一种短路和过流保护装置和方法

摘要

本申请公开了一种短路和过流保护装置，包括：用于检测磁场绝对值的检测电路；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个开关管的正向电流相同，则各个开关管在检测电路的检测位置处产生的磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；与检测电路连接的关断电路，用于当检测电路检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个开关管中的至少一个开关管进行关断。应用本申请的方案，可以低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护，且对于短路情况具有一定的预测性，可以起到提前进行短路防护的作用。本申请还公开了一种短路和过流保护方法，具有相应技术效果。

权利要求

1.一种短路和过流保护装置，其特征在于，包括：用于检测磁场绝对值的检测电路；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个所述开关管的正向电流相同，则各个所述开关管在所述检测电路的同一检测位置处产生的磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；

与所述检测电路连接的关断电路，用于当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个所述开关管中的至少一个开关管进行关断。

2.根据权利要求1所述的短路和过流保护装置，其特征在于，N的取值为2，且预设的2个开关管为同一桥臂中的上开关管和下开关管。

3.根据权利要求1所述的短路和过流保护装置，其特征在于，所述关断电路，具体用于：当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个所述开关管中的至少一个开关管采用两电平关断的方式进行关断。

4.根据权利要求3所述的短路和过流保护装置，其特征在于，所述关断电路包括：分别用于进行N个开关管的通断控制的N个关断单元，且每一个所述关断单元中均包括：输入端与所述检测电路连接的充电触发电路，用于当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，为第一电容充电并使第一开关单元导通；

第一端分别与驱动电路的控制端以及所述第一电容的第二端连接，第二端分别与所述充电触发电路的输出端以及所述第一开关单元的控制端连接的第一电阻；

第一端接地的所述第一电容；

第一端与所述驱动电路的输出端连接，第二端与钳位电路的输出端连接的所述第一开关单元；

所述钳位电路，用于在所述第一开关单元导通时，将该关断单元进行通断控制的开关管的控制端电压钳位为预设的中间电压；

输出端与由该关断单元进行通断控制的开关管的控制端连接的所述驱动电路；

并且，所述中间电压低于所述驱动电路输出端输出的驱动电压；所述驱动电路的控制端的电压未达到预设的饱和电压时，所述驱动电路的输出端输出驱动电压，所述驱动电路的控制端的电压达到所述饱和电压时，所述驱动电路的输出端接预设的低电平。

5.根据权利要求4所述的短路和过流保护装置，其特征在于，所述钳位电路包括：第一端分别与第一电源正极以及第二电容的第一端连接，第二端分别与第一稳压二极管的负极，所述第二电容的第二端以及第三电容的第一端连接的第二电阻，且所述第二电阻的第二端作为所述钳位电路的输出端；

所述第二电容；

所述第三电容；

正极所述第三电容的第二端连接，且连接端接地的所述第一稳压二极管。

6.根据权利要求4所述的短路和过流保护装置，其特征在于，还包括：正极与所述第一电容的第一端连接，负极与所述第一电容的第二端连接的第二稳压二极管。

7.根据权利要求4所述的短路和过流保护装置，其特征在于，还包括：阳极与所述驱动电路的输出端连接，阴极与所述第一开关单元的第一端连接的第一二极管。

8.根据权利要求4至7任一项所述的短路和过流保护装置，其特征在于，所述充电触发电路包括：

正向输入端与所述检测电路连接，负向输入端接收参考电压的比较器，用于在正向输入端接收的电压高于所述参考电压时，输出故障信号；

输入端与所述比较器的输出端连接的单稳态触发器，用于将所述故障信号延长第一时长；

输入端与所述单稳态触发器的输出端连接，用于在接收到所述单稳态触发器输出的故障信号时驱动光耦合器的缓冲器；

输入端与所述缓冲器连接，输出端作为所述充电触发电路的输出端的所述光耦合器，用于在收到所述缓冲器的驱动时，为所述第一电容充电并使所述第一开关单元导通。

9.根据权利要求1所述的短路和过流保护装置，其特征在于，所述检测电路为TMR检测电路。

10.一种短路和过流保护方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的短路和过流保护装置中，包括：

检测电路检测磁场绝对值；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个所述开关管的正向电流相同，则各个所述开关管在所述检测电路的同一检测位置处产生的磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；

当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，关断电路将N个所述开关管中的至少一个开关管进行关断。

