实施例，保护电路还可以包括控制器7，控制器7包括第一控制端口71和第二控制端口72。第一控制端口71为如前所述的解锁信号源5。第二控制端口72电连接至比较电路3。

第二控制端口72配置为接收比较电路3的第一电平以触发控制器7中的制动引脚，控制器7计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器7的第一控制端口71发出解锁信号，使得比较电路3输出第二电平。

进一步地，在接收控制器7的第一控制端口71发出解锁信号后，比较电路3继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器7的计数大于预设计数时，控制器7停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

因此，采用控制器作为解锁信号源，并且该保护电路可以区分过电流状态是否真实发生，具有鲁棒性。在一些传导或一些电磁干扰等情况下产生的非真实过电流，可利用控制器对过电流次数判断进行故障恢复，***可以再次正常工作。在电路发生故障而导致过电流的情况时，可利用控制器对过电流次数判断进行故障判断，若故障一直存在未被排除，则及时指示电路出现故障，保护功率器件。

示例性地，控制器可以是微控制单元(Micro Controller Unit,MCU)、单片机、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器等本领域常见的具有数据接收和处理能力的控制器。在本文所示实施例中，控制器采用MCU。

此外，本发明实施例的保护电路还可以包括其他必要的***电路。例如，比较电压输入端包括直流电压源和分压电路，分压电路包括电阻R7、电阻R8和电容C6，直流电压源与电阻R7的一端电连接，电阻R7的另一端通过电阻R8与地线电连接，电阻R8与电容C6并联，电阻R7的另一端与比较电路的第二输入端电连接。将电阻R8上的分压作为预设电压。

例如，如图2所示，保护电路还可以包括级联的采样电路8和放大电路9，采样电路8配置为采样负载的电流信号并转换成电压信号，放大电路9配置为将采样电路8的电压信号放大并输出至电压输入端1。

下面将结合图3至图6描述本发明的保护电路的四个示例性实施例。

图3是根据本发明的保护电路的第一实施例的结构示意图。

如图3所示，保护电路包括采样电路8、放大电路9、比较电路3、自锁电路4、功率器件控制电路6和控制器7。

采样电路8可以采用分流器电阻R0采集负载电路中的电流，并作为电阻R0两端的电压接入放大电路9。

放大电路9可以具有多种构造，本发明仅示例性地示出其中一种可能的构造。放大电路包括电阻R1至R5、电容C1至C4、运算放大器U1。电阻R1的一端与电阻R0的一端电连接，电阻R2的一端与电阻R0的另一端电连接，电阻R1的另一端与运算放大器U1的正向输入端(标号为1)电连接，电阻R2的另一端与运算放大器U1的负向输入端(标号为3)。运算放大器U1由电源VCC供电，输出端(标号为4)与电阻R5电连接。反馈电阻R4一端连接到运算放大器U1的输出端，另一端连接到运算放大器U1的负向输入端。电阻R4并联有电容C3。

电容C1与电阻R3串联并接入参考电压VREF，电容C2与电阻R3并联，电阻C1的两端分别连接到运算放大器U1的正向输入端和负向输入端，电容C4两端分别接地和连接电源VCC，电阻R5的一端连接到运算放大器U1的输出端，另一端通过电容C5接地。

比较电路3包括比较器U2和电阻R9，电阻R9的一端与比较器U2的输出端电连接，另一端与比较器U2的正向输入端电连接，比较电压输入端2与比较器U2的正向输入端电连接，电压输入端1与比较器U2的负向输入端电连接，第二控制端口72与比较器U2的输出端电连接。

经过放大电路9放大后的电压信号提供到电阻R6的一端，经过电阻R6，电阻R6的另一端作为电压输入端1，且电阻R6另一端连接到比较电路的比较器U2的负向输入端。

比较电压输入端2包括直流电压源和分压电路，分压电路包括电阻R7、电阻R8和电容C6，直流电压源与电阻R7的一端电连接，电阻R7的另一端通过电阻R8与地线电连接(接地)，电阻R8与电容C6并联，电阻R7的另一端与比较电路的正向输入端电连接。

比较电路3还可以包括上拉电阻R10，其一端连接至电源VCC，另一端连接至比较器U2的输出端。

自锁电路4可以包括三极管Q1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路电连接。

保护电路还包括三极管Q2和二极管D1，三极管Q2的基极与第一控制端口电连接，三极管Q2的发射极与三极管Q1的集电极电连接，三极管Q2的集电极与二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

