基于電壓比較器的固態功率控制器驅動保護電路研究

劉紅奎

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

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

在電力電子技術領域中，常用的MOSFET 功率管過流或短路時的保護措施有兩種[8-9]：一種是軟關斷，另一種是降柵壓。軟關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功率管的柵極信號，使MOSFET 功率管關斷，軟關斷抗干擾的效果差，只要檢測到故障就關斷器件，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，但器件仍維持導通，若故障信號消失了，驅動電路就能恢復正常的工作狀態，因而大大增強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壓二極管產生過流或短路的保護信號[10-12]，保護電路只做到了兩級降柵壓，若這個特定的電平設置得過高則受保護功率管對過流現象抑制不明顯，若這個特定的電平設置得過低則受保護功率管在一個時延內會存在反復開通、關斷的問題；降柵壓電路使用穩壓二極管作為過流信號的判斷器件，溫度對穩壓二極管的工作有一定的影響，溫度過高時，穩壓二極管的實際擊穿電壓和其標稱擊穿電壓會有一定的差別，在極端情況下還會出現負載過流而降柵壓保護電路不保護的情況。

由于現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 驅動保護電路作了進一步的研究，取得了一定的成果，并在該成果的基礎上設計了可用于SSPC 驅動保護電路，經過實驗仿真驗證，基于電壓比較器的保護電路克服了現有技術中使用穩壓二極管判斷過流門限電壓導致精度不高的問題，實現了對過流門限電壓的精準判斷和迅速響應，只要設定不同的門限電壓就可以對相應的過流級別進行響應，使得電路應用更加靈活，調試更加容易。

1 設計思想及技術原理

1.1 設計思想

本文對現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功率管進行保護，克服了現有技術中降柵壓僅采用兩級保護存在的受保護功率管對過流現象抑制不明顯和受保護功率管在一個時延內反復開通、關斷的問題。MOSFET 功率管發生故障時，降柵壓保護電路啟動第一級降柵壓單元對受保護功率管進行預保護，然后再根據故障的狀態進行相應的保護處理，可以有效地防止誤動作發生，相鄰兩級降柵壓單元啟動時間可根據實際需要任意調節，還可根據需要增加降柵壓單元，實現更多級的降柵壓。

增加了降柵壓速度調節電路，克服了現有技術中降柵壓電路沒有緩開通和緩關斷的問題，實現了對降柵壓速度的調節，可根據需要靈活地設定柵極電壓下降或上升的速度，降低了受保護功率管在關斷時產生的感應電壓，從而延長了受保護功率管的使用壽命。

1.2 技術原理

SSPC 是由半導體器件構成的開關裝置，為負載提供開關控制和饋電保護，根據SSPC 的電路結構以及降柵壓保護電路的功能要求，降柵壓保護電路即需要在正常情況下為負載提供開啟和關斷的功能，又需要在過流或短路的情況下按照設計要求為負載提供及時關斷保護功能。降柵壓保護電路在SSPC 系統中的位置如圖1 所示。

圖1 降柵壓保護電路與SSPC 系統關系框圖

降柵壓保護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、降柵壓速度調節電路，降柵壓保護電路原理框圖如圖2 所示。

圖2 降柵壓保護電路原理框圖

2 電路設計實現

如前分析，當過流信號出現時，降柵壓保護電路中第一級降柵壓單元啟動，將受保護功率管的柵極電壓降到一個設定的值，對受保護功率管進行預保護，此時受保護功率管處于即將完全導通的邊緣狀態，同時第一級降柵壓單元產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，過流信號消失則受保護功率管恢復完全導通的狀態；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，將受保護功率管的柵極電壓降到負載額定電流對應的柵極開啟電壓值，對功率管進行保護。同時第二級降柵壓單元產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，過流信號消失則受保護功率管恢復完全導通的狀態；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功率管的柵極電壓緩慢降到0 V，此時受保護功率管處于關閉的狀態。

降柵壓速度調節電路由RC 延時電路組成，其功能是把降柵壓單元輸出的結果緩慢輸出，目的是調節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到的電壓。

根據上述分析設計出的降柵壓保護電路原理圖如圖3 所示。

圖3 降柵壓保護電路原理圖

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

降柵壓保護電路的具體工作流程如下：SSPC 和負載正常工作，電流檢測放大電路實時提供過流信號。當過流信號大于電壓比較器U1A 基準電壓且一直存在時，電壓比較器U1A 輸出高電平，此高電平驅動三極管Q3，使Q3 處于開通狀態，驅動信號經過R1 與R4 后接到地，根據分壓原理，R5 的輸入電壓會降低，降低后的電壓值為受保護功率管處于即將完全導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 基準電壓，電壓比較器U1B 輸出高電平，此高電平驅動三極管Q2，使Q2 處于開通狀態，驅動信號經過R1、R3、R4 后接到地，根據分壓原理，R5 的輸入電壓會再次降低，降低后的電壓值為受保護功率管通過負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 基準電壓，電壓比較器U1C 輸出高電平，此高電平驅動三極管Q1，使Q1 處于開通狀態，驅動信號經過R1、R2、R3、R4 后接到地，根據分壓原理，R5 的輸入電壓為0 V。

3 實驗仿真

實驗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 產品，IRLR3110Z 是N 溝道增強型場效應管，能承受的最大漏源極電壓為100 V，導通阻抗14 mΩ，允許最大的電流為63 A，柵極驅動屬于電壓型驅動，驅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關系如圖4 所示。

圖4 IRLR3110Z 柵源極典型電壓VGS 關系

降柵壓保護電路中第一級降柵壓單元預保護電壓的范圍為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關斷電壓的范圍為0 V，降柵壓速度調節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電路進行了驗證，降柵壓保護電路中的降柵壓保護信號仿真如圖5、圖6 所示：通道1 為降柵壓保護信號，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電路檢測到負載過流信號后先將受保護功率管的柵極電壓降到一個設定的電平，對受保護功率管進行預保護，然后再根據故障的狀態進行相應的保護處理。

圖5 降柵壓保護信號仿真圖

圖6 降柵壓保護信號恢復仿真圖

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

圖7 MOSFET 功率管開通狀態仿真圖

圖8 MOSFET 功率管關斷狀態仿真圖

圖9 負載短路狀態仿真圖

圖10 負載過流后恢復正常狀態仿真圖

通過對SSPC 電路的仿真，降柵壓保護電路在負載過流或短路時，按照設計實現了對MOSFET 功率管柵極電壓的控制，有效地防止誤動作發生，降低了受保護功率管關斷時產生的感應電壓，使受保護功率管得到高可靠性的保護。

4 結論

本文闡述了基于電壓比較器的SSPC 驅動保護電路原理，設計了降柵壓保護電路，整個電路結構簡單、體積小、精度高、抗干擾能力強、柵源極電壓VGS設置靈活、降柵壓速度可調、電路調試簡單，實現了對MOSFET 柵極電壓的控制。經過電路分析和仿真實驗，結果表明降柵壓保護電路可以在45 μs 內對短路負載進行關斷保護。降柵壓保護電路適合在某些環境惡劣且精度要求高的場合下使用。