功率器件的启动保护电路、芯片电路和空调设备 |
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申请号 | CN202310370321.X | 申请日 | 2022-10-21 | 公开(公告)号 | CN117917850A | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
申请人 | 美垦半导体技术有限公司; | 发明人 | 刘利书; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种功率器件的启动保护 电路 、芯片电路和 空调 设备,其中,功率器件包括第一端、第二端和控制端,控制端和第二端之间连接启动电源,启动电源通过控制端提供启动 电压 使第一端和第二端接通以完成功率器件的启动。保护电路包括电感器件和 负反馈 子电路,电感器件的一端与功率器件的第二端连接,另一端与启动电源的负极端相连并接地;负反馈子电路包括控制支路和分流支路,控制支路与电感器件并联,分流支路与启动电源并联,并且控制支路根据电感器件的电压控制启动电源分流到分流支路上的 电流 。由此,本发明的功率器件的启动保护电路通过采用低压器件模 块 能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高使用寿命,且电路结构简单,降低了启动保护电路的设计成本。 | ||||||
权利要求 | 1.一种功率器件的启动保护电路,其特征在于,所述功率器件包括第一端、第二端和控制端,所述功率器件的控制端和第二端之间连接有启动电源,所述启动电源通过向所述功率器件的控制端提供启动电压使所述第一端和所述第二端接通以完成所述功率器件的启动,所述保护电路包括: |
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说明书全文 | 功率器件的启动保护电路、芯片电路和空调设备技术领域[0001] 本发明涉及芯片电路技术领域,尤其涉及一种功率器件的启动保护电路、芯片电路和空调设备。 背景技术[0002] 功率器件,作为一种处理高电压、大电流能力的功率型半导体器件,如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管),功率MOSFET(Metal‑ Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor,金属‑氧化物半导体场效应晶体管)等, 主要用于电力设备的电能变换和控制电路,在开启的过程中,存在着较大的电流过冲。当过 冲电流较大时,会造成较大的开启损耗,形成较大的电流震荡。严重时将会触发过流保护功 能,进而导致系统停止运行。 [0003] 在相关技术中,为了抑制电流过冲,通常采用有源钳位电路抑制功率器件的集电极或漏极的冲击电流,从而抑制电流过冲。但该方案往往需要用到高压器件或电路模块,结 构复杂且成本较高,并且受高压器件中密勒电容的影响,应用范围受限。 发明内容[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本发明的第一个目的在于提出一种功率器件的启动保护电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提 高功率器件的使用寿命,并且电路结构简单,降低了功率器件的启动保护电路的设计成本。 [0005] 本发明的第二个目的在于提出一种芯片电路。 [0006] 本发明的第三个目的在于提出一种空调设备。 [0007] 为达上述目的,本发明第一方面示例提出了一种功率器件的启动保护电路,其特征在于,所述功率器件包括第一端、第二端和控制端,所述功率器件的控制端和第二端之间 连接有启动电源,所述启动电源通过向所述功率器件的控制端提供启动电压使所述第一端 和所述第二端接通以完成所述功率器件的启动,所述保护电路包括:电感器件,所述电感器 件的一端与所述功率器件的第二端连接,所述电感器件的另一端与所述启动电源的负极端 相连并接地;负反馈子电路,所述负反馈子电路包括控制支路和分流支路,所述控制支路的 一端和所述分流支路的一端相连,所述控制支路与所述电感器件并联,所述分流支路与所 述启动电源并联,所述控制支路根据所述电感器件的电压控制所述启动电源分流到所述分 流支路上的电流。 [0008] 本示例的功率器件的启动保护电路包括:电感器件和负反馈子电路,其中,功率器件包括:第一端、第二端和控制端,其控制端和第二端之间连接启动电源,启动电源通过向 控制端提供启动电压使第一端和第二端接通以完成功率器件的启动。电感器件的一端与功 率器件的第二端连接,另一端与启动电源的负极端相连并接地;负反馈子电路包括控制支 路和分流支路,控制支路的一端和分流支路的一端相连,控制支路与电感器件并联,分流支 路与启动电源并联,并且控制支路根据电感器件的电压控制启动电源分流到分流支路上的 电流。由此,本发明的功率器件的启动保护电路通过采用低压器件模块能够抑制电流过冲, 降低开启损耗,提高功率器件的使用寿命,并且电路结构简单,降低了启动保护电路的设计 成本。 [0010] 在本发明的一些示例中,所述功率器件的第一端与外部供电电路连接,所述外部供电电路包括:供电电源;二极管,所述二极管的正极端与所述功率器件的第一端连接,所 述二极管的负极端与所述供电电源连接;负载电感,所述负载电感与所述二极管并联连接。 [0011] 在本发明的一些示例中,所述控制支路包括:第一开关管,所述第一开关管的第一端与所述功率器件的第二端连接,所述第一开关管的第二端与所述第一开关管的控制端连 接;第一电阻,所述第一电阻的一端与所述第一开关管的第二端连接,所述第一电阻的另一 端接地;第二开关管,所述第二开关管的第一端与所述第一开关管的第一端连接,所述第二 开关管的控制端与所述第一开关管的控制端连接;第三开关管,所述第三开关管的第一端 与所述第二开关管的第二端连接,所述第三开关管的控制端与第一端相连且与所述分流支 路连接;第二电阻,所述第二电阻的一端与所述第三开关管的第二端连接,所述第二电阻的 另一端接地。 [0012] 在本发明的一些示例中,所述分流支路包括:第四开关管,所述第四开关管的第一端与所述电阻器件的另一端连接,所述第四开关管的控制端与所述第三开关管的控制端连 接;第三电阻,所述第三电阻的一端与所述第四开关管的第二端连接,所述第三电阻的另一 端接地。 [0013] 在本发明的一些示例中,所述控制支路包括:第五开关管,所述第五开关管的第一端与所述功率器件的第二端连接,所述第五开关管的控制端与第一端相连且与所述分流支 路连接;第四电阻,所述第四电阻的一端与所述第五开关管的第二端连接,所述第四电阻的 另一端接地。 [0014] 在本发明的一些示例中,所述分流支路包括:第六开关管,所述第六开关管的第一端与所述电阻器件的另一端连接,所述第六开关管的控制端与所述第五开关管的控制端连 接;第五电阻,所述第五电阻的一端与所述第六开关管的第二端连接,所述第五电阻的另一 端接地。 [0015] 在本发明的一些示例中,所述功率器件包括IGBT、三极管、MOS(Metal‑Oxide‑Semiconductor,金属氧化物半导体)管。 [0016] 为达上述目的,本发明第二方面示例提出了一种芯片电路,该芯片电路包括上述示例中的功率器件的启动保护电路。 [0017] 本示例的芯片电路通过上述示例中功率器件的启动保护电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高功率器件的使用寿命,并且电路结构简单,降低了电路的设计成本。 [0018] 为达上述目的,本发明第三方面示例提出了一种空调设备,该空调设备包括上述示例中的芯片电路。 [0019] 本示例的空调设备通过上述示例中芯片电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高功率器件的使用寿命,并且电路结构简单,降低了空调设备的设计成本。 [0021] 图1是根据本发明一个实施例的功率器件的启动保护电路示意图; [0022] 图2是根据本发明另一个实施例的功率器件的启动保护电路示意图; [0023] 图3是根据本发明又一个实施例的功率器件的启动保护电路示意图; [0024] 图4是根据本发明实施例的芯片电路的结构框图; [0025] 图5是根据本发明实施例的空调设备的结构框图。 具体实施方式[0026] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。 [0027] 下面参考附图描述本发明实施例的功率器件的启动保护电路、芯片电路和空调设备。 [0028] 图1是根据本发明一个实施例的功率器件的启动保护电路示意图。 [0029] 如图1所示,本发明提出了一种功率器件的启动保护电路1,其中,功率器件G1包括:第一端C极、第二端E极和控制端G极,其控制端G极和第二端E极之间连接启动电源V,启 动电源V通过控制端G极提供启动电压使第一端C极和第二端E极接通以完成功率器件G1的 启动。 [0030] 具体地,如图1所示,本实施例的功率器件的启动保护电路1包括电感器件Ls和负反馈子电路10,负反馈子电路10包括控制支路101和分流支路102。 [0031] 其中,从启动电源V中流出的总电流用i表示,通过功率器件G1的电流用ig表示,由负反馈子电路10控制输出流经分流支路102的电流用i3表示。其中,电感器件Ls的一端与功 率器件的第二端E极连接,另一端与启动电源V的负极端相连并接地,控制支路101与电感器 件Ls并联,分流支路102与启动电源V并联,并且控制支路101根据电感器件Ls的电压控制启 动电源V分流到分流支路102上的电流。需要说明的是,上述电感器件Ls可以是由线路产生 的寄生电感,也是可以是外加电感,其大小可选为1nH,5nH,20nH。 [0032] 更具体地,当启动电源V开启时,启动电源V通过控制端G极提供启动电压使第一端C极和第二端E极接通完成功率器件G1的启动。当功率器件G1开启时,第二端E极处的电感Ls 在瞬时电流的作用下,产生感应电压Vs。将电压Vs反馈至控制支路101,以生成对分流支路 102的控制电流,控制输出流经分流支路102的电流i3的大小,进而对流经功率器件G1的充 电电流ig进行控制,以降低瞬时电流,最终减小电流过冲。 [0033] 更具体地,参见图1所示的电流箭头流向,启动电源V开启时,启动电源V通过控制端G极提供启动电压使第一端C极和第二端E极接通以完成功率器件G1的启动,第二端E极处 的电感Ls在瞬时电流di/dt的作用下,产生感应电压Vs,且Vs=Ls*di/dt,感应电压Vs通过 控制支路101向分流支路102提供控制电压,分流支路102在控制支路101所提供的控制电压 的控制下,能够分担启动电源V流出的电流,进而降低功率器件G1的瞬时电流,以减少对功 率器件G1开启过程中的冲击,起到抑制较大过冲电流的作用,能够有效保护功率器件。 [0034] 在本发明的一些实施例中,如图2所示,功率器件的启动保护电路1,还包括:电阻器件Rg,电阻器件Rg的一端与启动电源V的正极端连接,电阻器件Rg的另一端与分流支路 102的第二端连接。 [0035] 具体地,如图2所示,电阻器件Rg的一端与启动电源V的正极端连接,电阻器件Rg的另一端与功率器件G1的G极和分流支路102第二端连接,如图所示,电流流向用箭头表示,实 线箭头表示启动电源V开启时产生的总电流i,虚线箭头表示分流支路102流过的电流i3,半 虚线箭头表示流入功率器件G1的电流ig,且i=i3+ig。在启动电源开启的瞬间,电流i经电 阻器件Rg流入功率器件G1,在控制端G极和第二端E极之间形成启动电压,从而使第一端C极 和第二端E极接通形成电流,第二端E极处的电感Ls在瞬时电流di/dt的作用下,产生感应电 压Vs,感应电压Vs通过控制支路101之后能够生成对分流支路102的控制电压,从而对分流 支路102所能分担的电流进行控制,以抑制功率器件G1的启动电流过冲。 [0036] 在本发明的一些实施例中,如图2所示,功率器件的第一端与外部供电电路连接,外部供电电路包括:供电电源Vbus、二极管D1和负载电感Lload;二极管D1的正极端与功率器 件G1的第一端C极连接,二极管D1的负极端与供电电源Vbus连接;负载电感Lload与二极管D1 并联连接。 [0037] 具体地,功率器件G1的第一端C极通过二极管D1连接到供电电源Vbus,需要说明的是,二极管D1的负极端与供电电源Vbus连接,形成反接形式,以使二极管D1在电路中起续流 保护作用,负载电感Lload与二极管D1并联连接可以在IGBT关闭时,提供电流的续流通道,以 防止IGBT过功率烧毁。 [0038] 在本发明的一些实施例中,如图2所示,控制支路101包括:第一开关管P1,第二开关管P2、第三开关管N1、第一电阻R1和第一电阻R2,第一开关管P1的第一端与功率器件G1的 第二端E极连接,第一开关管P1的第二端与第一开关管P1的控制端连接;第一电阻R1的一端 与第一开关管P1的第二端连接,第一电阻R1的另一端接地;第二开关管P2第一端与第一开 关管P1的第一端连接,第二开关管P2的控制端与第一开关管P1的控制端连接;第三开关管 N1的第一端与第二开关管P2的第二端连接,第三开关管N1的控制端与第一端相连且与分流 支路102连接;第二电阻R2的一端与第三开关管N1的第二端连接,第二电阻R2的另一端接 地。 [0039] 具体地,如图2所示,在启动电源开启的瞬间,电流i经电阻器件Rg流入功率器件G1,在控制端G极和第二端E极之间形成启动电压,从而使第一端C极和第二端E极接通形成 电流。第二端E极处的电感Ls在瞬时电流di/dt的作用下,产生感应电压Vs,且Vs=Ls*di/ dt,感应电压Vs加在第一开关管P1和第一电阻R1上,形成电流i1,i1=(Vs‑Vgs1)/R1,其中 Vgs1为P1管的栅‑源电压。第一开关管P1和第二开关管P2组成电流镜,宽长比为(W/L)P1:(W/ L)P2=1:N,N可为1,2,3,1/2,1/3等,则通过第二开关管P2的电流i2=N*i1,则流经第二电阻 R2上的电流i2=N*i1=N*[(Ls*di/dt)‑Vgs1]/R1。电流i2在N1管上形成栅‑源控制电压 Vgs2,具体为 其中k为N1管的增益因子,VthN1为N1管的阈值电压。因此, i2电流的大小可以控制第三开关管N1的栅‑源级所输出的电压Vgs2的大小,并且第三开关 管N1的控制端与分流支路102连接,可在分流支路102形成电流。Vgs2的大小可以控制分流 支路102所分担的电流大小,二者呈正相关。 [0040] 在本发明的一些实施例中,分流支路102包括:第四开关管N2和第三电阻R3,第四开关管N2的第一端与电阻器件Rg的另一端连接,第四开关管N2的控制端与第三开关管N1的 控制端连接;第三电阻R3的一端与第四开关管N2的第二端连接,第三电阻R3的另一端接地。 [0041] 具体地,第四开关管N2和第三电阻R3串联作为分流支路102,第四开关管N2的控制端与控制支路101中第三开关管N1的控制端连接,通过控制第四开关管N2控制端的电流大 小,从而能够控制启动电源V流向分流支路102的电流大小,进而控制流进功率器件G1控制 端G极的电流大小。需要说明的是,第三开关管N1和第四开关管N2两者的电流也可以根据电 流镜电路特性,可确定宽长比(W/L)N1:(W/L)N2=1:M,且R2:R3=M:1,则i3=M*i2,则i3=M* N*[(Ls*di/dt)‑Vgs]/R1,从该公式可知,当di/dt越大的时候,则i3越大,也就是说,启动电 源V在启动功率器件的时候,如果瞬时电流越大,则分流支路102所分担的电流越大,所以对 功率器件G1进行控制的电流则越小,越能抑制电流过冲。 [0042] 在本发明的一些实施例中,如图3所示,控制支路101包括:第五开关管N3和第四电阻R4,第五开关管N3的第一端与功率器件G1的第二端E极连接,第五开关管N3的控制端与其 第一端相连且与分流支路102连接;第四电阻R4的一端与第五开关管N3的第二端连接,第四 电阻R4的另一端接地。 [0043] 需要说明的是,为了减小成本,本发明控制支路101还可以采用一组开关管构成,如图3所示,负反馈子电路10包括控制支路101和分流支路102,且控制支路101仅由第五开 关管N3和第四电阻R4串联组成,分流支路102与启动电源V并联,控制支路101与电感器件Ls 并联,并且控制支路101根据电感器件LS的电压控制启动电源V分流到分流支路102上的电 流。 [0044] 举例而言,如图3所示,在启动电源开启的瞬间,电流i经电阻器件Rg流入功率器件G1,在控制端G极和第二端E极之间形成启动电压,从而使第一端C极和第二端E极接通形成 电流。功率器件的第二端E极处的电感Ls在di/dt的作用下,产生感应电压Vs,且Vs=Ls*di/ dt,感应电压Vs加在第五开关管N3和第四电阻R4,形成电流i4,i4=(Vs‑Vgs)/R4。第五开关 管N3和第六开关管N4可以通过控制第四电阻R4和第五电阻R5的大小组成电流镜,宽长比为 (W/L)N3:(W/L)N4=1:N’,且R4:R5=N’:1,则通过第六开关管N4且流经R5的电流i5=N’*i4 =N’*[(Ls*di/dt)‑Vgs]/R4,从该公式可知,瞬时电流越大,则电流i5越大,所以流经功率 器件G1的电流越小,则越能抑制功率器件G1的电流过冲。 [0045] 在本发明的一些实施例中,如图3所示,分流支路102包括:第六开关管N4和第五电阻R5,第六开关管N4的第一端与电阻器件Rg的另一端连接,第六开关管N4的控制端与第五 开关管N3的控制端连接;第五电阻R5的一端与第六开关管N4的第二端连接,第五电阻R5的 另一端接地。 [0046] 具体地,第六开关管N4和第五电阻R5串联作为分流支路102,第六开关管N4的控制端与控制支路101中第五开关管N3的控制端连接,通过控制第六开关管N4控制端的电流大 小,从而能够控制启动电源V流向分流支路102的电流大小,进而控制流进功率器件G1控制 端G极的电流大小。需要说明的是,第五开关管N3和第六开关管N4两者的电流也可以根据电 流镜电路特性,确定宽长比1:N’,即i5=N’*i4,则i5=N’*[(Ls*di/dt)‑Vgs]/R4,从该公式 可知,当di/dt越大的时候,则i5越大,也就是说,启动电源V在启动功率器件的时候,如果瞬 时电流越大,则分流支路102所分担的电流越大,所以对功率器件G1进行控制的电流则越 小,越能抑制电流过冲。 [0047] 在本发明的一些实施例中,功率器件包括IGBT、三极管、MOS管。 [0048] 具体地,本发明提出的启动保护电路可以用于保护IGBT、三极管、MOS管等有大功率的功率开关管,通过控制di/dt减小,起到抑制较大过冲电流的作用,能够有效保护功率 器件,减小功率开关管的开启损耗,避免较大的电流震荡。 [0049] 综上,本发明的功率器件通过上述示例中的功率器件的启动保护电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高功率器件的使用寿命,并且电路结构简单,降低了启动保护 电路的设计成本。 [0050] 图4是根据本发明实施例的芯片电路的结构框图。 [0051] 进一步地,如图4所示,本发明提出了一种芯片电路60,该芯片电路60包括上述实施例中功率器件的启动保护电路1。 [0052] 本实施例中的芯片电路通过上述示例中的启动保护电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高芯片的使用寿命,并且电路结构简单,降低了电路的设计成本。 [0053] 图5是根据本发明实施例的空调设备的结构框图。 [0054] 进一步地,如图5所示,本发明提出了一种空调设备70,该芯片电路70包括上述实施例中的芯片电路60。 [0055] 本实施例中的空调设备通过上述示例中的芯片电路,能够抑制电流过冲,降低开启损耗,提高芯片的使用寿命,并且电路结构简单,降低了启动保护电路的设计成本。 [0056] 另外,本发明实施例的电动车辆的其他构成及作用对本领域的技术人员来说是已知的,为减少冗余,此处不做赘述。 [0057] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 [0058] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。 [0059] 此外,本发明实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语,仅用于描述目的,而不可以理解为指示或者暗示相对重要性,或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由 此,本发明实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征,可以明确或者隐含地表示该实施 例中包括至少一个该特征。在本发明的描述中,词语“多个”的含义是至少两个或者两个及 以上,例如两个、三个、四个等,除非实施例中另有明确具体的限定。 [0060] 在本发明中,除非实施例中另有明确的相关规定或者限定,否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解,例如,连接可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体,可以理解的,也可以是机械连接、电连接等;当然,还可以是直接 相连,或者通过中间媒介进行间接连接,或者可以是两个元件内部的连通,或者两个元件的 相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,能够根据具体的实施情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。 [0061] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 |