一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，包括第一控制信號(hào)端子、第二控制信號(hào)端子、第一控制供電端子、第二控制供電端子、第一功率接線端子、第二功率接線端子、門極驅(qū)動(dòng)電路、MOS管級(jí)聯(lián)器件及動(dòng)靜態(tài)均壓電路，該高壓固態(tài)開關(guān)采用器件級(jí)聯(lián)的方法，并且能夠高壓隔離驅(qū)動(dòng)與器件的動(dòng)靜態(tài)均壓，可靠性較高，損耗較小。
【專利說(shuō)明】
一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高壓固態(tài)開關(guān)，具體涉及一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)。【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)在高壓直流輸電領(lǐng)域的越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，電力電子系統(tǒng)所承受的電壓等級(jí)越來(lái)越高。高壓大功率的硅基絕緣柵雙極型晶體管Si IGBT器件的商業(yè)化也助推了電力系統(tǒng)電力電子化的發(fā)展。在諸如高電壓模塊化多電平變流器(MMC)，高壓固態(tài)電力電子變壓器(SST)，高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)變流器等應(yīng)用場(chǎng)合中，單個(gè)模塊單元的電壓等級(jí)仍然難以滿足實(shí)際的使用需求，需要多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)使用。各個(gè)級(jí)聯(lián)模塊單元的驅(qū)動(dòng)，保護(hù)供電通常從各自模塊內(nèi)部的母線電容上抽取，這些母線上的電壓等級(jí)也隨著模塊內(nèi)半導(dǎo)體器件的耐壓等級(jí)的提高而提高。目前，半導(dǎo)體器件的耐壓等級(jí)為1.7kV，3.3kV，4.5kV，6.5kV，相應(yīng)的模塊內(nèi)母線電壓等級(jí)也為1.71^，3.31^，4.51^，6.51^，因此需要高輸入電壓的直流/直流 (DC/DC)變換器以滿足工業(yè)需求。但目前高壓Si IGBT的損耗大，成本高，不適合高壓小功率電源，雖然單只單極性器件M0SFET具有高開關(guān)速度，低損耗的特點(diǎn)，大量應(yīng)用在小功率電源上，但無(wú)論是Si基還是SiC基的M0SFET的單只耐壓都遠(yuǎn)低于高壓MMC，SST的需求。
[0003]目前，多采用低壓DC/DC串聯(lián)使用以滿足高電壓輸入應(yīng)用，但成本較高，采用器件級(jí)聯(lián)的方法提高器件耐壓滿足高壓應(yīng)用成為一種低成本的解決方案。但器件級(jí)聯(lián)中的浮地器件的高壓隔離驅(qū)動(dòng)及器件間的動(dòng)靜態(tài)均壓的問題較大，降低了其可靠性，損耗也會(huì)增大。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)， 該高壓固態(tài)開關(guān)采用器件級(jí)聯(lián)的方法，并且能夠高壓隔離驅(qū)動(dòng)與器件的動(dòng)靜態(tài)均壓，可靠性較高，損耗較小。[〇〇〇5]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)包括第一控制信號(hào)端子、第二控制信號(hào)端子、第一控制供電端子、第二控制供電端子、第一功率接線端子、第二功率接線端子、門極驅(qū)動(dòng)電路、M0S管級(jí)聯(lián)器件及動(dòng)靜態(tài)均壓電路；
[0006]M0S管級(jí)聯(lián)器件由若干MS0管組成，第一控制供電端子及第二控制供電端子與門極驅(qū)動(dòng)電路的電源端相連接，第一控制信號(hào)端子及第二控制信號(hào)端子與門極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連接，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極與第二功率接線端子相連接，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極通過(guò)動(dòng)靜態(tài)均壓電路與各M0S管的柵極、第一功率接線端子及第一個(gè)M0S管的漏極相連接，前一個(gè)M0S管的源極與后一個(gè)M0S管的漏極相連接，最后一個(gè)M0S管的源極與第二功率接線端子相連接。
