申请/专利权人：云南电网有限责任公司电力科学研究院

申请日：2017-10-16

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN107565942B

主分类号：H03K17/08

分类号：H03K17/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2018.02.16#著录事项变更;2018.02.02#实质审查的生效;2018.01.09#公开

摘要：本申请公开了一种用于MOSFET的保护电路，包括稳压电路S1、延迟电路S2与补能电路S3，其中稳压电路S1包括稳压二极管D1。稳压二极管D1的负极连接MOSFETQ3的D极，稳压二极管D1的正极分别连接延迟电路S2与补能电路S3；延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极，补能电路S3的另一端连接MOSFETQ3的G极。本申请的保护电路通过减缓MOSFETQ3的开关速度，降低寄生电感L产生的反向感应电压，进而降低了MOSFETQ3承受过电压的风险。

主权项：1.一种用于MOSFET的保护电路，应用于开关放大器，所述开关放大器包括MOSFETQ1、MOSFETQ2以及MOSFETQ3，其中，所述MOSFETQ1和MOSFETQ2的G极连接至MOSDRIVER电平信号输入端，所述MOSFETQ1的S极以及所述MOSFETQ2的D极均连接至MOSFETQ3的G极；所述MOSFETQ1的D极连接电源，所述MOSFETQ2的S极接地；其特征在于，所述电路包括串联的稳压电路S1与延迟电路S2，其中所述稳压电路S1包括稳压二极管D1，所述稳压二极管D1的负极用于连接MOSFETQ3的D极，所述稳压二极管D1的正极连接所述延迟电路S2的一端；所述延迟电路S2包括串联的电阻R1与三极管Q4，所述电阻R1的一端连接所述稳压二极管D1的正极，所述电阻R1的另一端连接所述三极管Q4的b极；所述三极管Q4的c极用于连接MOSFETQ2的G极，所述三极管Q4的e极接地；当关闭MOSFETQ3时，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过所述稳压二极管D1的稳压电压，则所述稳压二极管D1导通，带动所述延迟电路S2导通，使MOSFETQ2的G极的电压降低，从而使MOSFETQ2延迟对MOSFETQ3的关闭动作。

