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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910317744.9(22)申请日 2019.04.19(71)申请人 闽江学院地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇溪源宫路200号(72)发明人 蒋学程 陈金恩 林宏 贾俊荣 赖炜杰 张孝炜 (74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限公司 35100代理人 蔡学俊(51)Int.Cl.H02H 7/085(2006.01)(54)发明名称一种新型的电机驱动过流保护电路及其过流保护方法(57)摘要本发明涉及一种新型的电机驱动过流保护电路及其过流保护方法。
包括电流采样电路、放大电路、电压比较电路、光耦合器自锁电路、过流复位电路、启动延时电路和关断电路。
本发明电路具有自锁和隔离的功能，保证电路过流后能保持关闭状态，并具有复位功能，能够实现电机带自锁功能的过流保护。
权利要求书2页 说明书4页 附图1页CN 109904843 A 2019.06.18C N 109904843A权 利 要 求 书1/2页CN 109904843 A1.一种新型的电机驱动过流保护电路，其特征在于，包括电流采样电路、放大电路、电压比较电路、光耦合器自锁电路、过流复位电路、启动延时电路和关断电路；所述电流采样电路包括水泥电阻、第一电阻、第一电容，水泥电阻一端与母线、第一电阻的一端，第一电阻的另一端经第一电容与水泥电阻的另一端相连接至地；所述放大电路包括第二电阻、第三电阻、第一运算放大器，第二电阻的一端连接至地，第二电阻的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的反相端与第一电阻和第一电容的连接点连接，第一运算放大器的同相端与第二电阻和第三电阻的连接点连接；所述电压比较电路包括第二运算放大器、第四电阻、第五电阻、第七电阻，第二运算放大器的同相端与第一运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的反相端经第四电阻连接至+15V电源，第二运算放大器的反相端还经第五电阻连接至地，第一运算放大器的输出端经第七电阻与所述光耦合器自锁电路连接；所述光耦合器自锁电路包括第一光耦合器、第三管耦合器、第一三极管、第八电阻、发光二极管，第一三极管的基极与第七电阻连接，第一三极管的集电极经第八电阻连接至+ 15V电源，第一三极管的集电极还与第一光耦合器的接收端集电极连接，第一三极管的发射极与第一光耦合器的发射端阳极、第一光耦合器的接收端发射极连接，第一光耦合器的发射端阴极与第三光耦合器的发射端阳极连接，第三光耦合器的发射端阴极经发光二极管连接至地，第三光耦合器的接收端集电极、接收端发射极与所述启动延时电路连接，所述第一光耦合器的发射端阳极、发射端阴极与所述过流复位电路连接；所述过流复位电路包括第二光耦合器、第六电阻，第二光耦合器的发射端阳极经第六电阻连接至+5V电源，第二光耦合器器的发射端阴极作为过流复位引脚，第二光耦合器的接收端集电极、接收端发射极分别与所述第一光耦合器的发射端阳极、发射端阴极连接；所述启动延时电路包括第九电阻、第二电容，第九电阻的一端连接至+5V电源，第九电阻的另一端与第二电容的一端相连接至第三光耦合器的接收端集电极，第二电容的另一端连接至第三光耦合器的接收端发射极；所述关断电路包括第十电阻、第二三极管，所述第二三极管的基极与第二电容的一端连接，第二三极管的发射极与第二电容的另一端相连接至地，第二三极管的集电极经第十电阻连接至+5V电源，第二三极管的集电极还作为PWM关断脚。
一种简单的IGBT驱动和过流保护电路王永，沈颂华（北京航空航天大学，北京100083）摘要：讨论了IGBT驱动电路对其静态和动态特性的影响以及对驱动电路与过流保护电路的要求。
利用IGBT的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系的特性，设计了一个具有完善的过流保护功能的IGBT驱动电路。
经分析和实验表明，该电路具有简单、实用、可靠性高等优点。