说明书

一种短路和过流保护装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种短路和过流保护装置和方法。

背景技术

[0002] 可靠的短路和过流保护对于电力电子器件的可靠性而言至关重要。特别是相较于Si IGBT（Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor，硅绝缘栅双极型晶体管），SiC 
MOSFET（Silicon Carbide Metal‑Oxide‑Semiconductor Field‑Effect Transistor，碳化
硅金属氧化物半导体场效应晶体管）的短路电流上升速度和峰值要大得多，因此短路电流
可承受时间更短，更需要进行快速，准确的短路保护。短路和过流保护的实现主要分为两
步，第一步：检测到器件发生短路或过流，从而发出故障信号。第二步：收到故障信号的关断
电路将器件安全可靠地关断。

[0003] 针对SiC MOSFET的短路和过流保护中的第一步，国内外提出了多种方案，一种最简单的方法是利用欧姆定律，将电流转换为电压信号。但是，由于需要在SiC MOSFET的功率
回路中插入采样电阻，会增加损耗和环路电感，不适合在高压大功率场合中使用。罗氏线圈
是一种经典的基于法拉第定律的电流检测方法，环状结构的感应部分可以包含数百圈空心
线圈，带电导体穿过该环状结构与其形成互感。导体电流在环状结构感应出电压，经积分后
可得到电流的交流成分。但是积分器中的运放内部一般存在偏置电压、电流，会导致积分器
的输出漂移甚至饱和，为解决该问题需要采用高性能运放，添加校正电路和复位开关并逐
个调试，这些措施都增加了罗氏线圈技术的成本和复杂度。法拉第电磁感应定律也能用来
测量电流。一种典型的方法是采用图1所示的RC积分电路，将开尔文电感的 信息转为
电压，将 与阈值比较即可判断短路故障，但是对于变化缓慢的过流故障，
检测时间会明显变长，甚至检测不到。集成了Sense电极的SiC MOSFET芯片可以将部分晶胞
专门用于电流检测，但是成本较高，不具备普遍性。

[0004] 综上所述，如何低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种短路和过流保护装置和方法，以低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种短路和过流保护装置，包括：

[0008] 用于检测磁场绝对值的检测电路；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个所述开关管的正向电流相同，则各个所述开关管在所述检测电路的检测位置
处产生的磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；

[0009] 与所述检测电路连接的关断电路，用于当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个所述开关管中的至少一个开关管进行关断。

[0010] 优选的，N的取值为2，且预设的2个开关管为同一桥臂中的上开关管和下开关管。

[0011] 优选的，所述关断电路，具体用于：

[0012] 当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个所述开关管中的至少一个开关管采用两电平关断的方式进行关断。

[0013] 优选的，所述关断电路包括：分别用于进行N个开关管的通断控制的N个关断单元，且每一个所述关断单元中均包括：

[0014] 输入端与所述检测电路连接的充电触发电路，用于当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，为第一电容充电并使第一开关单元导通；

[0015] 第一端分别与驱动电路的控制端以及所述第一电容的第二端连接，第二端分别与所述充电触发电路的输出端以及所述第一开关单元的控制端连接的第一电阻；

[0016] 第一端接地的所述第一电容；

[0017] 第一端与所述驱动电路的输出端连接，第二端与钳位电路的输出端连接的所述第一开关单元；

[0018] 所述钳位电路，用于在所述第一开关单元导通时，将该关断单元进行通断控制的开关管的控制端电压钳位为预设的中间电压；

[0019] 输出端与由该关断单元进行通断控制的开关管的控制端连接的所述驱动电路；

[0020] 并且，所述中间电压低于所述驱动电路输出端输出的驱动电压；所述驱动电路的控制端的电压未达到预设的饱和电压时，所述驱动电路的输出端输出驱动电压，所述驱动
电路的控制端的电压达到所述饱和电压时，所述驱动电路的输出端接预设的低电平。

[0021] 优选的，所述钳位电路包括：

[0022] 第一端分别与第一电源正极以及第二电容的第一端连接，第二端分别与第一稳压二极管的负极，所述第二电容的第二端以及第三电容的第一端连接的第二电阻，且所述第
二电阻的第二端作为所述钳位电路的输出端；

