基于電壓比較器的固態(tài)功率控制器驅(qū)動保護(hù)電路研究

劉紅奎

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)電式配電系統(tǒng)在智能化、可靠性等方面已不能滿足大規(guī)模分布式配電系統(tǒng)[1]的需要，采用模塊化固態(tài)配電技術(shù)是當(dāng)前機(jī)載、艦載、星載配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2-4]。固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)是兼具繼電器的轉(zhuǎn)換功能和斷路器的電路保護(hù)功能于一體的固態(tài)功率開關(guān)，所以SSPC 在負(fù)載過流或短路時的及時保護(hù)功能就顯的十分重要[5-7]。

在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中，常用的MOSFET 功率管過流或短路時的保護(hù)措施有兩種[8-9]：一種是軟關(guān)斷，另一種是降柵壓。軟關(guān)斷是指在檢測到器件過流或短路信號時就迅速撤除受保護(hù)功率管的柵極信號，使MOSFET 功率管關(guān)斷，軟關(guān)斷抗干擾的效果差，只要檢測到故障就關(guān)斷器件，這樣很容易引起錯誤的動作。降柵壓是指在檢測到器件過流或短路信號時立即將MOSFET 功率管的柵極電壓降到某一電平，但器件仍維持導(dǎo)通，若故障信號消失了，驅(qū)動電路就能恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了電路的抗干擾能力。

目前，降柵壓電路是利用過流信號擊穿穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生過流或短路的保護(hù)信號[10-12]，保護(hù)電路只做到了兩級降柵壓，若這個特定的電平設(shè)置得過高則受保護(hù)功率管對過流現(xiàn)象抑制不明顯，若這個特定的電平設(shè)置得過低則受保護(hù)功率管在一個時延內(nèi)會存在反復(fù)開通、關(guān)斷的問題；降柵壓電路使用穩(wěn)壓二極管作為過流信號的判斷器件，溫度對穩(wěn)壓二極管的工作有一定的影響，溫度過高時，穩(wěn)壓二極管的實(shí)際擊穿電壓和其標(biāo)稱擊穿電壓會有一定的差別，在極端情況下還會出現(xiàn)負(fù)載過流而降柵壓保護(hù)電路不保護(hù)的情況。

由于現(xiàn)有降柵壓電路存在的一些不足，本文對基于電壓比較器的SSPC 驅(qū)動保護(hù)電路作了進(jìn)一步的研究，取得了一定的成果，并在該成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了可用于SSPC 驅(qū)動保護(hù)電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，基于電壓比較器的保護(hù)電路克服了現(xiàn)有技術(shù)中使用穩(wěn)壓二極管判斷過流門限電壓導(dǎo)致精度不高的問題，實(shí)現(xiàn)了對過流門限電壓的精準(zhǔn)判斷和迅速響應(yīng)，只要設(shè)定不同的門限電壓就可以對相應(yīng)的過流級別進(jìn)行響應(yīng)，使得電路應(yīng)用更加靈活，調(diào)試更加容易。

1 設(shè)計(jì)思想及技術(shù)原理

1.1 設(shè)計(jì)思想

本文對現(xiàn)有降柵壓電路存在的一些不足，采用三級降柵壓電路對受保護(hù)功率管進(jìn)行保護(hù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中降柵壓僅采用兩級保護(hù)存在的受保護(hù)功率管對過流現(xiàn)象抑制不明顯和受保護(hù)功率管在一個時延內(nèi)反復(fù)開通、關(guān)斷的問題。MOSFET 功率管發(fā)生故障時，降柵壓保護(hù)電路啟動第一級降柵壓單元對受保護(hù)功率管進(jìn)行預(yù)保護(hù)，然后再根據(jù)故障的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)處理，可以有效地防止誤動作發(fā)生，相鄰兩級降柵壓單元啟動時間可根據(jù)實(shí)際需要任意調(diào)節(jié)，還可根據(jù)需要增加降柵壓單元，實(shí)現(xiàn)更多級的降柵壓。

增加了降柵壓速度調(diào)節(jié)電路，克服了現(xiàn)有技術(shù)中降柵壓電路沒有緩開通和緩關(guān)斷的問題，實(shí)現(xiàn)了對降柵壓速度的調(diào)節(jié)，可根據(jù)需要靈活地設(shè)定柵極電壓下降或上升的速度，降低了受保護(hù)功率管在關(guān)斷時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而延長了受保護(hù)功率管的使用壽命。

