基于电压比较器的固态功率控制器驱动保护电路研究

刘红奎

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

传统的机电式配电系统在智能化、可靠性等方面已不能满足大规模分布式配电系统[1]的需要，采用模块化固态配电技术是当前机载、舰载、星载配电系统的发展趋势[2-4]。固态功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)是兼具继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态功率开关，所以SSPC 在负载过流或短路时的及时保护功能就显的十分重要[5-7]。

在电力电子技术领域中，常用的MOSFET 功率管过流或短路时的保护措施有两种[8-9]：一种是软关断，另一种是降栅压。软关断是指在检测到器件过流或短路信号时就迅速撤除受保护功率管的栅极信号，使MOSFET 功率管关断，软关断抗干扰的效果差，只要检测到故障就关断器件，这样很容易引起错误的动作。降栅压是指在检测到器件过流或短路信号时立即将MOSFET 功率管的栅极电压降到某一电平，但器件仍维持导通，若故障信号消失了，驱动电路就能恢复正常的工作状态，因而大大增强了电路的抗干扰能力。

目前，降栅压电路是利用过流信号击穿稳压二极管产生过流或短路的保护信号[10-12]，保护电路只做到了两级降栅压，若这个特定的电平设置得过高则受保护功率管对过流现象抑制不明显，若这个特定的电平设置得过低则受保护功率管在一个时延内会存在反复开通、关断的问题；降栅压电路使用稳压二极管作为过流信号的判断器件，温度对稳压二极管的工作有一定的影响，温度过高时，稳压二极管的实际击穿电压和其标称击穿电压会有一定的差别，在极端情况下还会出现负载过流而降栅压保护电路不保护的情况。

由于现有降栅压电路存在的一些不足，本文对基于电压比较器的SSPC 驱动保护电路作了进一步的研究，取得了一定的成果，并在该成果的基础上设计了可用于SSPC 驱动保护电路，经过实验仿真验证，基于电压比较器的保护电路克服了现有技术中使用稳压二极管判断过流门限电压导致精度不高的问题，实现了对过流门限电压的精准判断和迅速响应，只要设定不同的门限电压就可以对相应的过流级别进行响应，使得电路应用更加灵活，调试更加容易。

1 设计思想及技术原理

1.1 设计思想

本文对现有降栅压电路存在的一些不足，采用三级降栅压电路对受保护功率管进行保护，克服了现有技术中降栅压仅采用两级保护存在的受保护功率管对过流现象抑制不明显和受保护功率管在一个时延内反复开通、关断的问题。MOSFET 功率管发生故障时，降栅压保护电路启动第一级降栅压单元对受保护功率管进行预保护，然后再根据故障的状态进行相应的保护处理，可以有效地防止误动作发生，相邻两级降栅压单元启动时间可根据实际需要任意调节，还可根据需要增加降栅压单元，实现更多级的降栅压。

增加了降栅压速度调节电路，克服了现有技术中降栅压电路没有缓开通和缓关断的问题，实现了对降栅压速度的调节，可根据需要灵活地设定栅极电压下降或上升的速度，降低了受保护功率管在关断时产生的感应电压，从而延长了受保护功率管的使用寿命。

1.2 技术原理

SSPC 是由半导体器件构成的开关装置，为负载提供开关控制和馈电保护，根据SSPC 的电路结构以及降栅压保护电路的功能要求，降栅压保护电路即需要在正常情况下为负载提供开启和关断的功能，又需要在过流或短路的情况下按照设计要求为负载提供及时关断保护功能。降栅压保护电路在SSPC 系统中的位置如图1 所示。

图1 降栅压保护电路与SSPC 系统关系框图

降栅压保护电路包括第一级降栅压单元、第二级降栅压单元、第三级降栅压单元、降栅压速度调节电路，降栅压保护电路原理框图如图2 所示。

图2 降栅压保护电路原理框图

2 电路设计实现

如前分析，当过流信号出现时，降栅压保护电路中第一级降栅压单元启动，将受保护功率管的栅极电压降到一个设定的值，对受保护功率管进行预保护，此时受保护功率管处于即将完全导通的边缘状态，同时第一级降栅压单元产生第二级降栅压单元所需的延时启动电压，若在一个固定时延内，过流信号消失则受保护功率管恢复完全导通的状态；若在一个固定时延之后过流信号依然存在，则启动第二级降栅压单元，将受保护功率管的栅极电压降到负载额定电流对应的栅极开启电压值，对功率管进行保护。同时第二级降栅压单元产生第三级降栅压单元所需的延时启动电压，若在一个固定时延内，过流信号消失则受保护功率管恢复完全导通的状态；若在一个固定时延之后过流信号依然存在，则启动第三级降栅压单元将受保护功率管的栅极电压缓慢降到0 V，此时受保护功率管处于关闭的状态。

降栅压速度调节电路由RC 延时电路组成，其功能是把降栅压单元输出的结果缓慢输出，目的是调节MOSFET功率管栅极电压上升或下降的速度。电压上升或下降时间的计算公式为：