[0023] 所述第二电容；

[0024] 所述第三电容；

[0025] 正极所述第三电容的第二端连接，且连接端接地的所述第一稳压二极管。

[0026] 优选的，还包括：

[0027] 正极与所述第一电容的第一端连接，负极与所述第一电容的第二端连接的第二稳压二极管。

[0028] 优选的，还包括：

[0029] 阳极与所述驱动电路的输出端连接，阴极与所述第一开关单元的第一端连接的第一二极管。

[0030] 优选的，所述充电触发电路包括：

[0031] 正向输入端与所述检测电路连接，负向输入端接收参考电压的比较器，用于在正向输入端接收的电压高于所述参考电压时，输出故障信号；

[0032] 输入端与所述比较器的输出端连接的单稳态触发器，用于将所述故障信号延长第一时长；

[0033] 输入端与所述单稳态触发器的输出端连接，用于在接收到所述单稳态触发器输出的故障信号时驱动光耦合器的缓冲器；

[0034] 输入端与所述缓冲器连接，输出端作为所述充电触发电路的输出端的所述光耦合器，用于在收到所述缓冲器的驱动时，为所述第一电容充电并使所述第一开关单元导通。

[0035] 优选的，所述检测电路为TMR检测电路。

[0036] 一种短路和过流保护方法，应用于上述任一项所述的短路和过流保护装置中，包括：

[0037] 检测电路检测磁场绝对值；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个所述开关管的正向电流相同，则各个所述开关管在所述检测电路的检测位置处产生
的磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；

[0038] 当所述检测电路检测到的所述磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，关断电路将N个所述开关管中的至少一个开关管进行关断。

[0039] 应用本发明实施例所提供的技术方案，通过检测电路对检测位置处的磁场绝对值进行检测，并且申请人考虑到，如果使用检测电路对某一开关管在检测位置处产生的磁场
绝对值进行检测，很容易受到临近磁场的干扰，因此，本申请的方案中，并不是利用检测电
路对某一个开关管在检测位置处的磁场绝对值进行检测，而是选择了一个特定的检测位置
处，当检测电路位于这一特定的检测位置时，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果
流经N个开关管的正向电流相同，则各个开关管在检测电路的检测位置处产生的磁场矢量
相同。因此，这N个开关管中，任意1个开关管过流时，检测电路检测的磁场绝对值便会达到
预设磁场强度阈值时，从而关断电路会将N个开关管中至少一个开关管进行关断，即本申请
的方案可以有效地实现这N个开关管的过流保护。而如果出现了短路情况，例如N个开关管
中构成同一桥臂的上管和下管同时导通导致短路，由于各个开关管在检测电路的检测位置
处产生的磁场矢量相同，因此，这两个短路的开关管的电流只要达到了过流值的一半，检测
电路检测的磁场绝对值就会达到预设磁场强度阈值，因此不仅可以实现短路保护，还起到
了一定程度的提前预测短路的作用。此外，过流以及短路情况，都可以立即反映在磁场上，
因此本申请方案可以快速地实现短路以及过流保护。并且，本申请的检测电路检测到的磁
场绝对值，就是N个开关管共同作用的结果，因此不会出现上文描述的受到干扰的情况，即
本申请相当于是将干扰信号转化成了有用的信号。此外，用于检测磁场绝对值的检测电路，
是非接触式检测，因此不会出现传统的基于采样电阻检测导致的增加损耗和环路电感等缺
点，检测电路结构简单，也不要求高性能运放，因此有利于降低本申请方案的成本和复杂
度。

[0040] 综上所述，本申请的方案可以低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护，且对于短路情况具有一定的预测性，可以起到提前进行短路防护的作用。

附图说明

[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，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。

[0042] 图1为传统的基于开尔文电感的短路检测电路；

[0043] 图2为本发明中一种短路和过流保护装置的结构示意图；

[0044] 图3为本发明一种具体实施方式中的TMR检测电路的结构示意图；

[0045] 图4a为一种常用的SiC MOSFET模块去外壳后的示意图；

[0046] 图4b为本发明一种具体场合中流过同一桥臂的上开关管和下开关管的电流所产生的磁场示意图；

[0047] 图4c为本发明一种具体场合中的上开关管过流时的电流及磁场分布情况；

[0048] 图4d为本发明一种具体场合中的下开关管过流时的电流及磁场分布情况；

[0049] 图4e为本发明一种具体场合中的发生同一桥臂的直通短路时电流及磁场分布情况；

[0050] 图5为本发明一种具体实施方式中的短路和过流保护装置的结构示意图；

[0051] 图6为本发明另一种具体实施方式中的短路和过流保护装置的结构示意图；

[0052] 图7为本发明一种具体实施方式中的钳位电路的结构示意图。

具体实施方式

[0053] 本发明的核心是提供一种短路和过流保护装置，可以低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护，且对于短路情况具有一定的预测性，可以起到提前进行短路防
护的作用。