1.2 技術(shù)原理

SSPC 是由半導(dǎo)體器件構(gòu)成的開關(guān)裝置，為負(fù)載提供開關(guān)控制和饋電保護(hù)，根據(jù)SSPC 的電路結(jié)構(gòu)以及降柵壓保護(hù)電路的功能要求，降柵壓保護(hù)電路即需要在正常情況下為負(fù)載提供開啟和關(guān)斷的功能，又需要在過流或短路的情況下按照設(shè)計(jì)要求為負(fù)載提供及時關(guān)斷保護(hù)功能。降柵壓保護(hù)電路在SSPC 系統(tǒng)中的位置如圖1 所示。

圖1 降柵壓保護(hù)電路與SSPC 系統(tǒng)關(guān)系框圖

降柵壓保護(hù)電路包括第一級降柵壓單元、第二級降柵壓單元、第三級降柵壓單元、降柵壓速度調(diào)節(jié)電路，降柵壓保護(hù)電路原理框圖如圖2 所示。

圖2 降柵壓保護(hù)電路原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

如前分析，當(dāng)過流信號出現(xiàn)時，降柵壓保護(hù)電路中第一級降柵壓單元啟動，將受保護(hù)功率管的柵極電壓降到一個設(shè)定的值，對受保護(hù)功率管進(jìn)行預(yù)保護(hù)，此時受保護(hù)功率管處于即將完全導(dǎo)通的邊緣狀態(tài)，同時第一級降柵壓單元產(chǎn)生第二級降柵壓單元所需的延時啟動電壓，若在一個固定時延內(nèi)，過流信號消失則受保護(hù)功率管恢復(fù)完全導(dǎo)通的狀態(tài)；若在一個固定時延之后過流信號依然存在，則啟動第二級降柵壓單元，將受保護(hù)功率管的柵極電壓降到負(fù)載額定電流對應(yīng)的柵極開啟電壓值，對功率管進(jìn)行保護(hù)。同時第二級降柵壓單元產(chǎn)生第三級降柵壓單元所需的延時啟動電壓，若在一個固定時延內(nèi)，過流信號消失則受保護(hù)功率管恢復(fù)完全導(dǎo)通的狀態(tài)；若在一個固定時延之后過流信號依然存在，則啟動第三級降柵壓單元將受保護(hù)功率管的柵極電壓緩慢降到0 V，此時受保護(hù)功率管處于關(guān)閉的狀態(tài)。

降柵壓速度調(diào)節(jié)電路由RC 延時電路組成，其功能是把降柵壓單元輸出的結(jié)果緩慢輸出，目的是調(diào)節(jié)MOSFET功率管柵極電壓上升或下降的速度。電壓上升或下降時間的計(jì)算公式為：

其中，R 是延時電阻，C 是延時電容，U 是給電容充電的電壓，UC是電容充電時其兩端達(dá)到的電壓。

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)出的降柵壓保護(hù)電路原理圖如圖3 所示。

圖3 降柵壓保護(hù)電路原理圖

SSPC 中采用電源是典型航空直流電源，為負(fù)載提供28 V 的電壓 和5 A 的電流，VCC 為15 V，GND 為模擬地，電壓比較器基準(zhǔn)電壓為7.5 V，采樣電阻的阻值為10 mΩ。

降柵壓保護(hù)電路的具體工作流程如下：SSPC 和負(fù)載正常工作，電流檢測放大電路實(shí)時提供過流信號。當(dāng)過流信號大于電壓比較器U1A 基準(zhǔn)電壓且一直存在時，電壓比較器U1A 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q3，使Q3 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1 與R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓會降低，降低后的電壓值為受保護(hù)功率管處于即將完全導(dǎo)通所需的柵源極電壓VGS；同時電壓比較器U1A 輸出高電平通過R7 與C2 組成的RC 延時電路，在電壓上升固定時間t1后，電容C2兩端的電壓大于電壓比較器U1B 基準(zhǔn)電壓，電壓比較器U1B 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q2，使Q2 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1、R3、R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓會再次降低，降低后的電壓值為受保護(hù)功率管通過負(fù)載額定電流所需的柵源極電壓VGS；同時電壓比較器U1B 輸出高電平通過R9 與C3 組成的RC 延時電路，在電壓上升固定時間t2后，電容C3兩端的電壓大于電壓比較器U1C 基準(zhǔn)電壓，電壓比較器U1C 輸出高電平，此高電平驅(qū)動三極管Q1，使Q1 處于開通狀態(tài)，驅(qū)動信號經(jīng)過R1、R2、R3、R4 后接到地，根據(jù)分壓原理，R5 的輸入電壓為0 V。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

