一种PN结电压调节电路及功率输出电路的制作方法

一种pn结电压调节电路及功率输出电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种pn结电压调节电路及功率输出电路。


背景技术：

2.功率输出电路中常采用可控三极管作为开关器件，但是由于三极管在工作时电流产生热量，并且其pn结温度的升高与pn结两端的电压有比例关系，当三极管基极电流一定以及集电极电压一定时，该pn结的结电压和结温度成线性关系，即pn结电压随着温度的升高而降低，而pn结电压的不稳定容易导致系统不稳定等情况，现有技术中有采用带有静态电流的方案，则能消除交越失真，但是有比较高的待机功耗，需要设计较大的散热；现有技术中还采用热耦合的方案，则交越失真较大，同时会容易出现热失控导致器件损坏。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的功率输出电路中pn结电压不稳定的缺陷，从而提供一种pn结电压调节电路及功率输出电路。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.第一方面，本发明实施例提供一种pn结电压调节电路，包括：温控模块、控制模块，其中，温控模块与功率模块、控制模块连接；当功率模块启动时，控制模块通过控制所述温控模块加热，以控制所述功率模块pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。
6.在一种可选的实施方式中，温控模块采集功率模块的温度；当控制模块判定温度超过预设温度限值时，控制模块进入保护状态，不再输出电压及电流至所述功率模块。
7.在一种可选的实施方式中，温控模块包括：隔离电路、加热电阻电路、温度采样电路，其中，隔离电路连接于控制模块及加热电阻电路之间；加热电阻电路与功率模块连接；温度采样电路与控制模块连接；控制模块通过控制隔离电路导通，以控制所述加热电阻电路加热。
8.在一种可选的实施方式中，隔离电路包括：光耦隔离芯片。
9.在一种可选的实施方式中，温度采样电路包括：温度传感器。
10.在一种可选的实施方式中，pn结电压调节电路还包括：差分信号放大电路；差分信号放大电路采集功率模块pn结的电压差；控制模块基于功率模块pn结的电压差，通过控制所述温控模块加热，以控制所述功率模块pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。
11.在一种可选的实施方式中，差分信号放大电路包括：第一运算放大器；运算放大器用于对功率模块pn结的电压差进行放大。
12.第二方面，本发明实施例提供一种功率输出电路，包括：第一方面的pn结电压调节电路及功率模块，其中，功率模块与pn结电压调节电路连接。
13.在一种可选的实施方式中，功率模块包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管电路及第二运算放大器，其中，第一三极管的第一端与第二三极
管的第一端、第一电阻的第一端连接，第一三极管的控制端与第二三极管的第二端连接，第一三极管的第二端通过第三电阻接地；第二三极管的控制端通过第二电阻与第一电阻的第二端、二极管电路的第一端连接；第一电阻的第一端与温控模块连接；二极管电路的第一端通过第二运算放大器接入模拟控制信号。
14.在一种可选的实施方式中，功率输出电路还包括：保险丝；第一电阻的第一端通过保险丝与温控模块连接。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的pn结电压调节电路及功率输出电路，当功率模块启动时，控制模块根据功率模块的pn结的电压差来控制温控模块，以维持功率模块中pn结的电压差恒定或大于预设电压差阈值，以降低交越失真，避免电路出现热失控。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的调节电路的一个具体示例的结构图；
19.图2为本发明实施例提供的调节电路的另一个具体示例的结构图；
20.图3为本发明实施例提供的调节电路的具体电路结构图；
21.图4为本发明实施例提供的调节电路的另一个具体示例的结构图；
22.图5为本发明实施例提供的功率输出电路的一个具体示例的结构图。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
27.本发明实施例提供一种pn结电压调节电路，如图1所示，包括：温控模块11、控制模
块12，温控模块11与功率模块2、控制模块12连接。
28.具体地，当功率模块2启动时，控制模块12通过控制所述温控模块11加热，以控制所述功率模块2的pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。
29.具体地，当电路正常工作时，则控制模块12直接控制温控模块11开始加热，强制确保保证功率模块2的pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值，不会发生热失控，该热失控将导致三极管一直处于导通状态。
