一种快速响应过流保护方法及保护装置与流程

1.本发明涉及电子技术领域，特别是一种快速响应过流保护方法及保护装置。


背景技术：

2.随着半导体晶体管开关技术的兴起，半导体晶体管（如场效应管，igbt管等）作为电流开启与关断的场合越来越多，将晶体管用作电流开关最大的优势在于能快速的开启与切断回路中的电流，在负载出现短路或故障电流急剧增大时快速的切断回路中的电流，以保护负载端的线路负载不会因发热而燃烧。
3.但半导体晶体管过电流时容易损坏失效的缺点也突显出来，一旦半导体晶体管失效击穿将导致回路中的电流不受控制，进而持续增大，将使回路中的线路与负载发热烧毁。
4.最常见的有如下两种原因导致晶体管损坏：首先，晶体管输出端出现了短路或晶体管工作的电路中产生了浪涌电流等极端情况，流过晶体管的电流在十几微秒内超过晶体管厂家的设计耐受电流后，导致晶体管忽略工作温度而直接损坏，如根据tk100l60w晶体管规格书参数，如400a的脉冲电流流经此晶体管时间达到10μs时，此晶体管可能会损坏。
5.其次，晶体管输出端过载或负载损坏的情况，流过晶体管的电流超过了晶体管正常工作电流，但又没有达到晶体管直接损坏电流，随着时间的推移，晶体管pn结在超过设计工作电流的环境下工作，其管芯温度超过设计温度发热损坏，根据tk100l60w晶体管规格书参数，如管芯累积温度达到150度，此晶体管将有可能损坏。
6.以上两种情况下流过晶体管的是电流（以下简称短路电流）会在几十微秒内增至额定工作电流的十几倍或几十倍，但是受到电路中导线与线路中元器件内阻的影响电流的增大会有一个上升的过程，此过程会使电流最快会在15 μs到20μs的时间节点内达到最大，如果短路电流达到导致晶体管损坏的电流值之前将晶体管关断，则可以最大限度的保证晶体管在出现上述两种情况时不损坏，又能保护回路中的线路与负载不会发热，因此我们需要一种能在10μs内检测到电流过载，并关断晶体管的技术解决方案。
7.目前，现在常用的保护方法是通过单片机对流过晶体管的电流进行采样，然后单片机进行模数转换，再将转换后的二进制数值换算成电流值，在经过单片机逻辑运算，最后由单片机的i/o口控制晶体管的关断。该保护方法缺点如下：耗时时间长,如果要达到可靠保护，需多次采样通过软件计算平均值等，现在做得好的厂家产品能达到150μs，远远大于晶体管的耐受时间10μs。
8.无法实现实时过流保护，单片机从开始采样到输出保护信号关断晶体管的这一段时间内是不会作出保护控制的，即这一段时间内晶体管的电流过流是不受保护的。


技术实现要素：

9.为了克服背景技术中现有过流保护技术的不足，本发明提供一种快速响应过流保护方法及保护装置。
10.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速响应过流保护方法，以串联在主回路中的场效应晶体管作为过流开关元件，采用霍尔电流传感器对主回路电流进行持续实时采集，并转换为电压值与保护阈值电压进行比较，超过保护阈值电压则通过光电耦合方式快速关断场效应晶体管；具体包括以下步骤：a.可控精密稳压源设定输出为正值的基准电压值，霍尔电流传感器实时持续采集主回路电流，输出信号与所述基准电压值进行运算放大调理为采样电压；b.另一个可控精密稳压源输出正电压，由精密电阻分压得到保护阈值电压；步骤a得到的采样电压与保护阈值电压进行比较；c.当采样电压超过保护阈值电压时，产生保护动作电压信号，通过光电隔离驱动耦合器采用光电耦合方式快速关断串联在主回路中的场效应晶体管，断开主回路，并保持断开状态，实现过流保护。