全文数据：—种用于MOSFET的保护电路技术领域[0001]本申请涉及M0SFET保护领域，尤其涉及一种用于MOSFET的保护电路。背景技术[0002]MOSFETMetal-〇xide-SemiconductorField-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管是一种场效晶体管，目前已被广泛应用做电流放大器或开关控制器。例如，放大器是利用MOSFET可放大电流性能而实现的器件。[0003]图1为一种开关放大器的电路图，如图1所示，开关放大器内包含多个M0SFET，其中，MOSFETQ3用于放大电流;MOSFETQ1与MOSFETQ2组成推挽式开关，用于控制MOSFETQ3的开启或关闭。该开关放大器的使用过程包括:当驱动信号M0SDriver为低电压时，MOSFETQ1导通，从而使MOSFETQ3开启；当驱动信号M0SDriver为高电压时，MOSFETQ2导通，从而使MOSFETQ3关闭。[0004]在使用过程中，快速关闭MOSFETQ3时，电路中的寄生电感L将产生一个较大的反向感应电压，该反向感应电压与电源电压共同作用在MOSFETQ3的D极与S极的两端。当MOSFETQ3的D极与S极两端的电压VDS未超过MOSFETQ3的D极与S极之间的最大耐受电压，则MOSFETQ3将正常工作。若MOSFETQ3的D极与S极两端的电压VDS超过MOSFETQ3的D极与S极之间的最大耐受电压，则MOSFETQ3将受到过电压损坏。特别是在电路中发生短路或过电流的情况下，快速关闭MOSFETQ3，M0SFETQ3将因受过电压而发生损坏。发明内容[0005]本申请提供了一种MOSFET的保护电路，用于解决快速关闭MOSFETQ3时，电路中的寄生电感L产生的寄生感应电压过大，从而导致MOSFET容易受到过电压损坏的问题。[0006]一种用于MOSFET的保护电路，所述电路包括串联的稳压电路s1与延迟电路S2，其中所述稳压电路S1包括稳压二极管D1，所述稳压二极管D1的负极用于连接MOSFETQ3的D极，所述稳压二极管D1的正极连接所述延迟电路S2的一端；[0007]所述延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极，当关闭MOSFETQ3时，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过所述稳压二极管D1的稳压电压，则所述稳压二极管D1导通，带动所述延迟电路S2导通，使MOSFETQ2的G极的电压降低，从而使MOSFETQ2延迟对MOSFETQ1的关闭动作。[0008]优选地，所述延迟电路S2包括串联的电阻R1与三极管Q4，所述电阻R1的一端连接所述稳压二极管D1的正极，所述电阻R1的另一端连接所述三极管Q4的b极；[0009]所述三极管Q4的c极用于连接MOSFETQ2的G极，所述三极管Q4的e极接地。[0010]优选地，所述保护电路还包括补能电路S3,所述补能电路S3的一端连接所述稳压二极管D1的正极，所述补能电路S3的另一端用于连接MOSFETQ3的G极，[0011]当关闭MOSFETQ3时，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过所述稳压二极管D1的稳压电压，则所述稳压二极管D1导通，带动所述补能电路S3导通，使MOSFETQ3的G极的电压提高，从而使MOSFETQ3的关闭动作延迟。[0012]优选地，所述补能电路S3包括串联的二极管D2与电阻R2，[0013]所述二极管D2的正极连接所述稳压二极管D1的正极，所述二极管D2的负极连接所述电阻R2的一端，[0014]所述电阻R2的另一端连接MOSFETQ3的G极。[0015]优选地，所述保护电路还包括吸能电路S4,所述吸能电路S4用于并联在MOSFETQ3的D极与S极的两端，所述吸能电路S4用于吸收寄生电感L产生的反向感应电能。[0016]优选地，所述吸能电路S4包括一电容C，所述电容C并联在MOSFETQ3的D极与S极的两端。[0017]由以上技术方案可见，本申请实施例提供的一种MOSFET的保护电路，用于在MOSFET进行快速关闭操作时，确保MOSFET免受过电压的损害，尤其适于电路中发生断路或过电流的情况。本申请中利用寄生电感L的反向感应电压与MOSFETQ3的开关速度呈正比关系，S卩MOSFETQ3的开关速度越快，则寄生电感L产生的反向感应电压越高;MOSFETQ3的开关速度越慢，则寄生电感L产生的反向感应电压越低，在待保护MOSFET的连接电路上设置保护电路，该保护电路可延缓MOSFET的开关速度，从而降低寄生电感L产生的反向感应电压，进而降低了MOSFET发生过电压损害的风险。[0018]本申请的保护电路包括电路具体包括稳压电路S1、延迟电路S2与补能电路S3,其中稳压电路S1包括稳压二极管D1。稳压二极管D1的负极连接MOSFETQ3的D极，稳压二极管D1的正极分别连接延迟电路S2与补能电路S3,延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极，补能电路S3的另一端连接MOSFETQ3的G极。[0019]在实际使用过程中，当关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过稳压二极管D1的稳压电压，则稳压二极管D1导通，进而使与稳压二极管D1连接的延迟电路S2与补能电路S3均导通。延迟电路S2导通，使MOSFETQ2的G极的电压降低，从而延迟MOSFETQ2对MOSFETQ3关闭动作。补能电路S3导通，使MOSFETQ3的G极的在短时间仍处于导通状态，从而延迟MOSFETQ3的关闭动作。延迟MOSFETQ3的关闭动作，即可减缓MOSFETQ3的开关速度，从而降低了寄生电感L产生的反向感应电压，进而降低了MOSFETQ3承受过电压的风险。附图说明[0020]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0021]图1为一种开关放大器的电路图；[0022]图2为本申请用于MOSFET的保护电路的电路图；[0023]图3为未设置保护电路时的电压波形图；[0024]图4为设置保护电路时的电压波形图。具体实施方式[0025]如图1所示的开关放大器中，MOSFETQ1与MOSFETQ2组成推挽式开关，用于控制MOSFETQ3的开启或关闭。为追求开关放大器的性能，目前的开关放大器中，MOSFETQ3多使用大功率的器件，大功率的MOSFETQ3具有较高的开关频率，可实现快速打开或关闭。但是，当大功率的MOSFETQ3工作时，回路中存在的寄生电感L在MOSFETQ3快速开关时，将产生明显的反向感应电压，特别是在开关放大器发生过流、短路时，寄生电感L产生的反向感应电压会更高。该反向感应电压与电源电压共同作用在MOSFETQ3上，一旦MOSFETQ1上承载的电压超出MOSFETQ1的最大耐受电压，将造成MOSFETQ3的过电压损坏。本申请提供了一种MOSFET的保护电路，用于解决快速关闭MOSFETQ3时，电路中的寄生电感L产生的寄生感应电压过大，从而导致MOSFET容易受到过电压损坏的问题。[0026]本申请中的保护电路使用的工作原理为:寄生电感L的反向感应电压与MOSFETQ3的开关速度呈正比关系，其关系式为V=LXdidt，其中，V为寄生电感L的反向感应电压，L为寄生电感L的感抗，didt为寄生电感L的电流变化率，寄生电感L的电流变化率与MOSFETQ1的开关速度正比，因此本申请中用电流变化率表征MOSFETQ1的开关速度。