[0054] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。

[0055] 请参考图2，图2为本发明中一种短路和过流保护装置的结构示意图，该短路和过流保护装置可以包括：

[0056] 用于检测磁场绝对值的检测电路10；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个开关管的正向电流相同，则各个开关管在检测电路10的检测位置处产生的
磁场矢量相同，N为不小于2的正整数；

[0057] 与检测电路10连接的关断电路20，用于当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个开关管中的至少一个开关管进行关断。

[0058] 本申请的方案中，可以利用检测电路10和关断电路20实现预设的N个开关管的短路和过流保护，预设的N个开关管的具体类型可以根据实际需要进行设定和调整，由于SiC 
MOSFET对于短路电流可承受时间更短，即SiC MOSFET的要求更高，因此，本申请通常可以用
于实现SiC MOSFET的保护。当然，对于普通的Si MOSFET，以及IGBT等开关器件而言，同样可
以采用本申请的方案实现短路和过流保护。本申请的后文中，便以预设的N个开关管均为
SiC MOSFET为例进行说明。

[0059] 准确地检测流经SiC MOSFET的电流，是能够可靠，快速地进行该SiC MOSFET的短路及过流保护的关键，因此，本申请的方案中，通过检测电路10对于检测位置处的磁场绝对
值进行检测，通过检测位置处的磁场绝对值，能够快速地反映出流经该SiC MOSFET的电流
情况，并且由于是非接触式检测，因此不会出现传统的基于采样电阻检测导致的增加损耗
和环路电感等缺点。并且，用于检测磁场绝对值的检测电路10结构简单，也不会要求高性能
运放，因此有利于降低本申请方案的成本和复杂度。

[0060] 检测电路10用来检测磁场绝对值，具体的电路构成可以根据需要进行设定和调整，只要能够实现本申请的目的即可。例如在本发明的一种具体实施方式中，检测电路10可
以具体为TMR（Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻）检测电路，结构简单，便于实施。

[0061] 例如图3为一种具体实施方式中的TMR检测电路10的结构示意图，可以对检测位置处的磁场强度绝对值B进行检测，该TMR检测电路10通常可以集成为TMR芯片，例如图4c至图
4e中，TMR检测电路10均标示为TMR IC。在图3中，该TMR检测电路10包括4个TMR，并构成桥式
结构，图3中的V+与V‑之间的电压差与周围磁场大小呈线性关系，即V+与V‑之差反映了测量
位置的磁场大小，经过图3中的差分放大和电压抬升后，即可作为检测电路10的输出，用于
实现后续的保护。

[0062] 但是，本申请考虑到，如果只采用TMR模块对某一开关管在检测位置处产生的磁场绝对值进行检测，很容易受到临近磁场的干扰，并且主要是该开关管附近的其他开关管产
生的磁场干扰，因此，本申请将检测电路10设置在一个特定的检测位置处，在该检测位置
处，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个开关管的正向电流相同，则各个开
关管在检测电路10的检测位置处产生的磁场矢量相同，这样使得本申请的检测电路10检测
到的磁场绝对值，是这N个开关管共同作用的结果，也就是将干扰信号转化成了有用的信
号。

[0063] 为了便于理解，以N=2为例进行说明，并且在实际应用中，一种较为常用的方式是：N的取值为2，且预设的2个开关管为同一桥臂中的上开关管和下开关管。

[0064] 该种实施方式中，考虑到对于任意桥臂的上开关管而言，对其产生的磁场影响最明显的干扰，便来自该桥臂的下开关管，同理，对于该桥臂的下开关管而言，对其产生的磁
场影响最明显的干扰，便来自该桥臂的上开关管，因此该种实施方式便设置N=2，且这2个开
关管为同一桥臂中的上开关管和下开关管。

[0065] 可参阅图4a，为常用的SiC MOSFET模块去外壳后的示意图，这种模块结构具有普遍性。如图4a所示，模块中的端子1和端子3相邻，分别流过上开关管电流和下开关管电流。