11.进一步，所述步骤b中，另一个可控精密稳压源输出正电压，由两组串联的精密电阻分压后分别得到保护上限阈值电压和保护下限阈值电压；步骤a得到的采样电压与所述保护上限阈值电压和保护下限阈值电压进行分别比较。本发明采用直接运算放大后调理为采样电压，在正值范围内与保护阈值电压采用上限值和下限值分别比较，避免了采用绝对值放大后单值比较而产生的交越失真和增益误差，交越失真是在过零时，由于二极管的导通会有0.3v的压降，会造成取样波形有0.3v的失真，增益误差是由于正半波时会进行减法运算，由于受电路中的电阻精度影响，进行减法运算时而产生的误差。
12.其中，所述保护上限阈值电压和保护下限阈值电压，由两组精密电阻分压取得，保护上限阈值电压和保护下限阈值电压取值设定是由主回路所设计的电流保护值，经霍尔电流传感器采样输出值与基准电压值进行直接运算放大得到的电压值进行设定的。例如：设定基准电压值为 1.25v，由可控精密稳压源分压输出 1.25v，主回路所需保护电流值设定为126a，换算为峰值即126*1.41＝177.66≈178 a，交流保护范围即： 178a～-178a， 178 a和-178a经霍而电流传感器与基准电压值 1.25v值进行运算放大后， 178a调理为2.26v、-178a调理为0.24v，将0.24v设为保护下限阈值电压，2.26v设为保护上限阈值电压。
13.进一步，所述步骤a中，所述霍尔电流传感器输出信号与基准电压值进行直接运算放大调理后的采样电压，沿基准电压值正旋波动。所述采样电压在正值范围内与保护阈值电压采用上限值和下限值分别进行比较，避免了采用绝对值放大后单值比较而产生的交越失真和增益误差。
14.进一步，所述基准电压值、采样电压、保护上限阈值电压和保护下限阈值电压均为正值，避免了采用绝对值放大后单值比较而产生的交越失真和增益误差。
15.进一步，所述步骤c，当采样电压超过保护阈值电压时，产生的保护动作电压信号经电压经保持后输出至光电隔离驱动耦合器。本发明将保护动作电压信号经电压保持后输出，在人为确认保护动作后，再手动复位此电路，避免关断连锁反应状况发生，关断连锁反应是指：保护动作后，主回路中的电流会断开，此时取样电压值会恢复为非过流状态，电路中的所有元器件都会恢复为正常工作状态，这时场效应晶体管将再次导通，再次重复保护动作过程；当发生关断连锁反应时，连续的开关动作同样会导致场效应晶体管与后级线路或负载发热损坏。
16.本发明还公开了一种快速响应过流保护装置，包括，霍尔采样电路、比较电路、阈
值设定电路、关断保持与复位电路和执行电路，其中：所述霍尔采样电路包括，运算放大器和串接于主回路上的霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器输出端连接运算放大器反相端；所述运算放大器同相端连接有用于输出基准电压值的第一可控精密稳压源；所述比较电路包括，相互并联的上限比较器和下限比较器；所述阈值设定电路包括，第二可控精密稳压源和与之连接的两组并联的取样电阻；两组并联的取样电阻分别构成保护上限阈值电压取样电路和保护下限阈值电压取样电路，取样所得的保护上限阈值电压和保护下限阈值电压分别输出至所述比较电路的上限比较器的同相端和下限比较器的反相端；所述关断保持与复位电路包括串联的保持比较器和隔离比较器，所述保持比较器并联有保持三极管，所述保持三极管的基极连接有复位开关；所述执行电路包括光电隔离驱动耦合器、第一场效应管和第二场效应管，串联于主回路中的第一场效应管和第二场效应管与光电隔离驱动耦合器光电耦合，所述光电隔离驱动耦合器的输入端连接所述隔离比较器的输出端；所述霍尔采样电路的运算放大器输出端分别连接至所述比较电路的上限比较器反相端和下限比较器同相端；所述比较电路的上限比较器和下限比较器输出端连接所述关断保持与复位电路的保持比较器输入端。
17.进一步，所述阈值设定电路的两组并联的取样电阻，由串联的第一取样电阻、第三取样电阻和串联的第二取样电阻、第四取样电阻两组并联构成。所述第一取样电阻、第二取样电阻、第三取样电阻、第四取样电阻均采用精密电阻，提高电压取样精度。