通过该关系式可知，MOSFETQ3的开关速度越快，则寄生电感L产生的反向感应电压越高;MOSFETQ3的开关速度越慢，则寄生电感L产生的反向感应电压越低。因此，本申请的保护电路通过延缓MOSFET的开关速度，降低寄生电感L产生的反向感应电压，从而降低MOSFETQ3承受过电压的风险，进而实现对MOSFETQ3的过电压保护。[0027]图2为本申请用于MOSFET的保护电路的电路图，如图2所示，该保护电路包括串联的稳压电路S1与延迟电路S2,其中稳压电路S1包括稳压二极管D1，稳压二极管D1的负极用于连接MOSFETQ3的D极，稳压二极管D1的正极连接延迟电路S2的一端;延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极。[0028]稳压二极管D1固有一个稳压电压，当稳压二极管D1两端的电压大于该稳压电压时，稳压二极管D1将反向导通。本领域技术人员可根据电源电压与MOSFETQ3的最大耐受电压，相应的选择具有合适稳压电压的稳压二极管。[0029]在具体使用时，当驱动信号MOSDriver变低时，MOSFETQ2导通，从而控制MOSFETQ3进行关闭动作。在关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过稳压二极管D1的稳压电压，则稳压二极管D1导通，进而带动延迟电路S2导通，延迟电路S2降低MOSFETQ2的G极的电压，从而使MOSFETQ2延迟对MOSFETQ1的关闭动作。延迟MOSFETQ3的关闭动作有利于减缓MOSFETQ3的开关速度，从而降低了寄生电感L产生的反向感应电压，进而降低了MOSFETQ3承受过电压的风险。[0030]本实施例中，延迟电路S2包括串联的电阻R1与三极管Q4,电阻R1的一端连接稳压二极管D1的正极，电阻R1的另一端连接三极管Q4的b极;三极管Q4的c极用于连接MOSFETQ2的G极，三极管Q4的e极接地。其中，三极管Q4可在其导通状态时，降低MOSFETQ2的电压，从而减缓MOSFETQ3的关闭速率。[0031]在具体使用时，在关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压Vds超过稳压二极管D1的稳压电压，则稳压二极管D1导通，三极管Q4随之发生导通，三极管Q4导通后将导致MOSFETQ2的G极电压降低，使MOSFETQ2延迟导通，进而使MOSFETQ3的关闭速率降低。根据公式V=LXdidt可知，降低MOSFETQ3的关闭速率可降低寄生电感L产生的反向感应电压，从而降低了MOSFETQ3承受过电压的风险。[0032]本申请的保护电路还包括补能电路S3,补能电路S3的一端连接稳压二极管D1的正极，补电路S3的另一端用于连接MOSFETQ3的G极。在关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过稳压二极管D1的稳压电压时，则稳压二极管D1导通，进而带动补能电路S3导通。导通后的补能电路S3将在短时间内向MOSFETQ3传输电能，从而使MOSFETQ3的G极电压在短时间内得到提高，从而达到延迟MOSFETQ3的关闭动作、减缓MOSFETQ3的关闭速率的目的。[0033]本实施例中，补能电路S3包括串联的二极管D2与电阻R2,其中，二极管D2的正极连接稳压二极管D1的正极，二极管D2的负极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接MOSFETQ3的G极。[0034]在具体使用时，在关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过稳压二极管D1的稳压电压，则稳压二极管D1导通，随之带动二极管D2导通。二极管D2内的电流通过电阻R2传至MOSFETQ3的G极，使MOSFETQ3在短时间内保持导通状态，从而达到延迟MOSFETQ3的关闭动作、减缓MOSFETQ3的关闭速率的目的。[0035]本申请的保护电路还包括吸能电路S4用于并联在MOSFETQ3的D极与S极的两端，吸能电路S4用于吸收寄生电感L施加在MOSFETQ3上的反向感应电能，从而避免反向感应电压全部施加在MOSFETQ3上，导致MOSFETQ3受过电压而损坏的现象发生。[0036]本实施例中，吸能电路S4包括一电容C，电容C并联在MOSFETQ3的D极与S极的两端，在关闭MOSFETQ3时，电容C可吸收寄生电感L施加在MOSFETQ3上的反向感应电能。[0037]本申请的用于MOSFET的保护电路具有良好的使用效果，以下将通过一些试验数据说明，在快速关闭MOSFETQ3时，该保护电路可有效的保护MOSFETQ3免受过电压的损坏。[0038]图3为未设置保护电路时的电压波形图，其中，L1为MOSFETQ3的D极与S极之间的电压Vds随时间变化的图形，L2为MOSFETQ3的G极电压的随时间变化的图形，L3为MOSFETQ2的G极电压的随时间变化的图形，L4为驱动信号MOSDriver随时间变化的图形。如图3所示，当MOSDRIVER电平信号由低变高时，MOSFETQ2导通，从而使大功率MOSFETQ3关闭，回路的寄生电感L1产生的反向感应电压叠加在大功率MOSFETQ3上，使得大功率MOSFETQ3的Vds电压高达600V。[0039]图4为设置保护电路时的电压波形图，其中，T1为MOSFETQ3的D极与S极之间的电压Vds随时间变化的图形，T2为MOSFETQ3的G极电压的随时间变化的图形，T3为MOSFETQ2的G极电压的随时间变化的图形，T4为驱动信号MOSDriver随时间变化的图形。如图4所示，当MOSDRIVER电平信号由低变高时，MOSFETQ2导通，从而使大功率MOSFETQ3关闭，主回路的寄生电感L1产生的反向感应电压叠加在大功率MOSFETQ3上。当稳压二极管D1检测到大功率MOSFETQ3的Vds电压尖峰过高时，保护电路开始动作，稳压二极管D1导通，使三极管Q4与二极管D2导通，进而MOSFETQ2的G极电压由高变低，使得大功率MOSFETQ3的G极电压由低变高，从而减缓了大功率MOSFETQ3的开关速度，将大功率MOSFETQ3的VDS电压尖峰降至300V。通过对比图3与图4的试验结果可知，在设置保护电路之后，在关闭MOSFETQ3时，大大降低了MOSFETQ3的Vds的电压尖峰，从而降低了MOSFETQ3发生过电压损害的风险[0040]本申请的用于MOSFET的保护电路包括稳压电路S1、延迟电路S2与补能电路S3，其中稳压电路S1包括稳压二极管D1。稳压二极管D1的负极连接MOSFETQ3的D极，稳压二极管D1的正极分别连接延迟电路S2与补能电路S3;延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极，补能电路S3的另一端连接MOSFETQ3的G极。使用中，关闭MOSFETQ3的起始时刻，若MOSFETQ3的VDS电压超过稳压电压，则稳压二极管01导通，进而使延迟电路S2与补能电路33均导通。延迟电路S2导通，使MOSFETQ2的G极的电压降低，从而延迟MOSFETQ3关闭。补能电路S3导通，使MOSFETQ3的G极的在短时间仍处于导通状态，从而延迟MOSFETQ3关闭。延迟MOSTOTQ3的关闭动作，即可减缓MOSFETQ3的开关速度，使反向感应电压减小，进而降低了MOSFETQ3承受过电压的风险。[0041]另外，本申请的保护电路全部采用分立器件的组装完成，因此，具有较高的可靠性与抗干扰性。本保护电路与工作电路采用了稳压二极管D3进行隔离，因此，确保了两个之间不发生相互干扰。[0042]以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