关键词：IGBT；驱动电路；过流保护中图分类号：TM131.4文献标识码：B文章编号：1001-1390（2004）04-0025-03Wang Yong，Shen Songhua(Beihang University，Beijing100083，China)Abstract:The infiuence of static state and dynamic characteristic by IGBT drive circuit and the reguirements for drive and over-current protection circuit are described.A new circuit of IGBT drive and over-current protection circuit with perfect performance is de-veioped.It based on the principie of coiiector-emitter saturation voitage-drop approxi-mateiy proportion to the coiiector current.Anaiysis and experiment resuits show that the new circuit has the advantages of simpie，reiiabie，great appiication vaiue and so on. Key words:IGBT；driving circuit；over-current protectionA simple IGBT drive and over-current protection circuit0前言绝缘门极双极型晶体管（Isoiated Gate Bipoiar Transistor）简称IGBT，也被称为绝缘门极晶体管。
buck型DC-DC变换器是一种常见的电源转换器，用于将高压直流电源转换为稳定的低压直流电源，广泛应用于电子设备和通信系统中。
在设计buck型DC-DC变换器时，保护电路的设计至关重要，可以有效保护电路和相关元器件，提高整个系统的可靠性和稳定性。
本文将从保护电路的设计入手，对buck型DC-DC变换器进行深入研究和分析。
1. 保护电路的作用保护电路是buck型DC-DC变换器中的重要组成部分，其主要作用是防止过流、过压、过温等异常情况对电路和元器件造成损坏。
通过及时检测异常信号并采取相应的保护措施，可以有效避免电路的故障和损坏，延长系统的使用寿命。
2. 过流保护电路设计过流是buck型DC-DC变换器中常见的故障情况之一，如果电流超过设定的安全范围，将会对电路和元器件造成严重的损害。
在设计过流保护电路时，需要合理选择电流传感器和保护元件，并设置合适的保护触发门槛。
常用的过流保护电路包括电流限制器、熔断器和过流保护芯片等，通过这些器件的合理组合可以实现对电路的有效保护。
3. 过压保护电路设计过压是另一种常见的故障情况，当输入电压超过设定的安全范围时，将对电路和元器件产生严重的影响。
在设计过压保护电路时，需要考虑输入电压的波动范围和保护触发门槛，并选择合适的过压保护器件进行搭配。
常用的过压保护电路包括过压保护芯片、击穿二极管和电容滤波器等，通过这些器件的合理配置可以有效防止过压对电路的损坏。
4. 过温保护电路设计过温是buck型DC-DC变换器中的另一个重要故障情况，当工作温度超过元器件的最大承受温度时，将会导致电路的失效和损坏。
在设计过温保护电路时，需要合理选择温度传感器和保护器件，并设置适当的保护触发温度。
常用的过温保护电路包括温度开关、热敏电阻和温度保护芯片等，通过这些器件的合理配置可以实现对电路的及时保护。
5. 其他保护电路设计除了上述提到的过流、过压和过温保护电路外，buck型DC-DC变换器的保护系统还需要考虑短路保护、输入欠压保护和输出失稳保护等其他故障情况。
IGBT过流保护电路设计张海亮;陈国定;夏德印【摘要】In order to solve the over-current breakdown problem of insulated gate bipolar transistor (IGBT) in practical applications, short-circuit protection circuit and overload protection circuits were proposed according to the IGBT's collector current, after the analysis of IGBT's characteristics and over-current measures. When overload protection circuits detected over-current, it switched off IGBT immediately, IGBT's drive signal can be blocked continuously, for fixed time or for a single cycle based on different overload protection requirements; short-circuit protection circuit detected the over-current by measuring IGBT's on-state voltage drop, using dropping the grid voltage, soft switch-off and reducing IGBT's working frequency the circuit can decrease