30.具体地，温控模块11采集功率模块2的温度；当控制模块12判定温度超过预设温度限值时，控制模块12进入保护状态，不再输出电压及电流至功率模块，直到温度下降到合适范围才继续工作。
31.在一些可选的实施方式中，如图2所示，温控模块11包括：隔离电路111、加热电阻电路112、温度采样电路113。
32.如图2所示，隔离电路111连接于控制模块12及加热电阻电路112之间；加热电阻电路112与功率模块2连接；温度采样电路113与控制模块12连接；控制模块通过控制隔离电路111导通，以控制所述加热电阻电路加热。
33.具体地，当电路正常工作时，则控制模块控制隔离电路111导通，从而强制使得加热电阻电路112开始通电加热，确保保证功率模块2的pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值，需要说明的是，加热电阻电路112放置于功率模块2的二极管附近。
34.具体地，温度采样电路113放置于功率模块附近，当温度采样电路113将采集的环境温度发送至控制模块，当控制模块判断出该温度超过预设温度限值时，控制模块进入保护状态。
35.可选地，隔离电路111包括：光耦隔离芯片。温度采样电路113包括：温度传感器。
36.示例性地，本发明实施例提供的pn结电压调节电路可以为图3所示电路结构，其中，该功率模块示例需要两个温控模块，则光耦隔离芯片为u1、u2，温度传感器为rt+、rt-。
37.在一些可选的实施方式中，如图4所示，pn结电压调节电路还包括差分信号放大电路13。
38.具体地，差分信号放大电路采集功率模块2的pn结的电压差；控制模块基于功率模块2的pn结的电压差，通过控制所述温控模块加热，以控制所述功率模块pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。
39.可选地，差分信号放大电路包括：第一运算放大器；运算放大器用于对功率模块2的pn结的电压差进行放大。
40.示例性地，本发明实施例提供的pn结电压调节电路可以为图3所示电路结构，其中，该功率模块示例需要两个差分信号放大电路，第一运算放大器为u4、u5。
41.本发明实施例提供一种功率输出电路，如图5所示，包括：以上实施例及可选实施例的pn结电压调节电路1及功率模块2，其中，功率模块2与pn结电压调节电路1连接。
42.具体地，功率模块所需要的温控模块11、差分信号放大电路的数量由功率模块中三极管的个数确定，而控制模块12可以控制所有的温控模块11及差分信号放大电路。
43.在一些可选的实施方式中，功率模块包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管电路及第二运算放大器，其中，第一三极管的第一端与第二三极管的第一端、第一电阻的第一端连接，第一三极管的控制端与第二三极管的第二端连接，第
一三极管的第二端通过第三电阻接地；第二三极管的控制端通过第二电阻与第一电阻的第二端、二极管电路的第一端连接；第一电阻的第一端与温控模块连接；二极管电路的第一端通过第二运算放大器接入模拟控制信号。
44.示例性地，本发明实施例提供的功率输出电路可以为图3所示电路结构，该功率输出电路包括两条线路，因此包括以上元器件各两个：第一三极管为q1、q2，第二三极管为q3、q4，第一电阻为r1、r3，第二电阻为r2、r4，第三电阻为rl，第二运算放大器为u2。对于图3电路结构，二极管电路为两条，一条由d1、d3组成，另一条由d4、d2组成。
45.在一些可选的实施方式中，功率输出电路还包括：保险丝；第一电阻的第一端通过保险丝与温控模块连接。示例性地，本发明实施例提供的功率输出电路可以为图3所示电路结构，保险丝为f1、f2。
46.图3中，为了保证电路正常工作，va+的电压不能高于vb+的电压(va-的电压都不会低于vb-的电压)，否则电路中的q1与q2两个三极管直接导通，使得电路工作不正常，并且会有很高的概率出现热失控导致器件损坏。
47.而会导致va+电压比vb+的电压高的原因是：pn结的电压是会随着半导体器件的温度上升而下降，具体的数据需要查看不同的二极管和三极管的数据。但是一般经验参数下是温度每上升1℃，pn结的电压会下降2mv，那么假如在电路还没发热的情况下(q1工作时会发热)，vb+的电压比va+高0.1v，然后当q1工作时发热，如果q1比q3、d3、d1温度要高于50℃时(50*2mv＝0.1v)，q1就会完全导通；当q1完全导通将会加剧通过其自身的电流，从而产生更多热量，导致热失控。
48.为了尽量避免上述热失控，相关技术是让q1、q3、d1和d3元件放相互很近的地方，并且进行热耦合(由于功率输出电路是对称的，所以q2、q4、d2和d4也有上述的情况)。但是这样的操作也只降低热失控的概率，无法根除这个问题。
49.因此为了解决热失控的问题，本发明实施例在功率输出电路中增加pn结电压调节电路，参照图3，该调节电路具有以下三种功能：
50.(1)q1、q3、d1和d3之间没有热耦合设计
51.当电路正常工作时，差分信号放大电路会实时检测va+与vb+的电压，当检测到va+的电压快要超过vb+的电压时，mcu(或fpga)控制光耦隔离芯片来导通电阻rl1-rl8对d1与d3进行加热。