18.进一步，所述霍尔采样电路的第一可控精密稳压源与所述阈值设定电路的第二可控精密稳压源为同型号的可控精密稳压源，同型号可使得两个电路具有相同的电气特性，如纹波、温度曲线特性等，而具有电气性能一致性；可以保持本电路参数稳定性，提高保护精度与可靠性。
19.进一步，所述霍尔采样电路的第一可控精密稳压源和所述阈值设定电路的第二可控精密稳压源均为tl431可控精密稳压源。
20.进一步，所述霍尔电流传感器采用acs758霍尔电流传感器，根据厂家产品说明书acs758霍尔电流传感器可以使主回路的电流在3μs的时间内响应到取样引脚，并可同时支持交直流取样，而普通互感器的响应时间为10~20ms。
21.所述运算放大器采用lm358运算放大器，lm358运算放大器其响应时间为0.5v/μs，与acs758霍尔电流传感器配合，acs758霍尔电流传感器，其转换值为1a＝10mv，则在200a时其输出为2v，交流时为
±
2v，经运算放大器处理为原电压的0.57倍，即得到1.14v，交流时为
±
1.14v，将取样基准设定为1.25v，则运算放大器输出：直流时为2.39 v、交流时为0.11～2.39v的电压，以匹配后级电路。采用lm358运算放大器其响应时间为0.5v/μs，则1.14v为2.28μs，则整个取样电路响应时间为3 2.28＝5.28 μs。
22.所述上限比较器和下限比较器采用lm393电压比较器，电压比较器lm393的响应时间为0.3μs，当取样电压值进入比较电路与保护阈值电压比较后，达到保护条件时，0.3μs即可输出保护动作电压信号。
23.进一步，所述第一场效应管和第二场效应管型号采用tk100l60w场效应管，所述光电隔离驱动耦合器采用tlp155e光电隔离驱动耦合器，场效应管较igbt管具有更快的关断速度，且成本更低，根据厂家产品说明书，tk100l60w场效应管关断时间为0.69μs，而igbt管存在关断拖尾时间，其死区时间也较长，降低了开关频率。
24.本发明的有益效果是：本发明以场效应晶体管作为过流开关元件，采用霍尔电流传感器对主回路电流进行持续实时采集，与基准电压值进行直接运算放大调理为采样电压，与保护阈值电压进行比较，超过保护阈值电压则通过光电耦合方式快速关断场效应晶体管；从流过场效应管的电流超过设定保护电流值开始，到场效应晶体管执行关断的时间可控制在10μs内完成保护，可在过流电流达到导致开关晶体管损坏的电流值之前将晶体管关断，则可以最大限度的保护晶体管在出现上述情况时能可靠运行而不发生损坏，同时保护主回路中的线路与负载不会发热。
25.本发明的霍尔电流传感器采样信号与基准电压值运算放大后的采样电压，与保护阈值电压采用上限值和下限值分别都在正值范围内进行比较，避免了采用绝对值放大后单值比较而产生的交越失真和增益误差，交越失真是在过零时，由于二极管的导通会有0.3v的压降，会造成取样波形有0.3v的失真，增益误差是由于正半波时会进行减法运算，由于受电路中的电阻精度影响，进行减法运算时而产生的误差。
26.保护动作电压信号经电压保持输出至光电隔离驱动耦合器，当保护动作后，回路中的电流会持续断开，并保持断开状态，不会发生关断连锁反应，避免场效应晶体管与后级线路或负载发热损坏。
27.本发明装置的电路内没有rc电路，避免了rc电路产生的延时，进一步提高了响应速度。
28.本发明无单片机及软件运行，无软件运行时间，全部采用了纯硬件实现了快速可靠地过流保护，最大限度的保护关断晶体管，可防止晶体管损坏、线路短路、负载电器损坏，大大提高了过流保护的安全性和可靠性，本发明在新能源汽车充电设施、高速列车电源主备用切换电路、数据机房服务器的备用ups不断电切换等领域具有很大实际应用价值。
附图说明