[0007]M0S管級(jí)聯(lián)器件由第一 M0S管及第二M0S管組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容、第二電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻及第四電阻，其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極與第一電容的一端及第三電阻的一端相連接，第三電阻的另一端與第一 M0S管的柵極相連接，第一電容的另一端與第四電阻的一端相連接，第四電阻的另一端與第二電阻的一端及第二MOS管的柵極相連接，第一功率接線端子與第一電阻的一端、第二電容的一端及第二 MOS管的漏極相連接，第二MOS管的源極與第二電容的另一端、第一電阻的另一端及第一 MOS 管的漏極相連接，第二功率接線端子與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻的另一端及第一個(gè)MOS管的源極相連接。
[0008]M0S管級(jí)聯(lián)器件由第一 M0S管及第二M0S管組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容、第二電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻及第四電阻，其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極與第三電阻的一端相連接，第三電阻的另一端與第一 M0S管的柵極相連接，第一電容的一端與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極相連接，第一電容的另一端與第四電阻的一端相連接，第四電阻的另一端與第二電阻的一端及第二M0S管的柵極相連接，第一功率接線端子與第一電阻的一端、第二電容的一端及第二M0S管的漏極相連接，第二M0S管的源極與第二電容的另一端、第一電阻的另一端及第一 M0S管的漏極相連接，第二功率接線端子與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻的另一端及第一 M0S個(gè)管的源極相連接。
[0009]還包括第一穩(wěn)壓二極管及第二穩(wěn)壓二極管，第一穩(wěn)壓二極管的負(fù)極與M0S管的源極相連接，第一穩(wěn)壓二極管的正極與第二穩(wěn)壓二極管的正極相連接，第二穩(wěn)壓二極管的負(fù)極與M0S管的柵極相連接。
[0010]M0S管為Si M0SFET器件。[0〇11] M0S 管為 SiCMOSFET 器件。
[0012]還包括用于對(duì)各M0S管進(jìn)行監(jiān)測(cè)及保護(hù)的檢測(cè)保護(hù)電路，檢測(cè)保護(hù)電路連接有第一保護(hù)信號(hào)輸出端子及第二保護(hù)信號(hào)輸出端子。
[0013]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0014]本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)包括第一控制信號(hào)端子、第二控制信號(hào)端子、 第一控制供電端子、第二控制供電端子、第一功率接線端子7、第二功率接線端子、門極驅(qū)動(dòng)電路、輔助驅(qū)動(dòng)電路及若干M0S管，其中各M0S管相級(jí)聯(lián)，通過(guò)動(dòng)靜態(tài)均壓電路完成MS0管的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)電壓均衡，實(shí)現(xiàn)高壓隔離驅(qū)動(dòng)與器件的動(dòng)靜態(tài)均壓，另外，通過(guò)一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電路完成各M0S管的驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際操作中，只需提供控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)操作，可靠性較高，損耗較小。
[0015] 進(jìn)一步，通過(guò)第一電阻及第二電阻實(shí)現(xiàn)各M0S管的靜態(tài)均壓，通過(guò)第一電容及第二電容實(shí)現(xiàn)各M0S管的動(dòng)態(tài)均壓。【附圖說(shuō)明】[0〇16]圖1是本發(fā)明的外部引腳不意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3(a)為傳統(tǒng)M0S管的驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序圖；[〇〇19]圖3(b)為本發(fā)明中M0S管的驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序圖；
[0020]圖4是本發(fā)明一種電路結(jié)構(gòu)的示意圖；[0021 ]圖5是本發(fā)明另一種電路結(jié)構(gòu)的示意圖；[〇〇22]圖6為本發(fā)明中第一種電路結(jié)構(gòu)的仿真波形圖；