short-circuit current and switch off IGBT safely. Detailed elaboration of circuits' operating mechanism was given. The over-current testing of the all designed protection circuits was done. The waveform graphs were obtained. The experimental results indicate that protection circuits can detect over-current in time and response accurately, IGBT is protected reliably under different over—current conditions.%为解决绝缘栅双极性晶体管(IGBT)在实际应用中经常出现的过流击穿问题,在分析了IGBT过流特性和过流检测方法的基础上,根据过流时IGBT集电极电流的大小分别设计了过载保护电路和短路保护电路.过载保护电路在检测到过载时立即关断IGBT,根据不同的过载保护要求可实现持续封锁、固定时间封锁及单周期封锁IGBT的驱动信号；短路保护电路通过检测IGBT通态压降判别短路故障,利用降栅压、软关断和降频综合保护技术降低短路电流并安全关断IGBT.详细阐述了保护电路的保护机制及电路原理,最后对设计的所有保护电路进行了对应的过流保护测试,给出了测试波形图.试验结果表明,IGBT 保护电路能及时进行过流检测并准确动作,IGBT在不同的过流情况下都得到了可靠保护.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)008【总页数】5页(P966-970)【关键词】绝缘栅双极性晶体管;过流保护;降栅压;软关断【作者】张海亮;陈国定;夏德印【作者单位】浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023;浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023【正文语种】中文【中图分类】TN386.2;TM130 引言IGBT既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有巨型晶体管（GTR）的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，广泛应用于电机调速、UPS、开关电源等领域。
过流保护电路如上图所示;此电路是过流保护电路,其中100kΩ电阻用来限流,通过比较器LM311对电流互感器采样转化的电压进行比较,LM311的3脚接一10k Ω电位器来调比较基准电压,输出后接一100Ω的电阻限流它与后面的220μF的电容形成保护时间控制;当电流过流时比较器输出是高电平产生保护,使SPWM不输出,控制场效应管关闭,等故障消除,比较器输出低电平,逆变器又自动恢复工作;1.第一个部分是电阻取样...负载和R1串联...大家都知道.串联的电流相等...R2上的电压随着负载的电流变化而变化...电流大,R2两端电压也高...R3 D1组成运放保护电路...防止过高的电压进入运放导致运放损坏...C1是防止干扰用的...2.第二部分是一个大家相当熟悉的同相放大器...由于前级的电阻取样的信号很小...所以得要用放大电路放大.才能用...放大倍数由VR1 R4决定...3.第三部分是一个比较器电路...放大器把取样的信号放大...然后经过这级比较...从而去控制后级的动作...是否切断电源或别的操作...比较器是开路输出.所以要加上上位电阻...不然无法输出高电平...4.第四部分是一个驱动继电器的电路...这个电路和一般所不同的是...这个是一个自锁电路... 一段保护信号过来后...这个电路就会一直工作...直到断掉电源再开机...这个自锁电路结构和单向可控硅差不多.1 采用电流传感器进行电流检测过流检测传感器的工作原理如图1所示;通过变流器所获得的变流器次级电流经I／V转换成电压,该电压直流化后,由电压比较器与设定值相比较,若直流电压大于设定值,则发出辨别信号;但是这种检测传感器一般多用于监视感应电源的负载电流,为此需采取如下措施;由于感应电源启动时,启动电流为额定值的数倍,与启动结束时的电流相比大得多,所以在单纯监视电流电瓶的情况下,感应电源启动时应得到必要的输出信号,必须用定时器设定禁止时间,使感应电源启动结束前不输出不必要的信号,定时结束后,转入预定的监视状态;2 启动浪涌电流限制电路开关电源在加电时,会产生较高的浪涌电流,因此必须在电源的输入端安装防止浪涌电流的软启动装置,才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围内;浪涌电流主要是由滤波电容充电引起,在开关管开始导通的瞬间,电容对交流呈现出较低的阻抗;如果不采取任何保护措施,浪涌电流可接近数百A; 