29.图1是本发明的电路结构示意图；图2是实施例1正常电流波形图；图3是实施例1取样电压波形图；图4是实施例1保护电压正常状态波形图；图5是实施例1保护电压保护动作状态波形图；图6是实施例2测试电路示意图；图7是实施例2保护动作瞬间电流波形图；图8是实施例2保护动作瞬间取样电压波形图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不是对本发明的限制，任何基于本发明的变换或推理的技术方案，均属于本发明的保护范围。
31.实施例1如图1所示，一种快速响应过流保护装置，包括霍尔采样电路、比较电路、阈值设定电路、关断保持与复位电路和执行电路，其中：所述霍尔采样电路包括，运算放大器ic1和串接于主回路上的霍尔电流传感器q1，所述霍尔电流传感器q1输出端连接运算放大器ic1反相端；所述运算放大器ic1同相端连接用于输出基准电压值的第一可控精密稳压源d1；所述比较电路包括，相互并联的上限比较器ic2和下限比较器ic3；所述阈值设定电路包括，第二可控精密稳压源d2和与之连接的两组并联的取样电阻；两组并联的取样电阻分别构成保护上限阈值电压取样电路和保护下限阈值电压取样电路，取样所得的保护上限阈值电压和保护下限阈值电压分别输出至所述比较电路的上限比较器ic2的同相端和下限比较器ic3的反相端；所述关断保持与复位电路包括串联的保持比较器ic4和隔离比较器ic5，所述保持比较器ic4并联有保持三极管q2，所述保持三极管q2的基极连接有复位开关k1；所述执行电路包括光电隔离驱动耦合器q3、第一场效应管mos1和第二场效应管mos2，串联于主回路中的第一场效应管mos1和第二场效应管mos2与光电隔离驱动耦合器q3光电耦合，所述光电隔离驱动耦合器q3的输入端连接所述隔离比较器ic5的输出端；所述霍尔采样电路的运算放大器ic1输出端分别连接至所述比较电路的上限比较器ic2反相端和下限比较器ic3同相端；所述比较电路的上限比较器ic2和下限比较器ic3输出端连接所述关断保持与复位电路的保持比较器ic4输入端。
32.其中，所述阈值设定电路的两组并联的取样电阻，由串联的第一取样电阻r1、第三取样电阻r3和串联的第二取样电阻r2、第四取样电阻r4两组并联构成。所述第一取样电阻r1、第二取样电阻r2、第三取样电阻r3、第四取样电阻r4均采用精密电阻，提高电压取样精度。
33.所述霍尔采样电路的第一可控精密稳压源d1与所述阈值设定电路的第二可控精密稳压源d2为同型号的可控精密稳压源，因此两个电路具有相同的电气特性，如纹波、温度曲线特性等，具有电气性能一致性；可以保持本电路参数稳定性，提高保护精度与可靠性。
34.所述霍尔采样电路的第一可控精密稳压源d1与所述阈值设定电路的第二可控精密稳压源d2均为tl431可控精密稳压源。
35.所述霍尔电流传感器q1采用acs758霍尔电流传感器。
36.所述运算放大器ic1采用lm358运算放大器。
37.所述上限比较器ic2和下限比较器ic3采用lm393电压比较器。
38.所述第一场效应管mos1和第二场效应管mos2采用tk100l60w场效应管，所述光电隔离驱动耦合器q3采用tlp155e光电隔离驱动耦合器。
39.实施过程具体包括以下步骤：a. 第一可控精密稳压源设定输出为正值的基准电压值uj，霍尔电流传感器q1实时持续采集主回路电流，其输出信号经与第一可控精密稳压源d1输出的基准电压值uj进行运算放大调理为采样电压uq；本实施例霍尔电流传感器q1采用acs758霍尔电流传感器，将主回路的电流值在3μs的时间内转换为电压值并输出，其转换值为1a＝10mv，转换后的采样