52.加热d1与d3会使得va+的电压下降，从而避免的热失控。而温度采样电路检测到q1、d1和d3温度过热，mcu(或fpga)进入保护状态，停止输出电压电流(避免器件损坏)，直到温度下降到合适范围才继续工作。
53.(2)q1、d1和d3之间是有热耦合设计，q3不参与热耦合设计
54.当电路正常工作时，差分信号放大电路实时检测va+与vb+的电压，当检测到va+的电压快要超过vb+的电压时，mcu(或fpga)控制隔离芯片来导通电阻rl1-rl8对d1与d3进行加热。
55.加热d1与d3时q1有一定的温升，但是由于q3没有参与热耦合，即q3没有被加热，使得va+的电压下降速度是vb+的2倍(va+与vb+各自包含的被加热pn结数量比为2：1)，即使得va+的电压下降比vb+的电压下降得更快，从而避免的热失控。
56.当温度采样电路检测当检测到q1、d1和d3温度过热，mcu(或fpga)进入保护状态，
停止输出电压电流(避免器件损坏)，直到温度下降到合适范围才继续工作。
57.(3)从成本考虑，不使用差分信号放大电路，q1、d1和d3之间是有热耦合设计，q3不参与热耦合设计
58.当电路正常工作时，mcu(或fpga)控制光耦隔离芯片导通电阻rl1-rl8对d1与d3进行加热，以强制确保va+的电压比vb+的电压低，从而不检测va+与vb+的电压，但是相应代价是增加功耗，
59.当温度采样电路检测当检测到q1、d1和d3温度过热，mcu(或fpga)进入保护状态，停止输出电压电流(避免器件损坏)，直到温度下降到合适范围才继续工作。
60.由于功率输出电路的正负输出对称的，上述的解析同理适用于q2、q4、r2与r4的工作解析，不同的只是在负电压输出时，需要控制va-电压不能低于vb-。
61.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种pn结电压调节电路，其特征在于，包括：温控模块、控制模块，其中，所述温控模块与功率模块、控制模块连接；当所述功率模块启动时，所述控制模块发出通过控制所述温控模块加热，以控制所述功率模块pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。2.根据权利要求1所述的pn结电压调节电路，其特征在于，所述温控模块采集所述功率模块的温度；当所述控制模块判定所述温度超过预设温度限值时，所述控制模块进入保护状态，不再输出电压及电流至所述功率模块。3.根据权利要求1所述的pn结电压调节电路，其特征在于，所述温控模块包括：隔离电路、加热电阻电路、温度采样电路，其中，所述隔离电路连接于所述控制模块及所述加热电阻电路之间；所述加热电阻电路与所述功率模块连接；所述温度采样电路与所述控制模块连接；所述控制模块通过控制所述隔离电路导通，以控制所述加热电阻电路加热。4.根据权利要求3所述的pn结电压调节电路，其特征在于，所述隔离电路包括：光耦隔离芯片。5.根据权利要求3所述的pn结电压调节电路，其特征在于，所述温度采样电路包括：温度传感器。6.根据权利要求1所述的pn结电压调节电路，其特征在于，还包括：差分信号放大电路；所述差分信号放大电路采集所述功率模块pn结的电压差；所述控制模块基于所述功率模块pn结的电压差，通过控制所述温控模块加热，以控制所述功率模块pn结的电压差恒定或者大于预设电压差阈值。7.根据权利要求6所述的pn结电压调节电路，其特征在于，所述差分信号放大电路包括：第一运算放大器；所述运算放大器用于对所述功率模块pn结的电压差进行放大。8.一种功率输出电路，其特征在于，包括：权利要求1至7任一项所述的pn结电压调节电路及功率模块，其中，所述功率模块与所述pn结电压调节电路连接。9.根据权利要求8所述的功率输出电路，其特征在于，所述功率模块包括：第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、二极管电路及第二运算放大器，其中，所述第一三极管的第一端与所述第二三极管的第一端、所述第一电阻的第一端连接，所述第一三极管的控制端与所述第二三极管的第二端连接，所述第一三极管的第二端通过所述第三电阻接地；所述第二三极管的控制端通过所述第二电阻与所述第一电阻的第二端、所述二极管电路的第一端连接；所述第一电阻的第一端与温控模块连接；所述二极管电路的第一端通过所述第二运算放大器接入模拟控制信号。10.根据权利要求9所述的功率输出电路，其特征在于，还包括：
保险丝；所述第一电阻的第一端通过所述保险丝与温控模块连接。

技术总结
本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种PN结电压调节电路及功率输出电路，当功率模块启动时，控制模块根据功率模块的PN结的电压差来控制温控模块，以维持功率模块中PN结的电压差恒定或大于预设电压差阈值，以降低交越失真，避免电路出现热失控。避免电路出现热失控。避免电路出现热失控。


技术研发人员：刘志东
受保护的技术使用者：佛山市联动科技股份有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/1