开关电源的输入一般采用电容整流滤波电路如图2所示,滤波电容C可选用低频或高频电容器,若用低频电容器则需并联同容量高频电容器来承担充放电电流; 图中在整流和滤波之间串入的限流电阻Rsc是为了防止浪涌电流的冲击;合闸时Rsc 限制了电容C的充电电流,经过一段时间,C上的电压达到预置值或电容 C1上电压达到继电器T动作电压时,Rsc被短路完成了启动;同时还可以采用可控硅等电路来短接Rsc;当合闸时,由于可控硅截止,通过Rsc对电容C进行充电,经一段时间后,触发可控硅导通,从而短接了限流电阻Rsc;3 采用基极驱动电路的限流电路在一般情况下,利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开;控制电路与输出电路共地,限流电路可以直接与输出电路连接,工作原理如图3所示,当输出过载或者短路时,V1导通,R3两端电压增大,并与比较器反相端的基准电压比较;控制PWM信号通断;4 通过检测IGBT的Vce 当电源输出过载或者短路时,IGBT的Vce值则变大,根据此原理可以对电路采取保护措施;对此通常使用专用的驱动器EXB841,其内部电路能够很好地完成降栅以及软关断,并具有内部延迟功能,可以消除干扰产生的误动作;其工作原理如图4所示,含有IGBT过流信息的Vce不直接发送到EXB841 的集电极电压监视脚6,而是经快速恢复二极管VD1,通过比较器IC1输出接到EXB841的脚6,从而消除正向压降随电流不同而异的情况,采用阈值比较器,提高电流检测的准确性;假如发生了过流,驱动器：EXB841的低速切断电路会缓慢关断IGBT,从而避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件;为避免在使用中因非正常原因造成输出短路或过载,致使调整管流过很大的电流,使之损坏;故需有快速保护措施; 过流保护电路有限流型和截流型两种;限流型：当调整管的电流超过额定值时,对调整管的基极电流进行分流,使发射极电流不至于过大;图4-2为其简要电路图;图中R为一小电阻,用于检测负载电流;当IL不超过额定值时,T1、截止；当IL超过额定值时,T'1导通,其集电极从T1的基极分流;从而实现对T1管的保护截流型:过流时使调整管截止或接近截止;应用于大功率电源电路中;图4-3为其电路图;输出电流在额定值内时：三极管T2截止,这时,电压负反馈保证电路正常工作;输出电流超出额定值时：UB电压上升,三极管T2导通,使UO迅速下降,由于R1、R2>>RO,故UB的下降速度慢于UO,使UO迅速下降到0,实现了截流作用;过电流保护有多种形式,如图1所示,可分为额定电流下垂型,即フ字型；恒流型；恒功率型,多数为电流下垂型;过电流的设定值通常为额定电流的110％～130％;一般为自动恢复型; 图1①②③中表示电流下垂型,表示恒流型,表示恒功率型;用于变压器初级直接驱动电路中的限流电路在变压器初级直接驱动的电路如单端正激式变换器或反激式变换器的设计中,实现限流是比较容易的;图2是在这样的电路中实现限流的两种方法; 图2电路可用于单端正激式变换器和反激式变换器;图2a与图2b中在MOSFET 的源极均串入一个限流电阻Rsc,在图2a中,Rsc提供一个电压降驱动晶体管S2导通,在图2b中跨接在Rsc上的限流电压比较器,当产生过流时,可以把驱动电流脉冲短路,起到保护作用; 图2a与图2b相比,图2b 保护电路反应速度更快及准确;首先,它把比较放大器的限流驱动的门槛电压预置在一个比晶体管的门槛电压Vbe更精确的范围内；第二,它把所预置的门槛电压取得足够小,其典型值只有100mV～200mV,因此,可以把限流取样电阻Rsc的值取得较小,这样就减小了功耗,提高了电源的效率;图2在单端正激式或反激式变换器电路中的限流电路当AC输入电压在90～264V范围内变化,且输出同等功率时,则变压器初级的尖峰电流相差很大,导致高、低端过流保护点严重漂移,不利于过流点的一致性;在电路中增加一个取自＋VH 的上拉电阻R1,其目的是使S2的基极或限流比较器的同相端有一个预值,以达到高低端的过流保护点尽量一致;用于基极驱动电路的限流电路在一般情况下,都是利用基极驱动电路把电源的控制电路和开关晶体管隔离开来;变换器的输出部分和控制电路共地;限流电路可以直接和输出电路相接,其电路如图3所示;在图3中,控制电路与输出电路共地;工作原理如下：电路正常工作时,负载电流IL流过电阻Rsc产生的压降不足以使S1导通,由于S1在截止时IC1=0,电容器C1处于未充电状态,因此晶体管S2也截止;如果负载侧电流增加,使IL达到一个设定的值,使得ILRsc=Vbe1＋Ib1R1,则S1导通,使电容器C1充电,其充电时间常数τ=R2C1,C1上充满电荷后的电压是VC1=Ib2R4＋Vbe2;在电路检测到有过流发生时,为使电容器C1能够快速放电,应当选择R4;无功率损耗的限流电路上述两种过流保护比较有效,但是Rsc的存在降低了电源的效率,尤其是在大电流输出的情况下,Rsc上的功耗就会明显增加;图4电路利用电流互感器作为检测元件,就为电源效率的提高创造了一定的条件; 