[0066] 可参阅图4b，为一种具体场合中流过同一桥臂的上开关管和下开关管的电流所产生的磁场示意图。当上开关管或者下开关管流过正向电流时，流过端子1的正向电流所产生
的磁场，与流过端子3的正向电流所产生的磁场，在1、3端子之间是同向的。因此，在图4b的 
1、3端子之间，一定存在某个位置，使得当上开关管和下开关管流过相同大小的正向电流
时，流过端子1的正向电流所产生的磁场，与流过端子3的正向电流所产生的磁场，在这一位
置上方向相同，且大小相等，也即在这一位置产生的磁场矢量是一致的。

[0067] 因此，将检测电路10（以TMR检测电路10为例）放置在这个指定的检测位置上，无论是流过上开关管的电流，还是流过下开关管的电流，都能被TMR检测电路10等同地监测到。

[0068] 可参阅图4c和图4d，图4c为上开关管过流时的电流及磁场分布情况，图4d为下开关管过流时的电流及磁场分布情况。

[0069] 可以看出，如果上开关管导通流过正向电流，下开关管关断，此时，TMR检测电路10检测到的磁场强度绝对值，也就是上开关管的电流在检测位置处产生的磁场强度绝对值，
即此时TMR检测电路10仅对上开关管电流进行检测，如果上开关管电流达到了预设的过流
阈值 ，则此时TMR检测电路10检测到的磁场强度可以达到预设的磁场强度阈值 。

[0070] 相应的，如果下开关管导通流过正向电流，上开关管关断，此时，TMR检测电路10检测到的磁场强度绝对值，也就是下开关管的电流在检测位置处产生的磁场强度绝对值，即
此时TMR检测电路10仅对下开关管电流进行检测，如果下开关管电流达到了预设的过流阈
值 ，则此时TMR检测电路10检测到的磁场强度可以达到预设的磁场强度阈值 。

[0071] 可参阅图4e，为发生同一桥臂的直通短路时电流及磁场分布情况。

[0072] 当发生直通短路时，该桥臂的上开关管下开关管都导通，流过大小相等的正向电流。由于流过上开关管和下开关管的电流会在TMR检测电路10的检测位置处产生方向相同，
大小相等的磁场，因此，此时TMR检测电路10监测到的电流是上开关管电流与下开关管电流
之和。因此，当上开关管和下开关管的电流达到 时，TMR检测电路10检测到的磁场强度
就会达到预设的磁场强度阈值 。

[0073] 本申请设置了关断电路20与检测电路10连接，当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，说明出现了过流或者短路的情况，此时关断电路20便会将N个开
关管中的至少一个开关管进行关断。

[0074] 并且由前述分析可知，对于N个开关管中的单开关管过流的情况，在该开关管的电流达到了预设的过流阈值时，会触发关断电路20的关断功能，实现过流保护。而如果是发生
了短路情况，例如前述例子中，上开关管和下开关管的电流无需达到过流阈值，而是只需要
达到 时，TMR检测电路10检测到的磁场强度就会达到预设的磁场强度阈值 ，从而触
发关断电路20的关断功能，因此本申请的短路保护具有提前预测的功能，从而使得本申请
的方案可以进一步地提高被保护电路的可靠性。

[0075] 此外需要说明的是，在前述具体实施方式中，是以N=2为例进行说明，而在其他实施方式中，N可以有更大的数值。例如，对于一个全桥变流器中的两个桥臂而言，共有4个开
关管，如果按照前述实施例执行，便是设置两组短路和过流保护装置，每组负责进行一个桥
臂中的两个开关管的保护。也可以是只设置1组短路和过流保护装置，同时保护这4个开关
管，即此时N=4，需要将检测电路10设置在相应的指定检测位置处，使得如果流经这4个开关
管的正向电流相同，这4个开关管在检测电路10的检测位置处产生的磁场矢量相同。

[0076] 关断电路20的具体构成可以根据实际需要进行设定和调整，例如，当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，关断电路20可以通过对相应驱动电路26的
控制，直接将N个开关管中的至少一个开关管进行关断。

[0077] 需要说明的是，将N个开关管中的至少一个开关管进行关断，可以有效地进行过流和短路保护，而在实际应用中，为了进一步地提高安全性，当检测电路检测到的磁场绝对值
达到预设磁场强度阈值时，关断电路也可以选择将N个开关管均进行关断。又如，对于N个开
关管中，构成了同一桥臂的上开关管和下开关管，可以选择其中一个开关管进行关断，例如
N=4时，且这4个开关管构成2个桥臂，则例如可以选择将2个桥臂的上开关管均进行关断。