在本实施例中，三极管Q1为PNP三极管，第一电平为低电平，第二电平为高电平。

下面结合图3描述保护电路的工作原理。

当电流流经电阻R0时，在电阻R0两端产生电压，该电压通过放大电路9对R0两端的电压信号进行差分放大。采用差分放大的优点在于抗噪音干扰能力强。可选地，也可以使用同相输入比例放大电路替代。

经由放大电路9放大后的电压信号送入比较器U2的负向输入端与正向输入端的预设电压进行比较。当输入电压大于预设电压时，比较器U2的输出端将由高电平翻转为低电平。

PNP三极管Q1的基极与比较器U2的输出端相连，所以当比较器U2输出为低电平时Q1导通。同时，PNP三极管Q2的基极连接至MCU的第一控制端口71，***上电后第一控制端口71保持低电平，三极管Q2一直处于导通状态。

因此，VCC将通过Q1、Q2、D1加在比较器的负向输入端，使负向输入端电压一直维持在大于预设电压，比较器U2的输出端将一直维持低电平状态，即使后级的功率器件控制电路关闭功率器件，电流消失，比较器U2的输出端仍会保持低电平状态，这样就实现了自锁功能。在解锁信号源发出解锁信号之前，保护电路将保持自锁状态。

解锁时，MCU的第一控制端口71输出高电平，三极管Q2处于断开状态，此时VCC无法施加到比较器U2的负向输入端。因此，比较电路3又重新进入比较状态，继续比较输入电压和预设电压。

进一步地，第二控制端口72接收比较电路3的低电平以触发MCU中的制动引脚，又称紧急制动刹车引脚(BKIN)。此时MCU计数一次并同时开始计时，到达预设时间后，第一控制端口71输出一个单脉冲解锁信号至三极管Q2的基极，关断Q2从而断开比较器U2的自锁回路。

此时，如果过电流故障已经解除，输入电压小于等于预设电压，***恢复正常工作，比较器U2的输出端将恢复正常电平(高电平)状态。

如果过电流故障仍然存在，保护电路会再次进入自锁状态，从而引发前述的计数和计时，计数加一。MCU设置一定过电流故障次数(预设计数)，多次尝试故障恢复后，MCU的计数大于预设计数，则说明故障状态依然存在且没有得到解除。此时，MCU停止输出解锁信号，并通过指示电路进行过电流故障指示。

根据前述对于实施例的描述，当自锁电路3被触发处于自锁状态时，功率器件控制电路6输出关闭信号以关闭功率器件；当自锁电路3解除自锁状态时，功率器件控制电路6输出开启信号以开启功率器件。关于功率器件控制电路6，本发明以示例性实施例提出两种实现方式。

首先如图3所示，功率器件控制电路6包括场效应管、电阻R11和电阻R12，电阻R11的一端与自锁电路3电连接，电阻R11的另一端与场效应管的栅极电连接，场效应管的源极与地线电连接，场效应管的漏极与功率器件电连接。

在本实施例中，场效应管为MOS场效应管(MOSFET)。

如前所述，三极管Q1导通后将直接将VCC电压加在MOSFET的栅极，MOSFET导通，将功率器件控制端，例如上下桥臂控制端，置于无效电平(例如低电平)，从而关闭功率器件，实现过电流保护功能。图3仅示例性地示出了一路控制信号，本领域技术人员还可以基于上述设置采用多路同时控制。

可选地，功率器件控制电路6也可以通过MCU的内部硬件功能电路来实现。在一些MCU中，紧急制动刹车引脚(BKIN)一旦被触发，将通过MCU内部硬件保护机制实现对功率器件的关闭动作，例如MCU连接功率器件的引脚输出电平输出无效状态。对此，要求MCU具备相应的功能电路。

本领域技术人员应该认识到，功率器件控制电路6还可以采用其他的方式实现，例如利用晶体管来关闭控制信号或者将比较器U2的输出端连接至专用的“三态缓冲器芯片”的使能端，将多个功率器件的控制引脚连接至无效电平，从而关闭功率器件，本公开不限于此。

综上所述，根据本发明的保护电路采用纯硬件电路实现过电流后对过流状态进行锁定，触发功率器件控制电路以对功率器件进行保护，能有效地保护功率器件免受过电流的损坏。并且具有以下优点：根据实际试验测算可知，保护电路的延迟时间小于3微秒；由于自锁电路自锁，能够提供足够的时间让控制器进行处理并作出相应的程序处理动作；发生过电流故障后，在预设时间内关断功率器件，直至控制器给出解锁信号，不会在器件故障时多次开关功率器件，保护了功率器件；对于因传导或电磁干扰等情况而产生的非真实过电流，可以利用控制器对过电流次数进行判断和计数，在预设计数内，***可以再次正常工作。