[0023]圖7為本發(fā)明中第一種電路結(jié)構(gòu)的仿真開通瞬態(tài)波形圖；
[0024]圖8為本發(fā)明中第一種電路結(jié)構(gòu)的仿真關(guān)斷瞬態(tài)波形圖。[〇〇25]其中，1為第一控制信號(hào)端子、2為第二控制信號(hào)端子、3為第一控制供電端子、4為第二控制供電端子、5為第一保護(hù)信號(hào)輸出端子、6為第二保護(hù)信號(hào)輸出端子、7為第一功率接線端子、8為第二功率接線端子?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0027]本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)包括第一控制信號(hào)端子1、第二控制信號(hào)端子 2、第一控制供電端子3、第二控制供電端子4、第一功率接線端子7、第二功率接線端子8、門極驅(qū)動(dòng)電路、M0S管級(jí)聯(lián)器件及動(dòng)靜態(tài)均壓電路;M0S管級(jí)聯(lián)器件由若干MS0管組成，第一控制供電端子3及第二控制供電端子4與門極驅(qū)動(dòng)電路的電源端相連接，第一控制信號(hào)端子1 及第二控制信號(hào)端子2與門極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連接，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極與第二功率接線端子8相連接，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極通過(guò)動(dòng)靜態(tài)均壓電路與各M0S管的柵極、第一功率接線端子7及第一個(gè)M0S管的漏極相連接，前一個(gè)M0S管的源極與后一個(gè)M0S管的漏極相連接，最后一個(gè)M0S管的源極與第二功率接線端子8相連接。[〇〇28] 本發(fā)明還包括第一穩(wěn)壓二極管Zdl及第二穩(wěn)壓二極管Zd2,第一穩(wěn)壓二極管Zdl的負(fù)極與M0S管的源極相連接，第一穩(wěn)壓二極管Zdl的正極與第二穩(wěn)壓二極管Zd2的正極相連接，第二穩(wěn)壓二極管Zd2的負(fù)極與M0S管的柵極相連接；M0S管為Si M0SFET器件或SiC M0SFET器件;本發(fā)明還包括用于對(duì)各M0S管進(jìn)行監(jiān)測(cè)及保護(hù)的檢測(cè)保護(hù)電路，檢測(cè)保護(hù)電路連接有第一保護(hù)信號(hào)輸出端子5及第二保護(hù)信號(hào)輸出端子6。[〇〇29] 參考圖4，M0S管級(jí)聯(lián)器件由第一 M0S管Ml及第二M0S管M2組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容C1、第二電容C2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻Rg-1及第四電阻Rg-2， 其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極與第一電容Cl的一端及第三電阻Rg-1的一端相連接，第三電阻Rg-1的另一端與第一 M0S管Ml的柵極相連接，第一電容C1的另一端與第四電阻Rg-2 的一端相連接，第四電阻Rg-2的另一端與第二電阻R2的一端及第二M0S管M2的柵極相連接， 第一功率接線端子7與第一電阻R1的一端、第二電容C2的一端及第二M0S管M2的漏極相連接，第二M0S管M2的源極與第二電容C2的另一端、第一電阻R1的另一端及第一M0S管Ml的漏極相連接，第二功率接線端子8與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻R2的另一端及第一個(gè)M0S管Ml的源極相連接。
[0030]參考圖3(a)及圖3(b)，傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)器件采用多個(gè)驅(qū)動(dòng)器/電路驅(qū)動(dòng)，器件門極信號(hào)會(huì)由于驅(qū)動(dòng)延時(shí)與器件延時(shí)的分散性而出現(xiàn)延時(shí)不同的情況，影響器件的動(dòng)態(tài)電壓均衡。 本發(fā)明僅通過(guò)一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)器件，無(wú)外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)的器件通過(guò)無(wú)源元件驅(qū)動(dòng)，器件之間會(huì)有一定但可控的延時(shí)，通過(guò)控制延時(shí)的長(zhǎng)短及外部無(wú)源元件的值實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓均衡。