权利要求：1.一种用于MOSFET的保护电路，其特征在于，所述电路包括串联的稳压电路S1与延迟电路S2,其中所述稳压电路S1包括稳压二极管D1，所述稳压二极管D1的负极用于连接MOSFETQ3的D极，所述稳压二极管D1的正极连接所述延迟电路S2的一端；所述延迟电路S2的另一端连接MOSFETQ2的G极，当关闭MOSFETQ3时，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过所述稳压二极管D1的稳压电压，则所述稳压二极管D1导通，带动所述延迟电路S2导通，使MOSFETQ2的G极的电压降低，从而使MOSFETQ2延迟对MOSFETQ1的关闭动作。2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述延迟电路S2包括串联的电阻R1与三极管Q4,所述电阻R1的一端连接所述稳压二极管D1的正极，所述电阻R1的另一端连接所述二极管Q4的b极；所述三极管Q4的c极用于连接MOSFETQ2的G极，所述三极管Q4的e极接地。3.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括补能电路S3,所述补能电路S3的一端连接所述稳压二极管D1的正极，所述补能电路S3的另一端用于连接MOSFETQ3的G极，当关闭MOSFETQ3时，若MOSFETQ3的D极与S极之间的电压VDS超过所述稳压二极管D1的稳压电压，则所述稳压二极管D1导通，带动所述补能电路S3导通，使MOSFETQ3的G极的电压提高，从而使MOSFETQ3的关闭动作延迟。4.如权利要求3所述的保护电路，其特征在于，所述补能电路S3包括串联的二极管D2与电阻R2，所述二极管D2的正极连接所述稳压二极管D1的正极，所述二极管D2的负极连接所述电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端连接MOSFETQ3的G极。5.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括吸能电路S4，所述吸能电路S4用于并联在MOSFET⑽的D极与S极的两端，所述吸能电路S4用于吸收寄生电感L施加在MOSFETQ3上的反向感应电能。6.如权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述吸能电路S4包括一电容C，所述电容C并联在MOSFETQ3的D极与S极的两端。

百度查询： 云南电网有限责任公司电力科学研究院 一种用于MOSFET的保护电路

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