此外，用于解锁的预设时间和预设计数可以根据不同的项目应用场合、不同的电压电流等级场合进行调整。

最后，本发明提出的保护电路具有成本效益，相比较单稳态触发器的控制方案，本发明的技术方案成本只需要其一半的价格就能实现。

图4是根据本发明的保护电路的第二实施例的结构示意图。本实施例具有前述实施例的功能和效果，以下仅就其与第一实施例的不同之处进行描述。

如图4所示，该第二实施例仅包括一个三极管Q1。具体地，自锁电路4包括三极管Q1和二极管D1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与第一控制端口71电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路6和二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

在正常工作时，输入电压小于等于预设电压，比较器U2的输出端为高电平，控制器7(MCU)的第一控制端口71输出高电平。当出现过电流时，输入电压大于预设电压，比较器U2的输出端电平翻转为低电平，此时三极管Q1导通，第一控制端口71的高电平直接施加到比较器U2的负向输入端从而引起自锁。

解锁时，第一控制端口71输出低电平脉冲信号，从而将比较器U2的负向输入端的高电平恢复成输入电压，实现解锁功能。

关于第二控制端口72的连接和功能与第一实施例相同，在此不再赘述。

图5是根据本发明的保护电路的第三实施例的结构示意图。本实施例具有前述实施例的功能和效果，以下仅就其与前述实施例的不同之处进行描述。

自锁电路包括三极管Q1和二极管D1，电压输入端1包括输入电压源和电阻R6，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路6和二极管D1的正极电连接，电阻R6的一端与输入电压源和二极管D1的负极电连接，电阻R6的另一端与比较器U2的负向输入端电连接，第一控制端口71与比较器U2的负向输入端电连接。

具体地，解锁信号源5，即第一控制端口71，连接至比较器U2的负向输入端。

在正常工作时，输入电压小于等于预设电压，比较器U2的输出端为高电平。当出现过电流时，输入电压大于预设电压，比较器U2的输出端电平翻转为低电平，此时三极管Q1导通，直流电压源VCC的高电平直接施加到比较器U2的负向输入端从而引起自锁。

解锁时，第一控制端口71输出低电平脉冲信号，从而将比较器U2的负向输入端的高电平恢复成输入电压，三极管Q1断开，实现解锁功能。

在本实施例中，第一控制端口71可以配置成开漏输出模式，输出低电平脉冲信号，使比较器U2的负向输入端电平拉低，恢复比较器U2的输出电平。

图6是根据本发明的保护电路的第四实施例的结构示意图。本实施例具有前述实施例的功能和效果，以下仅就其与前述实施例的不同之处进行描述。

与前述实施例不同的是，该第四实施例的电压输入端1施加在比较器U2的正向输入端，从而比较器的输出逻辑不同。在本实施例中，第一电平为高电平，第二电平为低电平。

需要指出的是，根据本发明的构思和启示，第一至第三实施例的电压输入端1也均可以设置在正向输入端，只需对元器件做相应的调整即可。

本实施例的保护电路还可以包括电平转化电路，该电平转化电路具有输入端和输出端。电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，例如，将第一电平翻转为第二电平并输出。在本实施例中采用电平转化电路主要是考虑到比较器的不同输出逻辑。在本实施例中，由于电压输入端1施加在比较器U2的正向输入端，因此当输入电压大于预设电压时，比较器U2输出高电平，而控制器7的第二控制端口72通常是低电平触发，因此需要相应配置电平转化电路以将比较器U2输出的高电平翻转成低电平以用于第二控制端口72(例如与制动引脚相连)的触发。

因此，对于高电平触发的制动引脚，也可以不需要配置电平转化电路。

示例性地，电平转化电路的输入端与比较电路3的输出端电连接。并且第二控制端口72配置为接收翻转电平(在本实施中是低电平)以触发控制器7中的制动引脚，控制器7计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器7的第一控制端口71发出解锁信号，比较电路3输出低电平。

与前述实施例类似的，在接收控制器7的第一控制端口71发出解锁信号后，比较电路3继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路4被再次触发，并且控制器7的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器7的计数大于预设计数时，控制器7停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

在本实施例中，比较电路包括比较器U2，比较电压输入端与比较器U2的负向输入端电连接，电压输入端与比较器U2的正向输入端电连接，并且其中，自锁电路包括二极管D2，二极管D2的正极与比较器U2的输出端电连接，二极管D2的负极与电压输入端和比较器U2的正向输入端电连接。