图4电路工作原理如下：利用电流互感器T2监视负载电流IL,IL在通过互感器初级时,把电流的变化耦合到次级,在电阻R1上产生压降;二极管D3对脉冲电流进行整流,经整流后由电阻R2和电容C1进行平滑滤波;当发生过载现象时,电容器C1两端电压迅速增加,使齐纳管D4导通,驱动晶体管S1导通,S1集电极的信号可以用来作为电源变换器调节电路的驱动信号;电流互感器可以用铁氧体磁芯或MPP环型磁芯来绕制,但要经过反复实验,以确保磁芯不饱和;理想的电流互感器应该达到匝数比是电流比;通常互感器的Np=1,Ns=NpIpR1/Vs＋VD3;具体绕制数据最后还要经过实验调整,使其性能达到最佳状态;1.4用555做限流电路图6为用555做限流保护的电路,其工作原理如下：UC384X与S1及T1组成一个基本的PWM变换器电路;UC384X系列控制IC有两个闭环控制回路,一个是输出电压Vo反馈至误差放大器,用于同基准电压Vref比较之后产生误差电压为了防止误差放大器的自激现象产生,直接把脚2对地短接；另一个是变压器初级电感中的电流在T2次级检测到的电流值在R8及C7上的电压,与误差电压进行比较后产生调制脉冲的脉冲信号;当然,这些均在时钟所设定的固定频率下工作;UC384X具有良好的线性调整率,能达到％/V；可明显地改善负载调整率；使误差放大器的外电路补偿网络得到简化,稳定度提高并改善了频响,具有更大的增益带宽乘积;UC384X有两种关闭技术；一是将脚3电压升高超过1V,引起过流保护开关关闭电路输出；二是将脚1电压降到1V 以下,使PWM比较器输出高电平,PWM锁存器复位,关闭输出,直到下一个时钟脉冲的到来,将PWM锁存器置位,电路才能重新启动;电流互感器T2监视着T1的尖峰电流值,当发生过载时,T1的尖峰电流迅速上升,使T2的次级电流上升,经D1整流,R9及C7平滑滤波,送到IC1的脚3,使IC1的脚1电平下降注意：接IC1脚1的R3,C4必须接成开环模式,如接成闭环模式则过流时555的脚7放电端无法放电;IC1的脚1与IC2的脚6相连接,使IC2的比较器1同相输入端的电压降低,触发器Q输出高电平,V1导通,IC2的脚7放电,使IC1的脚1电平被拉低于1V,则IC1输出关闭,S1因无栅极驱动信号而关闭,使电路得到保护;若过流不消除,则重复上述过程,IC1重新进入启动、关闭、再启动、再关闭的循环状态,即“打嗝＂现象;而且,过负载期间,重复进行着启振与停振,但停振时间长,启振时间短,因此电源不会过热,这种过负载保护称为周期保护方式当输入端输入电压变化范围较大时,仍可使高、低端的过流保护点基本相同;其振荡周期由555单稳多谐振荡器的RC时间常数τ决定,本例中τ=R1C1,直到过载现象消失,电路才可恢复正常工作;电流互感器T2的选择同的互感器计算方法;图6电路,可以用在单端反激式或单端正激式变换器中,也可用在半桥式、全桥式或推挽式电路中,只要IC1有反馈控制端及基准电压端即可,当发生过流现象时,用555电路的单稳态特性使电路工作在“打嗝＂状态下;1.5几种过流保护方式的比较作者经过长期的研发与生产,比较了开关电源中所使用的各种过流保护方法,可以说,几乎没有一种过流保护方式是万能的,只有用555的保护方式性能价格比是较好的;一般来说,选择何种过流保护方式,都要结合具体的电路变换模式而做出相应的选择;只有经过认真的分析,大量的实验才能找到最适合的过流保护方式;保护方式设计的合理、有效,意味着产品的可靠性才可能更高;。
过流保护电路课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握过流保护电路的基本原理和组成，理解其在电力系统中的重要作用。
2. 使学生了解不同类型的过流保护装置及其工作特性，能分析其适用场合。
3. 帮助学生掌握过流保护参数的整定方法，并能根据实际需求进行简单计算。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和设计过流保护电路的能力。
2. 提高学生动手实践能力，能正确搭建和调试过流保护电路。
3. 培养学生查阅相关资料和文献，获取过流保护方面知识的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对电力电子技术领域的兴趣，培养其探索精神和创新意识。
2. 培养学生团队协作精神，使其在合作中共同解决问题，共同进步。
3. 增强学生安全意识，使其在实际操作中严格遵守操作规程，确保人身和设备安全。
课程性质：本课程为电子技术专业课程，以理论教学与实践操作相结合的方式进行。
学生特点：学生已具备一定的电子技术基础，具有一定的分析和动手能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
通过课程学习，使学生能够独立分析和设计过流保护电路，为后续专业课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 过流保护电路基本原理：包括电流的特性、过流保护的必要性及其工作原理。
