CN105978300A - 一种级联式高压固态开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联式高压固态开关，包括第一控制信号端子、第二控制信号端子、第一控制供电端子、第二控制供电端子、第一功率接线端子、第二功率接线端子、门极驱动电路、MOS管级联器件及动静态均压电路，该高压固态开关采用器件级联的方法，并且能够高压隔离驱动与器件的动静态均压，可靠性较高，损耗较小。

Description

一种级联式高压固态开关
技术领域
本发明属于电子电力技术领域，涉及一种高压固态开关，具体涉及一种级联式高压固态开关。
背景技术
随着电力电子技术在高压直流输电领域的越来越广泛的应用，电力电子系统所承受的电压等级越来越高。高压大功率的硅基绝缘栅双极型晶体管Si IGBT器件的商业化也助推了电力系统电力电子化的发展。在诸如高电压模块化多电平变流器(MMC)，高压固态电力电子变压器(SST)，高压电机驱动变流器等应用场合中，单个模块单元的电压等级仍然难以满足实际的使用需求，需要多个模块级联使用。各个级联模块单元的驱动，保护供电通常从各自模块内部的母线电容上抽取，这些母线上的电压等级也随着模块内半导体器件的耐压等级的提高而提高。目前，半导体器件的耐压等级为1.7kV，3.3kV，4.5kV，6.5kV，相应的模块内母线电压等级也为1.7kV，3.3kV，4.5kV，6.5kV，因此需要高输入电压的直流/直流(DC/DC)变换器以满足工业需求。但目前高压Si IGBT的损耗大，成本高，不适合高压小功率电源，虽然单只单极性器件MOSFET具有高开关速度，低损耗的特点，大量应用在小功率电源上，但无论是Si基还是SiC基的MOSFET的单只耐压都远低于高压MMC，SST的需求。
目前，多采用低压DC/DC串联使用以满足高电压输入应用，但成本较高，采用器件级联的方法提高器件耐压满足高压应用成为一种低成本的解决方案。但器件级联中的浮地器件的高压隔离驱动及器件间的动静态均压的问题较大，降低了其可靠性，损耗也会增大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种级联式高压固态开关，该高压固态开关采用器件级联的方法，并且能够高压隔离驱动与器件的动静态均压，可靠性较高，损耗较小。
为达到上述目的，本发明所述的级联式高压固态开关包括第一控制信号端子、第二控制信号端子、第一控制供电端子、第二控制供电端子、第一功率接线端子、第二功率接线端子、门极驱动电路、MOS管级联器件及动静态均压电路；
MOS管级联器件由若干MSO管组成，第一控制供电端子及第二控制供电端子与门极驱动电路的电源端相连接，第一控制信号端子及第二控制信号端子与门极驱动电路的输入端相连接，门极驱动电路输出端的负极与第二功率接线端子相连接，门极驱动电路输出端的正极通过动静态均压电路与各MOS管的栅极、第一功率接线端子及第一个MOS管的漏极相连接，前一个MOS管的源极与后一个MOS管的漏极相连接，最后一个MOS管的源极与第二功率接线端子相连接。
MOS管级联器件由第一MOS管及第二MOS管组成，所述动静态均压电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，其中，门极驱动电路输出端的正极与第一电容的一端及第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端与第一MOS管的栅极相连接，第一电容的另一端与第四电阻的一端相连接，第四电阻的另一端与第二电阻的一端及第二MOS管的栅极相连接，第一功率接线端子与第一电阻的一端、第二电容的一端及第二MOS管的漏极相连接，第二MOS管的源极与第二电容的另一端、第一电阻的另一端及第一MOS管的漏极相连接，第二功率接线端子与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻的另一端及第一个MOS管的源极相连接。