[0078] 进一步的，在本发明的一种具体实施方式中，考虑到在发生过流或短路故障时，流经器件的电流远大于正常的工作电流，而由于主电路寄生电感的存在，如果突然关断器件，
会使器件两端产生电压过冲的情况，过冲太大超过器件耐压极限时，便会将器件击穿。而电
压过冲与di/dt成正比，因此，减小关断时电压过冲的有效手段是减小di/dt。因此，在本发
明的一种具体实施方式中，关断电路20，具体用于：

[0079] 当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，将N个开关管中的至少一个开关管采用两电平关断的方式进行关断。

[0080] 两电平关断的方式指的是：在进行开关管的关断时，先将该开关管的驱动电压降到一个中间电平，之后再完全将器件关断。通过两电平关断，相较于直接关断，可以有效地
降低过压导致的开关管被击穿情况的发生概率。

[0081] 采用两电平关断方式的关断电路20的具体电路构成也有多种，根据实际需要进行选取即可，在本发明的一种具体实施方式中，关断电路20可以具体包括：分别用于进行N个
开关管的通断控制的N个关断单元，且每一个关断单元中均包括：

[0082] 输入端与检测电路10连接的充电触发电路200，用于当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，为第一电容C1充电并使第一开关单元S1导通；

[0083] 第一端分别与驱动电路26的控制端以及第一电容C1的第二端连接，第二端分别与充电触发电路200的输出端以及第一开关单元S1的控制端连接的第一电阻R1；

[0084] 第一端接地的第一电容C1；

[0085] 第一端与驱动电路26的输出端连接，第二端与钳位电路21的输出端连接的第一开关单元S1；

[0086] 钳位电路21，用于在第一开关单元S1导通时，将该关断单元进行通断控制的开关管的控制端电压钳位为预设的中间电压；

[0087] 输出端与由该关断单元进行通断控制的开关管的控制端连接的驱动电路26；

[0088] 并且，中间电压低于驱动电路26输出端输出的驱动电压；驱动电路26的控制端的电压未达到预设的饱和电压时，驱动电路26的输出端输出驱动电压，驱动电路26的控制端
的电压达到饱和电压时，驱动电路26的输出端接预设的低电平。

[0089] 该种实施方式中的关断电路20由N个关断单元构成，从而分别负责对应的1个开关管的关断控制。该种实施方式中的关断单元相较于传统的一些具有两电平关断功能的电路
而言，所需器件少，结构简单，可靠性高。

[0090] 此外，由于目前的开关管通常都具有其驱动电路26，且功能上通常可以实现本申请的要求，因此，在实际应用中，各个关断单元中的驱动电路26可以直接采用原有的驱动电
路，而不需要额外设置，也就是说，该种实施方式中，本申请只需要在驱动电路26外围设置
充电触发电路200，第一电阻R1，第一电容C1，第一开关单元S1以及钳位电路21，便可以实现
所需要的两电平关断的功能，使得本申请该种实施方式的适用范围非常广泛，对原有电路
的修改量非常少。

[0091] 具体的，充电触发电路200的输入端与检测电路10连接，当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，充电触发电路200便可以为第一电容C1充电，并使第一
开关单元S1导通。并且在实际应用中，可以根据需要，将充电触发电路200和钳位电路21集
成在驱动电路26中，以提高集成度，减小对空间的占用。充电触发电路200具体电路构成可
以根据需要进行设定，例如图6的具体实施方式中，充电触发电路200具体包括：

[0092] 正向输入端与检测电路10连接，负向输入端接收参考电压的比较器22，用于在正向输入端接收的电压高于参考电压时，输出故障信号；

[0093] 输入端与比较器22的输出端连接的单稳态触发器23，用于将故障信号延长第一时长；

[0094] 输入端与单稳态触发器23的输出端连接，用于在接收到单稳态触发器23输出的故障信号时驱动光耦合器25的缓冲器24；

[0095] 输入端与缓冲器24连接，输出端作为充电触发电路200的输出端的光耦合器25，用于在收到缓冲器24的驱动时，为第一电容C1充电并使第一开关单元S1导通。

[0096] 在图6的实施方式中，当检测电路10检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，检测电路10的输出信号便会达到比较器22的负向输入端接收的参考电压的数值，即发
生过流或者短路时，图6中的TMR IC OUTPUT可以达到或超过参考电压 ，此时，比较器22
便可以输出故障信号，在具体场合中，故障信号通常为高电平。