其中，R 是延时电阻，C 是延时电容，U 是给电容充电的电压，UC是电容充电时其两端达到的电压。

根据上述分析设计出的降栅压保护电路原理图如图3 所示。

图3 降栅压保护电路原理图

SSPC 中采用电源是典型航空直流电源，为负载提供28 V 的电压 和5 A 的电流，VCC 为15 V，GND 为模拟地，电压比较器基准电压为7.5 V，采样电阻的阻值为10 mΩ。

降栅压保护电路的具体工作流程如下：SSPC 和负载正常工作，电流检测放大电路实时提供过流信号。当过流信号大于电压比较器U1A 基准电压且一直存在时，电压比较器U1A 输出高电平，此高电平驱动三极管Q3，使Q3 处于开通状态，驱动信号经过R1 与R4 后接到地，根据分压原理，R5 的输入电压会降低，降低后的电压值为受保护功率管处于即将完全导通所需的栅源极电压VGS；同时电压比较器U1A 输出高电平通过R7 与C2 组成的RC 延时电路，在电压上升固定时间t1后，电容C2两端的电压大于电压比较器U1B 基准电压，电压比较器U1B 输出高电平，此高电平驱动三极管Q2，使Q2 处于开通状态，驱动信号经过R1、R3、R4 后接到地，根据分压原理，R5 的输入电压会再次降低，降低后的电压值为受保护功率管通过负载额定电流所需的栅源极电压VGS；同时电压比较器U1B 输出高电平通过R9 与C3 组成的RC 延时电路，在电压上升固定时间t2后，电容C3两端的电压大于电压比较器U1C 基准电压，电压比较器U1C 输出高电平，此高电平驱动三极管Q1，使Q1 处于开通状态，驱动信号经过R1、R2、R3、R4 后接到地，根据分压原理，R5 的输入电压为0 V。

3 实验仿真

实验仿真电路中采用电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10 的取值分别为2 kΩ、0 Ω、460 Ω、1 kΩ、2 kΩ、1 kΩ、3 kΩ、1 kΩ、2.7 kΩ、1 kΩ，电容C1、C2、C3 的取值为10 nF，电压比较器U1A、U1B、U1C 为LM339AD，三极管Q1、Q2、Q3 为C9013。

MOSFET 功率管选用IR 公司的IRLR3110Z 产品，IRLR3110Z 是N 沟道增强型场效应管，能承受的最大漏源极电压为100 V，导通阻抗14 mΩ，允许最大的电流为63 A，栅极驱动属于电压型驱动，驱动时电流仅为纳安级，栅源极最大电压为16 V，栅源极最大门限开启电压VGS为5 V，漏源极间的漏电流为20 μA～250 μA，IRLR3110Z的栅源极典型电压VGS关系如图4 所示。

图4 IRLR3110Z 栅源极典型电压VGS 关系

降栅压保护电路中第一级降栅压单元预保护电压的范围为5±0.1 V，第二级降栅压单元延时启动电压的范围为7.5 V～15 V，第二级降栅压单元保护电压的范围为2.8±0.1 V，第三级降栅压单元延时启动电压的范围为7.5 V～15 V，第三级降栅压单元保护关断电压的范围为0 V，降栅压速度调节电路电压上升或下降时时间为60 μs。

通过软件仿真的方法对降栅压保护电路进行了验证，降栅压保护电路中的降栅压保护信号仿真如图5、图6 所示：通道1 为降栅压保护信号，通道2 为第一级降栅压单元输出信号，通道3 为第二级降栅压单元输出信号，通道4 为第三级级降栅压单元输出信号。由图5、图6 可以看出降栅压保护电路检测到负载过流信号后先将受保护功率管的栅极电压降到一个设定的电平，对受保护功率管进行预保护，然后再根据故障的状态进行相应的保护处理。

图5 降栅压保护信号仿真图

图6 降栅压保护信号恢复仿真图

软件仿真了MOSFET 功率管开通、关断和负载短路、过流后恢复的状态。MOSFET 功率管开通、关断和负载短路、过流后恢复的状态图如图7～图10 所示，其中通道1 为MOSFET 功率管栅极电压，通道2 为负载两端电压。

图7 MOSFET 功率管开通状态仿真图

图8 MOSFET 功率管关断状态仿真图

图9 负载短路状态仿真图

图10 负载过流后恢复正常状态仿真图

通过对SSPC 电路的仿真，降栅压保护电路在负载过流或短路时，按照设计实现了对MOSFET 功率管栅极电压的控制，有效地防止误动作发生，降低了受保护功率管关断时产生的感应电压，使受保护功率管得到高可靠性的保护。

4 结论

本文阐述了基于电压比较器的SSPC 驱动保护电路原理，设计了降栅压保护电路，整个电路结构简单、体积小、精度高、抗干扰能力强、栅源极电压VGS设置灵活、降栅压速度可调、电路调试简单，实现了对MOSFET 栅极电压的控制。经过电路分析和仿真实验，结果表明降栅压保护电路可以在45 μs 内对短路负载进行关断保护。降栅压保护电路适合在某些环境恶劣且精度要求高的场合下使用。