电平转化电路包括三极管Q1、电阻R9、电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端与比较器U2的输出端电连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端和三极管Q1的基极电连接，三极管Q1的发射极与电阻R14的另一端和地线电连接，三极管Q1的集电极与电阻R9的一端电连接，电阻R9的另一端与直流电压源电连接，第一控制端口与比较器U2的正向输入端电连接，第二控制端口与三极管Q1的集电极电连接。在本实施例中，电阻R13的一端作为电平转化电路的输入端，三极管Q1的集电极或电阻R9的一端作为电平转化电路的输出端。

在本实施例中，三极管Q1为NPN三极管。

当发生过电流故障时，比较器U2的输出端电平翻转(第一至第三实施例为电平由高电平翻转为低电平，第四实施例为由低电平翻转为高电平)为输出高电平，通过二极管D2将高电平信号加至比较器U2的正向输入端，从而实现自锁。

解锁功能由MCU的第一控制端口71实现，只要第一控制端口71输出低电平脉冲信号，使比较器U2的正向输入端电平拉低，比较器U2的输出端的电平恢复为低电平，实现解锁功能。

此外，当比较器U2输出端为高电平时，高电平将加在MOSFET的栅极和三极管Q1(NPN三极管)的基极，MOSFET导通和三极管Q1导通将功率器件控制信号置于无效电平而关闭功率器件，实现过电流保护功能。

根据本发明的另一方面，提供了一种电路保护方法。图7是根据本发明的至少一实施例的电路保护方法的流程图。

该电路包括电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路。具体的电路示例可以参见前述实施例的描述，在此不再赘述。

如图7所示，该电路保护方法包括：

比较比较电压输入端的预设电压和电压输入端的输入电压，当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发。

当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件。

示例性地，该方法还包括通过控制器的第一控制端口作为解锁信号源发出解锁信号。

示例性地，控制器还包括电连接至比较电路的第二控制端口，通过第二控制端口接收比较电路的第一电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

示例性地，保护电路还可以包括电平转化电路。电平转化电路具有输入端和输出端，电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，输入端与比较电路的输出端电连接，其中，控制器还包括电连接至电平转化电路的输出端的第二控制端口，第二控制端口配置为接收翻转电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

示例性地，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

本发明所述的电路保护方法具有自锁功能，采用纯硬件电路实现过电流后对过流状态进行锁定，触发功率器件控制电路以对功率器件进行保护，能有效地保护功率器件免受过电流的损坏。在自锁时间内关断功率器件，直至给出解锁信号，不会在发生故障时多次开关功率器件，保护功率器件。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的用于功率器件的保护电路和电路保护方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (22)

1.一种用于功率器件的保护电路，包括：电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路；其中，

电压输入端配置为将与负载电压相关的输入电压输入到所述保护电路；

比较电压输入端配置为将预设电压输入到所述保护电路；

功率器件控制电路与外设的功率器件电连接以控制所述功率器件的开启和关闭；

比较电路的第一输入端与电压输入端电连接，比较电路的第二输入端与比较电压输入端电连接，比较电路的输出端与自锁电路电连接；

解锁信号源与自锁电路电连接，功率器件控制电路与自锁电路电连接；并且其中，

当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发；

当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件，

所述保护电路还包括：

控制器，包括第一控制端口，所述第一控制端口为所述解锁信号源，

其中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述控制器还包括电连接至比较电路的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述比较电路的第一电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述比较电路包括比较器U2和电阻R9，电阻R9的一端与比较器U2的输出端电连接，另一端与比较器U2的正向输入端电连接，比较电压输入端与比较器U2的正向输入端电连接，电压输入端与比较器U2的负向输入端电连接，第二控制端口与比较器U2的输出端电连接。

4.根据权利要求3所述的保护电路，其中，所述自锁电路包括三极管Q1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路电连接。

5.根据权利要求4所述的保护电路，还包括：三极管Q2和二极管D1，三极管Q2的基极与第一控制端口电连接，三极管Q2的发射极与三极管Q1的集电极电连接，三极管Q2的集电极与二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

6.根据权利要求3所述的保护电路，其中，所述自锁电路包括三极管Q1和二极管D1，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与第一控制端口电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路和二极管D1的正极电连接，二极管D1的负极与比较器U2的负向输入端电连接。

7.根据权利要求3所述的保护电路，其中，所述自锁电路包括三极管Q1和二极管D1，所述电压输入端包括输入电压源和电阻R6，三极管Q1的基极与比较器U2的输出端电连接，三极管Q1的发射极与直流电压源电连接，三极管Q1的集电极与功率器件控制电路和二极管D1的正极电连接，电阻R6的一端与输入电压源和二极管D1的负极电连接，电阻R6的另一端与比较器U2的负向输入端电连接，第一控制端口与比较器U2的负向输入端电连接。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的保护电路，其中，所述三极管Q1为PNP三极管，所述第一电平为低电平，所述第二电平为高电平。