[0097] 单稳态触发器23的作用是将故障信号的持续时长进行延长，即，单稳态触发器23可以将故障信号延长预设的第一时长。这是申请人考虑到，在关断开关管的过程中，由于流
过器件的电流会下降，从而导致故障信号消失，因此通过单稳态触发器23将故障信号延长，
使得可以保证器件的可靠关断。

[0098] 并且，该种实施方式中还设置了缓冲器24以及光耦合器25，光耦合器25可以有效地将检测电路10与和主功率电路进行隔离，即进行高、低压的隔离，可以提高本申请方案的
可靠性，而缓冲器24则是用于增强驱动能力，单稳态触发器23的输出通常无法直接驱动光
耦合器25。

[0099] 当充电触发电路200进行电能输出时，第一开关单元S1会导通，同时，充电触发电路200通过第一电阻R1和第一电容C1构成的RC充电电路，可以给第一电容C1充电，由于设置
了第一电阻R1，可以使得第一电容C1的电压不是直接被拉高，而是需要逐渐充电才会被拉
高。

[0100] 如果驱动电路26的控制端的电压未达到预设的饱和电压，即第一电容C1的电压还未达到该饱和电压时，驱动电路26的输出端会输出驱动电压，但是，由于第一开关单元S1导
通，钳位电路21可以将该关断单元进行通断控制的开关管的控制端电压钳位为预设的中间
电压。例如图5是在N=2时，对一个桥臂中的下开关管进行保护，图5中将被保护的开关管标
记为Q2，则该例子中，钳位电路21此时便是将Q2的控制端电压钳位为预设的中间电压。通
常，该钳位电路21可以由一个输出电压可调的电压源实现，从而方便地实现该中间电压的
幅值调整。

[0101] 随着第一电容C1的电压升高，当驱动电路26的控制端的电压达到饱和电压时，驱动电路26会将其输出端接接预设的低电平，也就是驱动电路26可以将图5中的自身的OUT端
口的输出拉低，从而使得被保护的开关管Q2完全关断。并且需要说明的是，本申请描述的驱
动电路26的输出端接预设的低电平，该低电平通常可以是负驱动电压VEE或者是地GND，具
体的，当电路中设置有负驱动电压VEE时，例如SiC MOSFET的驱动电路26中通常具备负驱动
电压VEE，则可以将预设的低电平设置为负驱动电压VEE，从而有效地进行相应的开关管的
关断。而例如部分场合的驱动电路26中未设置负驱动电压VEE，则直接将驱动电路26的输出
端接地即可实现相应的开关管的关断。预设的低电平选择负驱动电压VEE，稳定性会高于选
择为地GND。

[0102] 该种实施方式中，通过调整C1和R1的参数，便可以方便地调整中间电平持续时间。并且可以理解的是，由于是两电平式关断，因此中间电压应当低于驱动电路26输出端输出
的驱动电压，高于预设的低电平。

[0103] 本申请对于驱动电路26的要求是，该驱动电路26可以根据其控制端的电压大小，决定其输出端是正常输出驱动电压，还是接预设的低电平。当输出端是正常输出驱动电压
时，相应的开关管可以正常导通，而当输出端接预设的低电平时，相应的开关管完全关断。
在实际应用中，特别是目前采用的用于驱动IGBT的驱动电路26几乎均具备退饱和引脚，可
以直接将退饱和引脚作为本申请的控制端使用，图5中的DESAT引脚便是退饱和引脚，也即
本申请描述的驱动电路26的控制端。当然，其他具体场合中，可以根据实际情况，选择驱动
电路的相关引脚作为本申请描述的驱动电路26的控制端使用，能够实现本申请的目的即
可。

[0104] 在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图7，钳位电路21可以具体包括：

[0105] 第一端分别与第一电源正极以及第二电容C2的第一端连接，第二端分别与第一稳压二极管D11的负极，第二电容C2的第二端以及第三电容C3的第一端连接的第二电阻R2，且
第二电阻R2的第二端作为钳位电路21的输出端；