[0031]參考圖4,第一穩(wěn)壓二極管Zdl及第二穩(wěn)壓二極管Zd2反向串聯(lián)后并聯(lián)在M0S管器件的柵極及源極之間，第一穩(wěn)壓二極管Zdl及第二穩(wěn)壓二極管Zd2對(duì)于第一M0S管Ml的作用是防止柵極電壓超過(guò)第一M0S管Ml的安全運(yùn)行范圍，第一穩(wěn)壓二極管Zdl及第二穩(wěn)壓二極管 Zd2對(duì)于第二M0S管M2的作用是控制、調(diào)整第二M0S管M2的驅(qū)動(dòng)電壓。第三電阻Rg-1及第四電阻Rg-2分別串聯(lián)于第一 M0S管Ml的柵極及第二M0S管M2的柵極上，作為驅(qū)動(dòng)回路的阻尼。第一電容Cl的一端連接在第三電阻Rg-1上，第一電容Cl的另一端連接在第四電阻Rg-2上，將第一MOS管Ml及第二MOS管M2的柵極耦合在一起，當(dāng)?shù)谝籑OS管Ml驅(qū)動(dòng)電壓變化時(shí)，第一電容 C1的電壓發(fā)生變化，電荷量的變化給第二MOS管M2的柵極充放電，驅(qū)動(dòng)第二MOS管M2開關(guān)動(dòng)作。第二電容C2并聯(lián)在第二MOS管M2上，起到平衡第一電容C1的作用，達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓的目的。 第二電阻R2作為第一MOS管Ml的靜態(tài)均壓電阻，同時(shí)在第一MOS管Ml處于關(guān)斷時(shí)為第二MOS 管M2實(shí)現(xiàn)負(fù)壓驅(qū)動(dòng)提供電流通路，第一電阻R1并聯(lián)在第二MOS管M2上，作為第二MOS管M2的靜態(tài)均壓電阻。
[0032]對(duì)于功率較大的器件，第一電容C1與第二電容C2的值可能略大，影響到第一 M0S管 Ml的驅(qū)動(dòng)波形，可以對(duì)第一種形式的電路加以改變，將第二電容C2與第三電阻Rg-1連接于第二功率接線端子8上，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。[〇〇33] 參考圖5，M0S管級(jí)聯(lián)器件由第一 M0S管Ml及第二M0S管M2組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容C1、第二電容C2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻Rg-1及第四電阻Rg-2， 其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的正極與第三電阻Rg-1的一端相連接，第三電阻Rg-1的另一端與第一 M0S管Ml的柵極相連接，第一電容C1的一端與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極相連接，第一電容C1的另一端與第四電阻Rg-2的一端相連接，第四電阻Rg-2的另一端與第二電阻R2的一端及第二M0S管M2的柵極相連接，第一功率接線端子7與第一電阻R1的一端、第二電容C2 的一端及第二M0S管M2的漏極相連接，第二M0S管M2的源極與第二電容C2的另一端、第一電阻R1的另一端及第一 M0S管Ml的漏極相連接，第二功率接線端子8與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻R2的另一端及第一 M0S個(gè)管的源極相連接。[〇〇34]圖6為圖4所述電路的仿真波形圖，第二M0S管M2可以實(shí)現(xiàn)幾乎與第一M0S管Ml—致的驅(qū)動(dòng)，第二M0S管M2與第一 M0S管Ml之間的均壓效果良好。[〇〇35]圖7為圖4所述電路的仿真開通瞬態(tài)波形圖。第二M0S管M2驅(qū)動(dòng)電壓較第一M0S管Ml 延時(shí)6.8nS，在此期間，第一MOS管Ml的端電壓下降，第二MOS管M2的端電壓上升，直至第二 M0S管M2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)臨，第二M0S管M2的電壓也迅速下降。[〇〇36]圖8所示為第一種形式電路的仿真關(guān)斷瞬態(tài)波形圖。第二M0S管M2的驅(qū)動(dòng)較第一 M0S管Ml延時(shí)7.2nS，在此期間，第一M0S管Ml端電壓上升，第二M0S管M2端電壓的驅(qū)動(dòng)到來(lái)時(shí)開始迅速上升，最后第一 M0S管Ml與第二M0S管M2的端電壓基本均衡。