相关教材章节：第一章第三节。
2. 过流保护装置类型及特性：介绍常见的过流保护装置，如熔断器、断路器、继电器等，分析其工作特性和适用范围。
相关教材章节：第二章第一、二节。
3. 过流保护参数整定方法：讲解过流保护参数的整定原则和方法，包括电流互感器的变比、时间继电器的动作时间等。
相关教材章节：第三章第一节。
4. 过流保护电路的设计与搭建：介绍过流保护电路的设计步骤，指导学生进行实际操作，搭建和调试过流保护电路。
相关教材章节：第四章。
5. 实践与案例分析：组织学生进行实验，分析实际案例，加深对过流保护电路的理解。
相关教材章节：第五章。
教学进度安排：第一周：过流保护电路基本原理及装置类型；第二周：过流保护参数整定方法；第三周：过流保护电路设计与搭建；第四周：实践与案例分析。
如何设计出简单实用的IGBT驱动电路？2014-07-23来源：电子信息网分析IGBT驱动条件后再介绍几种常见IGBT驱动电路，并给出各自电路的优缺点，本文自行设计了的一种简单、实用的新型IGBT驱动电路。
实践表明，该电路经济、实用、安全、可靠，同时具有优良的IGBT过电流保护功能，应用前景好。
绝缘门极双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT。
也称绝缘门极晶体管。
由于IGBT内具有寄生晶闸管，所以也可称作为绝缘门极晶闸管，它是八十年代中期发展起来的一种新型复合器件。
由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低耐压高的优点，因此发展很快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有取代MOSFET和GTR的趋势。
但在IGBT实际应用中一个要重点考虑的问题是其栅极驱动电路设计的合理与否，在此我们自行设计了一种简单尔实用的驱动电路，并取得了很好的效果。
IGBT的驱动条件IGBT的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。
栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE和栅极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。
门极驱动条件与器件特性的关系如表1所示。
表1 门极驱动条件与器件特性的关系当VGS增加时，通态电压下降，IGBT的开通能量损耗下降，但是VGE 不能随意增加，因为VGE 增加到一定程度之后对IGBT的负载短路能力及dVCE/dt电流有不利影响。
负偏压-VGE的影响负偏压也是很重要的门极驱动条件，它直接影响IGBT的可靠运行。
虽然-VGE 对关断能耗没有显著影响，担负偏压的增高会使漏极浪涌电流明显下降，从而避免过大的漏极浪涌电流使IGBT 发生不可控的擎住现象。
门极电阻RG的影响门极电阻增加，使IGBT的开通与关断能耗均增加，门极电阻减小又使di/dt 增大，可能引发IGBT 误导通，同时RG上的能耗也有所增加。
过压过流保护电路设计过压过流保护电路是电子设备中非常重要的一种保护机制，能够有效地保护电路、电源和设备安全。
本文将介绍过压过流保护电路的设计原理和实现方法，主要包括过压保护电路、过流保护电路和整合过压过流保护电路。
过压保护电路是一种用于保护电子设备电路不受过高电压损害的电路。
其设计基于普通开关稳压电源，当输入电压超过可承受范围时，过压保护电路将不会通过输出端口向下的电路供电，从而使电路不受过高电压损害。
过压保护电路一般由电源稳压芯片、输血电阻、稳压二极管、开关二极管和放电二极管等组成。
输血电阻的作用是降低过高的输入电压，稳压二极管用于稳定输出电压，开关二极管用于控制输出电流的开关状态，放电二极管用于保护电源和电路不会受到电流的反冲击。
过压过流保护电路能够保护电路、电源和设备免受过压和过流损害，是电子设备中不可或缺的保护机制。
通过学习以上的设计原理和实现方法，可以更好地理解和应用该电路，提高电子设备的安全性和稳定性。
实际上，过压过流保护电路已经广泛应用于电子设备中，如手机、电脑、电视等。
它不仅可以保护电子设备本身，还可以保护用户的安全。
在使用充电器充电时，由于一些原因可能导致过压和过流现象，如果没有过压过流保护电路，充电器可能会过热甚至发生爆炸，从而对用户造成伤害。
从设计角度来看，过压过流保护电路的实现并不困难。
它可以通过选择合适的稳压芯片、二极管、电容等元器件进行电路设计和搭建，同时调整稳压芯片和比较器的参数，达到最佳的保护效果。
在实际应用中，需要根据具体需要进行适当的调整和优化，并进行充分的测试和验证，确保电路的安全可靠性。
随着市场对节能环保的要求日益增强，可以考虑采用智能化的过压过流保护电路，使设备在满足保护需要的能够实现尽可能的节能和环保效果。
在充电器中，可以通过控制输出电压和电流的大小和速度，实现节省能源的目的。
对于一些重要的应用场景，如汽车电路、机器人控制系统等，过压过流保护电路也具有重要的应用价值。