[0106] 第二电容C2；

[0107] 第三电容C3；

[0108] 正极第三电容C3的第二端连接，且连接端接地的第一稳压二极管D11。

[0109] 该种实施方式中，通过调整第一稳压二极管D11的规格，就可以方便地调整钳位电路21的电压输出，也即可以方便地调整设定的中间电压的大小，并且该种实施方式中的钳
位电路21结构简单，可靠性高。图7中将第一电源正极标示为VCC1，具体取值可以根据需要
进行设定和调整，通常与驱动电路26所接的VCC一致。将第一稳压二极管D11的接地端标记
为S，是指代图6中的Q2的源极，该源极接到了驱动电路26的GND。

[0110] 在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图6，还可以包括：

[0111] 正极与第一电容C1的第一端连接，负极与第一电容C1的第二端连接的第二稳压二极管D22。

[0112] 设置第二稳压二极管D22，可以避开驱动电路26的控制端的电压过高而损坏电路的情况，即避免图6中的DESAT引脚电压过高。

[0113] 在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图6，还可以包括：

[0114] 阳极与驱动电路26的输出端连接，阴极与第一开关单元S1的第一端连接的第一二极管D1。

[0115] 当驱动电路26将其输出端拉低时，被保护的开关管便会被完全关断，该种实施方式中，通过设置第一二极管D1，可以防止驱动电路26将其输出端拉低时，由于钳位电路21的
电流灌入驱动芯片，影响被保护的开关管关断的情况发生，即进一步的提高了本申请方案
的可靠性。

[0116] 此外，部分场合中，会在驱动电路26的输出端与被驱动的开关管之间设置推挽电路以提高驱动能力，例如图6中设置了由一个电阻以及2个三极管构成的推挽电路。

[0117] 应用本发明实施例所提供的技术方案，通过检测电路对检测位置处的磁场绝对值进行检测，并且申请人考虑到，如果使用检测电路对某一开关管在检测位置处产生的磁场
绝对值进行检测，很容易受到临近磁场的干扰，因此，本申请的方案中，并不是利用检测电
路对某一个开关管在检测位置处的磁场绝对值进行检测，而是选择了一个特定的检测位置
处，当检测电路位于这一特定的检测位置时，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果
流经N个开关管的正向电流相同，则各个开关管在检测电路的检测位置处产生的磁场矢量
相同。因此，这N个开关管中，任意1个开关管过流时，检测电路检测的磁场绝对值便会达到
预设磁场强度阈值时，从而关断电路会将N个开关管中至少一个开关管进行关断，即本申请
的方案可以有效地实现这N个开关管的过流保护。而如果出现了短路情况，例如N个开关管
中构成同一桥臂的上管和下管同时导通导致短路，由于各个开关管在检测电路的检测位置
处产生的磁场矢量相同，因此，这两个短路的开关管的电流只要达到了过流值的一半，检测
电路检测的磁场绝对值就会达到预设磁场强度阈值，因此不仅可以实现短路保护，还起到
了一定程度的提前预测短路的作用。此外，过流以及短路情况，都可以立即反映在磁场上，
因此本申请方案可以快速地实现短路以及过流保护。并且，本申请的检测电路检测到的磁
场绝对值，就是N个开关管共同作用的结果，因此不会出现上文描述的受到干扰的情况，即
本申请相当于是将干扰信号转化成了有用的信号。此外，用于检测磁场绝对值的检测电路，
是非接触式检测，因此不会出现传统的基于采样电阻检测导致的增加损耗和环路电感等缺
点，检测电路结构简单，也不要求高性能运放，因此有利于降低本申请方案的成本和复杂
度。

[0118] 综上所述，本申请的方案可以低成本地，快速，准确地实现开关管的短路和过流保护，且对于短路情况具有一定的预测性，可以起到提前进行短路防护的作用。

[0119] 相应于上面的短路和过流保护装置的实施例，本发明实施例还提供了一种短路和过流保护方法，可与上文相互对应参照，该方法可与应用于上述任一实施例中的的短路和
过流保护装置中，包括：

[0120] 检测电路检测磁场绝对值；并且，针对被保护电路中的预设的N个开关管，如果流经N个开关管的正向电流相同，则各个开关管在检测电路的检测位置处产生的磁场矢量相
同，N为不小于2的正整数；

[0121] 当检测电路检测到的磁场绝对值达到预设磁场强度阈值时，关断电路将N个开关管中的至少一个开关管进行关断。

[0122] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间
存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵
盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在
包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0123] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和
软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些
功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业
技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应
认为超出本发明的范围。

[0124] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通
技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些
改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。