电压值与第一可控精密稳压源d1分压输出的基准电压值uj，经运算放大器ic1直接放大后调理为采样电压uq，输出至所述比较电路的上限比较器ic2反相端和下限比较器ic3同相端进行比较；图2为电流值采样波形图，图3为采样电压uq波形图，采样电压uq沿基准电压值uj轴正旋波动；b. 第二可控精密稳压源d2输出正电压，根据主回路所需保护值，由阈值设定电路中串联的第一取样电阻r1、第三取样电阻r3和串联的第二取样电阻r2、第四取样电阻r4两组并联分别构成上限阈值分压电路和下限阈值分压电路，调整分压电阻值可得到设定的阈值电压，分压取得的保护上限阈值电压uh和保护下限阈值电压ul分别输出至所述比较电路的上限比较器ic2的同相端和下限比较器ic3的反相端；如图3所示，设定的保护上限阈值电压uh和保护下限阈值电压ul均为正值；步骤a得到的采样电压uq与上限阈值电压uh和下限阈值电压ul均进行分别比较；c. 比较电路的上限比较器ic2和下限比较器ic3对霍尔采样电路放大输出的采样电压uq分别与上限阈值电压uh和下限阈值电压ul分别比较，当超过保护上限阈值电压uh和保护下限阈值电压ul时，上限比较器ic2或下限比较器ic3输出触发电压信号至关断保持与复位电路的保持比较器ic4，该触发电压信号经保持三极管q2进行保持后，如图4、图5所示，ub为高电平为不保护状态，ub为低电平为保护状态，通过隔离比较器ic5输出保护动作电压信号ub至执行电路的光电隔离驱动耦合器q3，所述光电隔离驱动耦合器q3通过通过光电耦合方式快速关断串联在主回路中的第一场效应晶体管mos1和第二场效应晶体管mos2，断开主回路，并保持断开状态，实现可靠过流保护。
40.其中，步骤a中霍尔电流传感器q1采样信号直接运算放大后，与保护阈值电压采用上限值和下限值分别进行比较，避免了采用绝对值放大后单值比较而产生的交越失真和增益误差。
41.如图3所示，所述第一可控精密稳压源d1分压输出基准电压uj，与霍尔电流传感器q1采样信号经运算放大器ic1运算放大后输出的采样电压uq，是以基准电压uj为中点电位的正电压值范围内变化，相对应的，步骤b中阈值设定电路根据主回路所需保护值设定的上限阈值电压uh和下限阈值电压ul均为正值，比较电路的ic2和下限比较器ic3均在是正电压值范围内，对采样电压值uq与上限阈值电压uh和下限阈值电压ul进行分别比较。
42.例如：采样信号的正旋波为
±
1v，采样的基准电压为1.25v，信号经运算放大器后会得到上限为2.25v，下限为0.25v的正旋波。 这样处理后的信号失真小，后面的比较电路在正电压值范围内进行参数的运算比较，误差小、容易实现，仅需要单极性电源供电即可，整个电路简单可靠、误差小、成本低。
43.如没有第一可控精密稳压源d1产生取样基准电压uj，则会得到
±
1v的正旋波，那么上限比较器ic2的阈值就必须是正电压、下限比较器ic3的阈值必须为负电压，这样电路会变复杂，并且必须要正负电源供电，导致电路复杂、成本高、误差失真大。
44.如图3、4所示，在步骤c中，保护动作电压ub信号经保持比较器ic4电压保持后经隔离比较器ic5输出至光电隔离驱动耦合器q3。当保护动作后，主回路中的电流会持续断开，并保持断开状态，不会发生关断连锁反应，避免场效应晶体管与后级线路或负载发热损坏。人为确认线路中故障或短路排除后，再通过手动将复位开关k1断开，使保持三极管q2截止，从而终止保持比较器ic4保持状态，使保持比较器ic4恢复动作前的状态，等待下一次触发。
45.本发明装置的电路内没有rc电路，避免了rc电路产生的延时，进一步提高了响应速度。
46.本实施例的过流保护响应时间测算：步骤a：本实施例采用acs758霍尔电流传感器。根据厂家产品说明书，acs758霍尔传感器可以使主回路的电流在3μs的时间内响应到取样引脚，并可同时支持交直流取样，其转换值为1a＝10mv，即在200a时其输出为2v，交流时为
±
2v，经运算放大器ic1处理为原电压的0.57倍，即得到1.14v，交流时为
±
1.14v，取样基准设定为1.25v，则运算放大器ic1输出为：直流时为2.39v、交流时为0.11～2.39v的电压，以匹配后级电路；运算放大器ic1采用lm358其响应时间为0.5v/μs，则1.14v为2.28μs，则整个步骤a取样电路响应时间为3 2.28＝5.28μs。