一种新型过流保护电路设计摘要：与多数以“中断”模式实现保护不同，文章提出了一种用于低压差线性稳压器（LDO）的过流保护电路设计新方案，通过“屏蔽电路”屏蔽过流信号，使LDO 不因过流信号干扰而中断运行。
为了防止屏蔽时间内的过大电流烧毁功率管，提供过大电流关断电路，当屏蔽时间内负载电流太大可能瞬间烧毁功率管时能及时关断功率管，保证功率管的安全。
该电路的屏蔽时间可以根据需要设定。
CSMC 0.5 μm BiCMOS 工艺Cadence spectre 仿真结果表明，改进后的过流保护电路能有效屏蔽设定时间内的过流信号，扩大了正常工作区的范围，保证了LDO 更高效安全地运行。
1 引言低压差线性稳压器（Low-Dropout Vol t a geRegulator，LDO）具有结构简单、低噪声、低功耗以及小封装和较少的外围应用器件等突出优点，在便携式电子产品（笔记本、数码相机等）中得到广泛应用。
近年来，关于LDO 的讨论焦点几乎都集中在提高LDO 系统性能上，比如稳定性、集成化设计和响应速度。
文献使用动态频率补偿技术设计了一款任意负载范围都稳定的LDO；文献[3]对误差放大器通过内部零极点补偿使得LDO 在无需外接ESR 电容情况下就能保持稳定，实现SOC 应用；文献在误差放大器与功率管栅极之间通过连接一个单位增益缓冲器提高LDO 的响应速度。
在实际应用中，用来保护这些LDO 不被过高电流损坏的高性能过流保护电路同样是稳压器性能的主要指标之一。
近年来关于LDO 中过流保护电路的讨论很少，有限的研究也只限于提高过流保护电路中感应电流的精度以及对过流保护电路中输出电路的改进以减小过流时的功耗等。
但它们都是以“中断”的模式工作。
文献[9]从方便用户的角度对过流保护电路进行改进，提出了可供用户自己选择关闭系统或者让系统继续工作的思路。
该方案提供了一个过流检测报警系统，由用户决定系统是否继续运行，但瞬时的大过流信号仍可能瞬间击穿或烧毁功率管。
为了让系统更高效地运行同时又能保证安全工作，我们提出了一种新型过流保护电路的设计方案，通过屏蔽电路屏蔽其过流幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号，自动保障系统继续工作；而仅当过流信号的幅值和持续作用时间超过设定范围时，系统才处于“中断”状态，从而能使LDO 更高效和安全地运行。
2 “屏蔽”模式工作原理LDO 由误差放大器EA、电压基准源、功率管、反馈环路、保护电路和负载电路构成。
基本电路取样电压VFB 加在误差放大器EA 的同相输入端，与加在反相输入端的基准电压Vre f 相比较，两者的差值经EA 放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。
如果负载电流超过限制电流，功率管将在持续大电流的作用下烧毁。
电路在过流作用下的工作情况取决于功率管的承受能力，以及过流幅值和持续作用时间。
传统的过流保护电路由电流感应电路、比较电路以及输出级组成，分为恒流式过流保护和折返式过流保护。
传统的过流保护电路采用的是“中断”模式，对于任何过流情况，只要负载电流大于限制电流，都将使LDO 中断运行。
当负载电流超过限制电流ILIMIT 不太多且持续作用时间不太长时，我们希望过流保护电路能保持LDO 不中断工作，因此需要采用“屏蔽”模式屏蔽掉部分可以让LDO 不中断运行的过流信号，对于过流幅值和持续作用时间超过范围的过流信号，过流保护电路又能采取中断LDO 工作的模式。
传统的“中断”模式电流保护电路工作状态如图1（a）所示，分为正常工作区Ⅰ和“中断”区Ⅱ，当负载电流不超过ILIMIT 时，LDO 工作在正常工作区，当负载电流超过ILIMIT 时LDO 进入“中断”区。
加入“屏蔽”模式后的过流保护电路工作状态如图1（b），分为正常工作区Ⅲ、屏蔽区Ⅳ以及中断区Ⅴ，当负载电流小于ILIMIT 时，LDO 处于正常工作区，当过流信号的幅值在ILIMIT 和最大幅值电流IMAX 之间，持续作用时间在t=tMAX 之内即同时满足ILIMIT ≤ ILOAD ≤ IMAX，t ≤tMAX 时，LDO 进入屏蔽区，这个范围之外的过流信号将进入中断区。
对比图1（a）和（b）可以看出，改进过流保护电路后的LDO 的正常工作区包括图1（b）的正常工作区Ⅲ和“屏蔽”区Ⅳ，增大了工作区的范围，提高了LDO 的工作效率。
图1 过流保护原理图包含过流保护电路的LDO整体框图如图2所示，虚线左边是LDO 主体电路，包括误差放大器、功率管、负载电阻以及分压电阻。
虚线右边部分为电流保护电路，主要作用是感应并检测负载电流是否超过限制电流，然后通过控制功率管来决定是否使LDO 中断运行，包括电流感应电路和控制电路。
传统的过流保护电路只采用图2 中实框Ⅱ所示的“中断”模式（不包括虚框），对于任何负载过流情况，不论持续作用时间如何，都使LDO 中断工作；本文在传统的“中断”模式基础上，增加了“屏蔽”模式（如图2 中虚框Ⅰ），能有效屏蔽希望LDO不中断工作的过流信号，使LDO更高效运行，同时保留“中断”模式，保证LDO 安全工作。