實(shí)驗(yàn)仿真電路中采用電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 的取值分別為2 kΩ、0 Ω、460 Ω、1 kΩ、2 kΩ、1 kΩ、3 kΩ、1 kΩ、2.7 kΩ、1 kΩ，電容C1、C2、C3 的取值為10 nF，電壓比較器U1A、U1B、U1C 為LM339AD，三極管Q1、Q2、Q3 為C9013。

MOSFET 功率管選用IR 公司的IRLR3110Z 產(chǎn)品，IRLR3110Z 是N 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，能承受的最大漏源極電壓為100 V，導(dǎo)通阻抗14 mΩ，允許最大的電流為63 A，柵極驅(qū)動屬于電壓型驅(qū)動，驅(qū)動時電流僅為納安級，柵源極最大電壓為16 V，柵源極最大門限開啟電壓VGS為5 V，漏源極間的漏電流為20 μA～250 μA，IRLR3110Z的柵源極典型電壓VGS關(guān)系如圖4 所示。

圖4 IRLR3110Z 柵源極典型電壓VGS 關(guān)系

降柵壓保護(hù)電路中第一級降柵壓單元預(yù)保護(hù)電壓的范圍為5±0.1 V，第二級降柵壓單元延時啟動電壓的范圍為7.5 V～15 V，第二級降柵壓單元保護(hù)電壓的范圍為2.8±0.1 V，第三級降柵壓單元延時啟動電壓的范圍為7.5 V～15 V，第三級降柵壓單元保護(hù)關(guān)斷電壓的范圍為0 V，降柵壓速度調(diào)節(jié)電路電壓上升或下降時時間為60 μs。

通過軟件仿真的方法對降柵壓保護(hù)電路進(jìn)行了驗(yàn)證，降柵壓保護(hù)電路中的降柵壓保護(hù)信號仿真如圖5、圖6 所示：通道1 為降柵壓保護(hù)信號，通道2 為第一級降柵壓單元輸出信號，通道3 為第二級降柵壓單元輸出信號，通道4 為第三級級降柵壓單元輸出信號。由圖5、圖6 可以看出降柵壓保護(hù)電路檢測到負(fù)載過流信號后先將受保護(hù)功率管的柵極電壓降到一個設(shè)定的電平，對受保護(hù)功率管進(jìn)行預(yù)保護(hù)，然后再根據(jù)故障的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)處理。

圖5 降柵壓保護(hù)信號仿真圖

圖6 降柵壓保護(hù)信號恢復(fù)仿真圖

軟件仿真了MOSFET 功率管開通、關(guān)斷和負(fù)載短路、過流后恢復(fù)的狀態(tài)。MOSFET 功率管開通、關(guān)斷和負(fù)載短路、過流后恢復(fù)的狀態(tài)圖如圖7～圖10 所示，其中通道1 為MOSFET 功率管柵極電壓，通道2 為負(fù)載兩端電壓。

圖7 MOSFET 功率管開通狀態(tài)仿真圖

圖8 MOSFET 功率管關(guān)斷狀態(tài)仿真圖

圖9 負(fù)載短路狀態(tài)仿真圖

圖10 負(fù)載過流后恢復(fù)正常狀態(tài)仿真圖

通過對SSPC 電路的仿真，降柵壓保護(hù)電路在負(fù)載過流或短路時，按照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對MOSFET 功率管柵極電壓的控制，有效地防止誤動作發(fā)生，降低了受保護(hù)功率管關(guān)斷時產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，使受保護(hù)功率管得到高可靠性的保護(hù)。

4 結(jié)論

本文闡述了基于電壓比較器的SSPC 驅(qū)動保護(hù)電路原理，設(shè)計(jì)了降柵壓保護(hù)電路，整個電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、柵源極電壓VGS設(shè)置靈活、降柵壓速度可調(diào)、電路調(diào)試簡單，實(shí)現(xiàn)了對MOSFET 柵極電壓的控制。經(jīng)過電路分析和仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明降柵壓保護(hù)電路可以在45 μs 內(nèi)對短路負(fù)載進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)。降柵壓保護(hù)電路適合在某些環(huán)境惡劣且精度要求高的場合下使用。