47.步骤b：阈值设定电路不消耗保护链路时间；在所述比较电路中，本实施例所述上限比较器ic2和下限比较器ic3采用lm393电压比较器。根据厂家产品说明书，比较器lm393的响应时间为0.3μs，当取样电压值进入比较电路与保护阈值电压比较后，达到保护条件时，0.3μs即可输出保护动作电压信号。
48.步骤c：在所述关断保持与复位电路中，由两级串联的保持比较器ic4和隔离比较器ic5进行保持与复位，在保护动作电压信号进入此电路后0.3 0.3＝0.6μs即可输出。
49.在所述执行电路中，本实施例光电隔离驱动耦合器q3采用tlp155e光电隔离驱动耦合器，根据厂家产品说明书，tlp155e响应时间为0.2μs，所述第一场效应管mos1和第二场效应管mos2型号采用tk100l60w场效应管，根据厂家产品说明书，tk100l60w场效应管关断时间为0.69μs，即接收保护动作电压信号后，执行电路在0.2μs 0.69μs＝0.89μs内实现场效应管关断。
50.本快速响应过流保护装置从流过晶体管的电流超过设定保护电流值开始到晶体管执行关断的计算总时间为：5.28 0.3 0.6 0.89＝7.07μs低于场效应晶体管的耐受时间10μs，可在过流电流达到导致开关场效应晶体管损坏的电流值之前将晶体管关断。
51.实施例2过流保护时间实际测试：主回路正常工作电流设为63a，将保护电流设定为：正常工作电流2倍。
52.这里需要说明一下，此保护电路保护时实际用的是峰值参数，而有效值与峰值的关系为：峰值＝√2有效值，因此 峰值≈1.41*有效值；则主回路所需保护值计算过程如下：63*2＝126a；126*1.41＝177.66≈178a；经霍尔电流传感器输出信号与基准电压值uj进行直接运算放大调理后的采样电压uq沿基准电压值uj正旋波动，其值为：178*0.01*0.57＝1.01v；1.25 1.01=2.26v；
1.25-1.01=0.24v；则正旋波动范围为0.24～2.26v；根据以上计算值设定保护上限阈值电压uh为2.26v，保护下限阈值电压ul为0.24v。
53.实测环境与电路：如图6所示，在实测电路中，本发明装置的霍尔电流传感器q1输入端接入瞬时特性测试台恒流源输出端，恒流源型号：kljc-5；在第二场效应管mos2的输出端接入1欧姆负载电阻的一端，1欧姆负载电阻的另一端接入作为瞬时特性测试平台恒流源的输入端，恒流源型号为kljc-5，这样就形成了电流经恒流源输出，再依次经过霍尔电流传感器q1、第一场效应管mos1、第二场效应管mos2，再回流恒流源的电流回路。
54.将恒流源电流设定为最大200a，设定值大于2倍工作电流即可，用于模拟短路时电流瞬时增大。
55.示波器型号：sds 1052dl，将示波器探头置于*10档，打开示波器脉冲捕获，将示波器探头接于1欧姆负载电阻两端，测试平台与电路搭建完成。
56.测试过程：启动瞬时特性测试台恒流源，这时测试台将输出有效值为200a的交流电，此时示波器准确的捕获到负载电阻两端由于电流流过而形成的电压波形。示波器型号为sds 1052dl，最高测试频率为50mhz,换算为时间分辨率为0.02μs,满足测试精度需要。
57.如图7、8所示，从示波器捕获的保护动作瞬间的电流和电压波形图中可以得出，在瞬时电流到达178a，换算为有效值即是126a，即63a的2倍，再换算为峰值则为178a，此时本发明装置准确的触发了过流保护，从电流到达178a至电流被关断，总耗时8.02μs；低于场效应晶体管的耐受时间10μs，可在过流电流达到导致开关场效应晶体管损坏的电流值之前将场效应晶体管关断，可以最大限度的保护晶体管在出现上述情况时能可靠运行而不会发生损坏，同时保护主回路中的线路与负载不会发热。
58.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。