图2 带过流保护电路的LDO 框图3 “屏蔽”模式电路实现图3 是改进前后的过流保护电路图。
不加虚框部分是传统的“中断”模式过流保护电路，由电流感应电路、比较电路以及输出级电路组成。
电流感应电路采样功率管电流。
采样得到的电流和限制电流ILIMIT 分别转化为比较器的两输入端电压VSENSE 和VLIMIT 并进行比较，得到VCO。
VCO作用于输出级电路以控制功率管栅极电压。
如果负载过流，过流保护电路使得功率管栅极电压PG 为高电平，强行使LDO中断。
图3 改进后的电流保护电路图如果我们在电路中加入图3 虚框A 区所示的电路结构，电路将变为“屏蔽”模式电流保护。
屏蔽电路由延时电路、或非门构成。
比较器甲输出的信号VB1 经过延时后得到VB2，VB1 和VB2 进行或非运算再经过一次反向后得到屏蔽电路的输出信号VBOUT。
由于逻辑或运算只能使同时为1 的两个信号保持不变，因此，可以通过或非门和反相器消除掉延迟时间内的脉冲信号。
在过流保护电路中增加屏蔽电路，则可屏蔽掉延迟时间内的过流信号，但如果负载电流太大，可能瞬间烧毁功率管，因此需要相应的关断电路。
当负载电流超过最大限制电流IMAX 时，过流保护电路能不经过延迟直接关断LDO。
图3 虚框B 区电路能解决屏蔽时间内大电流可能导致功率管瞬间烧毁的问题，当延迟时间内出现很大过流信号时，能及时关断功率管，保证系统安全。
关断电路由比较器乙和NMOS 开关管M1 组成。
当过流信号超过最大限制电流I MAX（此时VSE NSE>VMAX）时，比较器乙输出VCOUT 为高电平导致开关管M1 导通，使得VCO 强行为低电平而不受屏蔽电路影响并同步关断LDO，保证功率管安全。
当过流电流不是太大时，比较器输出电压VCOUT 为低，开关管M1 不导通，不影响屏蔽电路工作。
图3 所示的改进电流保护电路能够实现图1（b）所期望的“屏蔽”区工作模式。
负载电流过流最大持续作用时间tMAX 和最大过流幅值IMAX 即为“屏蔽”区的时间和幅值边界。
实际应用中，功率管能承受的热功耗和击穿电流是有限的。
最大持续作用时间tMAX 由功率管能承受的热功耗和散热性能决定，而功率管的最大击穿电流确定了过流的最大幅值IMAX。
对于特定的应用需要，通过设定合理的屏蔽时间与最大过流幅值，能使LDO 更高效地运行。
“屏蔽”模式的逻辑关系如图4 所示，其中VB1和VCOUT 分别为比较器甲和乙的输出信号，VB1 经过一个延迟时间后输出信号为VB2，屏蔽电路输出电压为VBOUT，VCO为屏蔽电路的输出端。
VB1、VB2和VBOUT的波形反应了屏蔽电路的逻辑关系，只有当VB1 和VB2 同时为高电平，VBOUT 才为低电平，否则VBOUT 一直为高电平，因此屏蔽电路屏蔽了延迟时间内的脉冲信号，保持宽脉冲信号；VCOUT为使能端，只要VCOUT为高电平，VCO 立即变为低电平。
图4 “屏蔽”电路逻辑关系图4 电路仿真结果将上述设计原理应用于输入电压为5V、输出电压3.3V、最大输出电流500mA、限制电流ILIMIT 800mA的LDO，使用CSMC 0.5 μm BiCMOS 工艺Cadencespectre 仿真工具，分别对改进前后的过流保护电路进行仿真。
根据功率管特定的需要，设定延时电路延迟时间tMAX 为20 μ s，最大幅值电流IMAX 为3A。
图5 中（a）曲线表示负载电流幅值和作用时间的关系，ILIMIT 和IMAX 分别为限制电流和最大幅值电流。
图5 中（b）、（c）和（d）曲线分别为采用传统“中断”模式、“屏蔽”模式以及“屏蔽+ 中断”模式过流保护电路后LDO 的输出电压波形。
图5（b）表示“中断”模式在所有过流情况时都会关断LDO。
图5（c）的“屏蔽”模式能屏蔽tMAX内的过流信号，但同时也屏蔽了过流幅值超过IMAX的电流信号，只有在过流持续作用时间大于tMAX 时，LDO 才被关断。
图5（d）的“屏蔽+ 中断”模式下，电路只在过流信号持续作用时间小于tMAX 而且幅值不超过IMAX 时屏蔽掉过流信号，对于其他超过ILIMIT的过流信号，都将中断LDO 运行。
通过比较图5 的（b）、（c）和（d）曲线可以得到，相对于图5（b）的“中断”模式，图5（d）的“屏蔽+ 中断”模式扩大了工作区范围，又比图5（c）的“屏蔽”模式保护电路更安全。
传统屏蔽电路都会在过流之后关断LDO，我们希望在某些短时且小幅度过流信号下LDO 仍能正常运行。
结果表明，设计后的过流保护电路能达到预期效果，保证系统更高效安全地运行。
图5 LDO 整体电路的瞬态响应5 结论在传统的只采取“中断”模式的过流保护电路基础上，本文提出了一种新型过流保护电路设计方案，通过增加“屏蔽”模式，能有效屏蔽在设定最大过流幅值IMAX 和最大持续作用时间tMAX 内的过流信号，而不影响其他过流情况的关断。
通过CSMC0.5μm BiCMOS工艺、Cadence spectre仿真，结果表明，改进后的过流保护电路能有效屏蔽过流幅值和持续作用时间在设定范围内的过流信号，增加了正常工作区的范围，使LDO更高效运行，同时保留“中断”模式，保证LDO 安全工作。