MOS管级联器件由第一MOS管及第二MOS管组成，所述动静态均压电路包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻，其中，门极驱动电路输出端的正极与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端与第一MOS管的栅极相连接，第一电容的一端与门极驱动电路输出端的负极相连接，第一电容的另一端与第四电阻的一端相连接，第四电阻的另一端与第二电阻的一端及第二MOS管的栅极相连接，第一功率接线端子与第一电阻的一端、第二电容的一端及第二MOS管的漏极相连接，第二MOS管的源极与第二电容的另一端、第一电阻的另一端及第一MOS管的漏极相连接，第二功率接线端子与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻的另一端及第一MOS个管的源极相连接。
还包括第一稳压二极管及第二稳压二极管，第一稳压二极管的负极与MOS管的源极相连接，第一稳压二极管的正极与第二稳压二极管的正极相连接，第二稳压二极管的负极与MOS管的栅极相连接。
MOS管为Si MOSFET器件。
MOS管为SiC MOSFET器件。
还包括用于对各MOS管进行监测及保护的检测保护电路，检测保护电路连接有第一保护信号输出端子及第二保护信号输出端子。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的级联式高压固态开关包括第一控制信号端子、第二控制信号端子、第一控制供电端子、第二控制供电端子、第一功率接线端子7、第二功率接线端子、门极驱动电路、辅助驱动电路及若干MOS管，其中各MOS管相级联，通过动静态均压电路完成MSO管的动态及静态电压均衡，实现高压隔离驱动与器件的动静态均压，另外，通过一个门极驱动电路完成各MOS管的驱动，在实际操作中，只需提供控制信号即可实现高压开关操作，可靠性较高，损耗较小。
进一步，通过第一电阻及第二电阻实现各MOS管的静态均压，通过第一电容及第二电容实现各MOS管的动态均压。
附图说明
图1是本发明的外部引脚示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3(a)为传统MOS管的驱动控制时序图；
图3(b)为本发明中MOS管的驱动控制时序图；
图4是本发明一种电路结构的示意图；
图5是本发明另一种电路结构的示意图；
图6为本发明中第一种电路结构的仿真波形图；
图7为本发明中第一种电路结构的仿真开通瞬态波形图；
图8为本发明中第一种电路结构的仿真关断瞬态波形图。
其中，1为第一控制信号端子、2为第二控制信号端子、3为第一控制供电端子、4为第二控制供电端子、5为第一保护信号输出端子、6为第二保护信号输出端子、7为第一功率接线端子、8为第二功率接线端子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的级联式高压固态开关包括第一控制信号端子1、第二控制信号端子2、第一控制供电端子3、第二控制供电端子4、第一功率接线端子7、第二功率接线端子8、门极驱动电路、MOS管级联器件及动静态均压电路；MOS管级联器件由若干MSO管组成，第一控制供电端子3及第二控制供电端子4与门极驱动电路的电源端相连接，第一控制信号端子1及第二控制信号端子2与门极驱动电路的输入端相连接，门极驱动电路输出端的负极与第二功率接线端子8相连接，门极驱动电路输出端的正极通过动静态均压电路与各MOS管的栅极、第一功率接线端子7及第一个MOS管的漏极相连接，前一个MOS管的源极与后一个MOS管的漏极相连接，最后一个MOS管的源极与第二功率接线端子8相连接。
本发明还包括第一稳压二极管Zd1及第二稳压二极管Zd2，第一稳压二极管Zd1的负极与MOS管的源极相连接，第一稳压二极管Zd1的正极与第二稳压二极管Zd2的正极相连接，第二稳压二极管Zd2的负极与MOS管的栅极相连接；MOS管为Si MOSFET器件或SiC MOSFET器件；本发明还包括用于对各MOS管进行监测及保护的检测保护电路，检测保护电路连接有第一保护信号输出端子5及第二保护信号输出端子6。