9.根据权利要求1所述的保护电路，还包括：电平转化电路，所述电平转化电路具有输入端和输出端，所述电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，所述输入端与比较电路的输出端电连接，其中，所述控制器还包括电连接至所述电平转化电路的输出端的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述翻转电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

10.根据权利要求9所述的保护电路，其中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

11.根据权利要求9所述的保护电路，其中，所述比较电路包括比较器U2，比较电压输入端与比较器U2的负向输入端电连接，电压输入端与比较器U2的正向输入端电连接，并且其中，所述自锁电路包括二极管D2，二极管D2的正极与比较器U2的输出端电连接，二极管D2的负极与电压输入端和比较器U2的正向输入端电连接。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的保护电路，其中，所述电平转化电路包括三极管Q1、电阻R9、电阻R13和电阻R14，电阻R13的一端与比较器U2的输出端电连接，电阻R13的另一端与电阻R14的一端和三极管Q1的基极电连接，三极管Q1的发射极与电阻R14的另一端和地线电连接，三极管Q1的集电极与电阻R9的一端电连接，电阻R9的另一端与直流电压源电连接，第一控制端口与比较器U2的正向输入端电连接，第二控制端口与三极管Q1的集电极电连接。

13.根据权利要求12所述的保护电路，其中，所述三极管Q1为NPN三极管，所述第一电平为高电平，所述第二电平为低电平。

14.根据权利要求1所述的保护电路，其中，比较电压输入端包括直流电压源和分压电路，所述分压电路包括电阻R7、电阻R8和电容C6，所述直流电压源与电阻R7的一端电连接，电阻R7的另一端通过电阻R8与地线电连接，电阻R8与电容C6并联，所述电阻R7的另一端与比较电路的第二输入端电连接。

15.根据权利要求1所述的保护电路，其中，所述功率器件控制电路包括场效应管、电阻R11和电阻R12，电阻R11的一端与所述自锁电路电连接，电阻R11的另一端与场效应管的栅极电连接，所述场效应管的源极与地线电连接，所述场效应管的漏极与功率器件电连接。

16.根据权利要求15所述的保护电路，其中，所述场效应管为MOS场效应管。

17.根据权利要求1或2所述的保护电路，其中，所述功率器件控制电路包括所述控制器，所述控制器包括第三控制端口，所述第三控制端口与功率器件电连接，并且所述第三控制端口配置为当所述制动引脚被触发时，输出电平信号关闭所述功率器件。

18.根据权利要求1所述的保护电路，还包括：采样电路，配置为采样负载的电流信号并转换成电压信号。

19.根据权利要求18所述的保护电路，还包括：放大电路，配置为将所述采样电路的电压信号放大并输出至电压输入端。

20.一种保护电路保护方法，所述保护电路包括电压输入端、比较电压输入端、比较电路、自锁电路、解锁信号源以及功率器件控制电路，所述方法包括：

比较比较电压输入端的预设电压和电压输入端的输入电压，当输入电压大于预设电压时，比较电路输出第一电平，自锁电路被触发处于自锁状态，功率器件控制电路输出关闭信号以关闭功率器件；当输入电压小于等于预设电压时，比较电路输出第二电平，自锁电路不被触发；

当解锁信号源接收到解锁信号源的解锁信号时，自锁电路被触发以解除自锁电路的自锁状态，功率器件控制电路输出开启信号以开启功率器件；

所述方法还包括：

通过控制器的第一控制端口作为解锁信号源发出所述解锁信号；

其中，在接收控制器的第一控制端口发出解锁信号后，比较电路继续比较输入电压和预设电压，当输入电压仍大于预设电压时，自锁电路被再次触发，并且控制器的制动引脚再次触发计数，且计数加一，当控制器的计数大于预设计数时，控制器停止输出解锁信号并指示电路出现故障。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述控制器还包括电连接至比较电路的第二控制端口，通过所述第二控制端口接收所述比较电路的第一电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述保护电路还包括：电平转化电路，所述电平转化电路具有输入端和输出端，所述电平转化电路配置为将输入端的电平翻转并在输出端输出翻转电平，所述输入端与比较电路的输出端电连接，其中，所述控制器还包括电连接至所述电平转化电路的输出端的第二控制端口，所述第二控制端口配置为接收所述翻转电平以触发控制器中的制动引脚，控制器计数并同时开始计时，到达预设时间后，控制器的第一控制端口发出解锁信号，使得比较电路输出第二电平。

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