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，包括第一控制信號(hào)端子(1)、第二控制信號(hào) 端子(2)、第一控制供電端子(3)、第二控制供電端子(4)、第一功率接線端子(7)、第二功率 接線端子(8)、門極驅(qū)動(dòng)電路、MOS管級(jí)聯(lián)器件及動(dòng)靜態(tài)均壓電路；MOS管級(jí)聯(lián)器件由若干MSO管組成，第一控制供電端子(3)及第二控制供電端子(4)與門 極驅(qū)動(dòng)電路的電源端相連接，第一控制信號(hào)端子(1)及第二控制信號(hào)端子(2)與門極驅(qū)動(dòng)電 路的輸入端相連接，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極與第二功率接線端子(8)相連接，門極驅(qū)動(dòng) 電路輸出端的正極通過(guò)動(dòng)靜態(tài)均壓電路與各MOS管的柵極、第一功率接線端子(7)及第一個(gè) MOS管的漏極相連接，前一個(gè)MOS管的源極與后一個(gè)MOS管的漏極相連接，最后一個(gè)MOS管的 源極與第二功率接線端子(8)相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，MOS管級(jí)聯(lián)器件由第一 MOS 管(Ml)及第二MOS管(M2)組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容(C1)、第二電容(C2)、第 一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(Rg-1)及第四電阻(Rg-2)，其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出 端的正極與第一電容(C1)的一端及第三電阻(Rg-1)的一端相連接，第三電阻(Rg-1)的另一 端與第一 MOS管(Ml)的柵極相連接，第一電容(C1)的另一端與第四電阻(Rg-2)的一端相連 接，第四電阻(Rg-2)的另一端與第二電阻(R2)的一端及第二MOS管(M2)的柵極相連接，第一 功率接線端子(7)與第一電阻(R1)的一端、第二電容(C2)的一端及第二MOS管(M2)的漏極相 連接，第二MOS管(M2)的源極與第二電容(C2)的另一端、第一電阻(R1)的另一端及第一 MOS 管(Ml)的漏極相連接，第二功率接線端子(8)與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻(R2) 的另一端及第一個(gè)MOS管(Ml)的源極相連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，MOS管級(jí)聯(lián)器件由第一 MOS 管(Ml)及第二MOS管(M2)組成，所述動(dòng)靜態(tài)均壓電路包括第一電容(C1)、第二電容(C2)、第 一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(Rg-1)及第四電阻(Rg-2)，其中，門極驅(qū)動(dòng)電路輸出 端的正極與第三電阻(Rg-1)的一端相連接，第三電阻(Rg-1)的另一端與第一 MOS管(Ml)的 柵極相連接，第一電容(C1)的一端與門極驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極相連接，第一電容(C1)的 另一端與第四電阻(Rg-2)的一端相連接，第四電阻(Rg-2)的另一端與第二電阻(R2)的一端 及第二MOS管(M2)的柵極相連接，第一功率接線端子(7)與第一電阻(R1)的一端、第二電容 (C2)的一端及第二MOS管(M2)的漏極相連接，第二MOS管(M2)的源極與第二電容(C2)的另一 端、第一電阻(R1)的另一端及第一 MOS管(Ml)的漏極相連接，第二功率接線端子(8)與門極 驅(qū)動(dòng)電路輸出端的負(fù)極、第二電阻(R2)的另一端及第一 MOS個(gè)管的源極相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，還包括第一穩(wěn)壓二極管 (Zdl)及第二穩(wěn)壓二極管(Zd2)，第一穩(wěn)壓二極管(Zdl)的負(fù)極與MOS管的源極相連接，第一 穩(wěn)壓二極管(Zdl)的正極與第二穩(wěn)壓二極管(Zd2)的正極相連接，第二穩(wěn)壓二極管(Zd2)的 負(fù)極與MOS管的柵極相連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，MOS管為Si MOSFET器件。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，MOS管為SiC MOSFET器件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)聯(lián)式高壓固態(tài)開關(guān)，其特征在于，還包括用于對(duì)各MOS管進(jìn) 行監(jiān)測(cè)及保護(hù)的檢測(cè)保護(hù)電路，檢測(cè)保護(hù)電路連接有第一保護(hù)信號(hào)輸出端子(5)及第二保 護(hù)信號(hào)輸出端子(6)。
【文檔編號(hào)】H02M1/06GK105978300SQ201610552200
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】任宇, 楊旭, 張帆, 王來(lái)利
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)