参考图4，MOS管级联器件由第一MOS管M1及第二MOS管M2组成，所述动静态均压电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rg-1及第四电阻Rg-2，其中，门极驱动电路输出端的正极与第一电容C1的一端及第三电阻Rg-1的一端相连接，第三电阻Rg-1的另一端与第一MOS管M1的栅极相连接，第一电容C1的另一端与第四电阻Rg-2的一端相连接，第四电阻Rg-2的另一端与第二电阻R2的一端及第二MOS管M2的栅极相连接，第一功率接线端子7与第一电阻R1的一端、第二电容C2的一端及第二MOS管M2的漏极相连接，第二MOS管M2的源极与第二电容C2的另一端、第一电阻R1的另一端及第一MOS管M1的漏极相连接，第二功率接线端子8与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻R2的另一端及第一个MOS管M1的源极相连接。
参考图3(a)及图3(b)，传统的级联器件采用多个驱动器/电路驱动，器件门极信号会由于驱动延时与器件延时的分散性而出现延时不同的情况，影响器件的动态电压均衡。本发明仅通过一个门极驱动电路驱动级联器件，无外部驱动信号的器件通过无源元件驱动，器件之间会有一定但可控的延时，通过控制延时的长短及外部无源元件的值实现动态电压均衡。
参考图4，第一稳压二极管Zd1及第二稳压二极管Zd2反向串联后并联在MOS管器件的栅极及源极之间，第一稳压二极管Zd1及第二稳压二极管Zd2对于第一MOS管M1的作用是防止栅极电压超过第一MOS管M1的安全运行范围，第一稳压二极管Zd1及第二稳压二极管Zd2对于第二MOS管M2的作用是控制、调整第二MOS管M2的驱动电压。第三电阻Rg-1及第四电阻Rg-2分别串联于第一MOS管M1的栅极及第二MOS管M2的栅极上，作为驱动回路的阻尼。第一电容C1的一端连接在第三电阻Rg-1上，第一电容C1的另一端连接在第四电阻Rg-2上，将第一MOS管M1及第二MOS管M2的栅极耦合在一起，当第一MOS管M1驱动电压变化时，第一电容C1的电压发生变化，电荷量的变化给第二MOS管M2的栅极充放电，驱动第二MOS管M2开关动作。第二电容C2并联在第二MOS管M2上，起到平衡第一电容C1的作用，达到动态均压的目的。第二电阻R2作为第一MOS管M1的静态均压电阻，同时在第一MOS管M1处于关断时为第二MOS管M2实现负压驱动提供电流通路，第一电阻R1并联在第二MOS管M2上，作为第二MOS管M2的静态均压电阻。
对于功率较大的器件，第一电容C1与第二电容C2的值可能略大，影响到第一MOS管M1的驱动波形，可以对第一种形式的电路加以改变，将第二电容C2与第三电阻Rg-1连接于第二功率接线端子8上，电路结构如图5所示。
参考图5，MOS管级联器件由第一MOS管M1及第二MOS管M2组成，所述动静态均压电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻Rg-1及第四电阻Rg-2，其中，门极驱动电路输出端的正极与第三电阻Rg-1的一端相连接，第三电阻Rg-1的另一端与第一MOS管M1的栅极相连接，第一电容C1的一端与门极驱动电路输出端的负极相连接，第一电容C1的另一端与第四电阻Rg-2的一端相连接，第四电阻Rg-2的另一端与第二电阻R2的一端及第二MOS管M2的栅极相连接，第一功率接线端子7与第一电阻R1的一端、第二电容C2的一端及第二MOS管M2的漏极相连接，第二MOS管M2的源极与第二电容C2的另一端、第一电阻R1的另一端及第一MOS管M1的漏极相连接，第二功率接线端子8与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻R2的另一端及第一MOS个管的源极相连接。
图6为图4所述电路的仿真波形图，第二MOS管M2可以实现几乎与第一MOS管M1一致的驱动，第二MOS管M2与第一MOS管M1之间的均压效果良好。
图7为图4所述电路的仿真开通瞬态波形图。第二MOS管M2驱动电压较第一MOS管M1延时6.8nS，在此期间，第一MOS管M1的端电压下降，第二MOS管M2的端电压上升，直至第二MOS管M2的驱动信号来临，第二MOS管M2的电压也迅速下降。
图8所示为第一种形式电路的仿真关断瞬态波形图。第二MOS管M2的驱动较第一MOS管M1延时7.2nS，在此期间，第一MOS管M1端电压上升，第二MOS管M2端电压的驱动到来时开始迅速上升，最后第一MOS管M1与第二MOS管M2的端电压基本均衡。

Claims (7)

1.一种级联式高压固态开关，其特征在于，包括第一控制信号端子(1)、第二控制信号端子(2)、第一控制供电端子(3)、第二控制供电端子(4)、第一功率接线端子(7)、第二功率接线端子(8)、门极驱动电路、MOS管级联器件及动静态均压电路；
MOS管级联器件由若干MSO管组成，第一控制供电端子(3)及第二控制供电端子(4)与门极驱动电路的电源端相连接，第一控制信号端子(1)及第二控制信号端子(2)与门极驱动电路的输入端相连接，门极驱动电路输出端的负极与第二功率接线端子(8)相连接，门极驱动电路输出端的正极通过动静态均压电路与各MOS管的栅极、第一功率接线端子(7)及第一个MOS管的漏极相连接，前一个MOS管的源极与后一个MOS管的漏极相连接，最后一个MOS管的源极与第二功率接线端子(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，MOS管级联器件由第一MOS管(M1)及第二MOS管(M2)组成，所述动静态均压电路包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(Rg-1)及第四电阻(Rg-2)，其中，门极驱动电路输出端的正极与第一电容(C1)的一端及第三电阻(Rg-1)的一端相连接，第三电阻(Rg-1)的另一端与第一MOS管(M1)的栅极相连接，第一电容(C1)的另一端与第四电阻(Rg-2)的一端相连接，第四电阻(Rg-2)的另一端与第二电阻(R2)的一端及第二MOS管(M2)的栅极相连接，第一功率接线端子(7)与第一电阻(R1)的一端、第二电容(C2)的一端及第二MOS管(M2)的漏极相连接，第二MOS管(M2)的源极与第二电容(C2)的另一端、第一电阻(R1)的另一端及第一MOS管(M1)的漏极相连接，第二功率接线端子(8)与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻(R2)的另一端及第一个MOS管(M1)的源极相连接。
3.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，MOS管级联器件由第一MOS管(M1)及第二MOS管(M2)组成，所述动静态均压电路包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(Rg-1)及第四电阻(Rg-2)，其中，门极驱动电路输出端的正极与第三电阻(Rg-1)的一端相连接，第三电阻(Rg-1)的另一端与第一MOS管(M1)的栅极相连接，第一电容(C1)的一端与门极驱动电路输出端的负极相连接，第一电容(C1)的另一端与第四电阻(Rg-2)的一端相连接，第四电阻(Rg-2)的另一端与第二电阻(R2)的一端及第二MOS管(M2)的栅极相连接，第一功率接线端子(7)与第一电阻(R1)的一端、第二电容(C2)的一端及第二MOS管(M2)的漏极相连接，第二MOS管(M2)的源极与第二电容(C2)的另一端、第一电阻(R1)的另一端及第一MOS管(M1)的漏极相连接，第二功率接线端子(8)与门极驱动电路输出端的负极、第二电阻(R2)的另一端及第一MOS个管的源极相连接。
4.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，还包括第一稳压二极管(Zd1)及第二稳压二极管(Zd2)，第一稳压二极管(Zd1)的负极与MOS管的源极相连接，第一稳压二极管(Zd1)的正极与第二稳压二极管(Zd2)的正极相连接，第二稳压二极管(Zd2)的负极与MOS管的栅极相连接。
5.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，MOS管为Si MOSFET器件。
6.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，MOS管为SiC MOSFET器件。
7.根据权利要求1所述的级联式高压固态开关，其特征在于，还包括用于对各MOS管进行监测及保护的检测保护电路，检测保护电路连接有第一保护信号输出端子(5)及第二保护信号输出端子(6)。
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