CN107171659B - 半导体开关器件及电力变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体开关器件及电力变换器。该半导体开关器件包括半导体开关、用于控制半导体开关导通或截止的驱动电路以及连接在驱动电路的输出端与半导体开关的控制极之间的且阻值与温度负相关且可感测半导体开关温度的可变电阻。将两个相同的上述半导体开关器件串联在被控电路的供电回路中作为电力变换器，对被控电路进行通断控制，当两个半导体开关器件中的半导体开关因开关损耗不同导致温度不同时，这两个半导体开关器件中的可变电阻可通过其阻值与温度负相关的特性调整自身阻值，进而减小两个半导体开关器件中半导体开关的开关损耗差异，以间接减小两个半导体开关器件中半导体开关的温度差异，最终实现两个半导体开关器件之间电压、开关损耗及温度的平衡。

Description

半导体开关器件及电力变换器

技术领域

本发明涉及电路设计技术，尤其涉及一种半导体开关器件及电力变换器。

背景技术

多串联电力变换器由两个或两个以上半导体开关器件组成，有时带有隔离变压器。在理论工作过程中，两个半导体开关器件被设计成同时开启和关闭。但在现实中，由于元器件参数及驱动电路的不同，两个半导体开关器件之间存在异步开通及关断，致使两个半导体开关器件电压、开关损耗及温度不平衡，从而导致器件应用超标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种半导体开关器件及电力变换器，以解决现有电力变换器中两个半导体开关器之间电压、开关损耗及温度不平衡的问题。本发明是通过如下技术方案实现的：

一种半导体开关器件，包括：

半导体开关；

用于控制所述半导体开关导通或截止的驱动电路；

连接在所述驱动电路的输出端与所述半导体开关的控制极之间的、阻值与温度负相关的、可感测所述半导体开关温度的可变电阻。

进一步地，所述可变电阻包括固定电阻和能够感测到所述半导体开关温度的负温度系数热敏电阻器，所述固定电阻与负温度系数热敏电阻器并联。

进一步地，所述负温度系数热敏电阻器与所述半导体开关封装在同一模块中。

进一步地，所述负温度系数热敏电阻器安装在所述半导体开关的相应位置。

进一步地，所述半导体开关包括散热片，所述负温度系数热敏电阻器安装在所述散热片上，能够感测到所述散热片的温度。

进一步地，所述半导体开关的集电极和发射极之间反向并联有二极管。

进一步地，所述半导体开关为三极管、场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。

一种电力变换器，包括两个相同的如上所述的任意一种半导体开关器件，该两个半导体开关器件用于串联在被控电路的供电回路中的所述被控电路的两端，以单独控制所述被控电路的通断。

进一步地，所述电力变换器为I字型三电平、双管正激或双管反激架构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明实施例提供的半导体开关器件，包括半导体开关、用于控制半导体开关导通或截止的驱动电路以及连接在驱动电路的输出端与半导体开关的控制极之间的且阻值与温度负相关且可感测半导体开关温度的可变电阻。将两个相同的上述半导体开关器件串联在被控电路的供电回路中作为电力变换器，对被控电路进行通断控制，当两个半导体开关器件中的半导体开关因开关损耗不同导致温度不同时，这两个半导体开关器件中的可变电阻可通过其阻值与温度负相关的特性调整自身阻值，进而减小两个半导体开关器件中半导体开关的开关损耗差异，以间接减小两个半导体开关器件中半导体开关的温度差异，最终实现两个半导体开关器件之间电压、开关损耗及温度的平衡。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电力变换器的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。

该电力变换器包括两个相同的半导体开关器件。半导体开关器件包括：

半导体开关；

用于控制半导体开关导通或截止的驱动电路；

连接在驱动电路的输出端与半导体开关的控制极之间的、阻值与温度负相关的、可感测半导体开关温度的可变电阻。

图1所示的电力变换器的工作原理示意图中，以三极管Q1作为半导体开关，则半导体开关的控制极为三极管Q1的基极。如果以场效应管作为半导体开关，则半导体开关的控制极为该场效应管的栅极，如果以绝缘栅双极型晶体管作为半导体开关，则半导体开关的控制极为该绝缘栅双极型晶体管的门极。

以下所述以三极管Q1作为半导体开关为基础举例对本发明提供的电力变换器的工作原理进行描述。

本实施例中，可变电阻包括固定电阻R1和能够感测到半导体开关温度的负温度系数热敏电阻器R2，固定电阻R1与负温度系数热敏电阻器R2并联。

负温度系数热敏电阻器R2的安装方式可以是如下三种方式中的任何一种，可很好地感测三极管Q1的温度：

1、负温度系数热敏电阻器R2与三极管Q1封装在同一模块中，直接感测三极管Q1的温度。

2、负温度系数热敏电阻器R2安装在三极管Q1的相应位置。这里的相应位置意思是尽可能靠近三极管Q1的位置，从而使负温度系数热敏电阻器R2更好地感测三极管Q1的温度。

3、三极管Q1包括散热片，负温度系数热敏电阻器R2安装在散热片上，能够感测到散热片的温度，负温度系数热敏电阻器通过感测散热片的温度可间接感测三极管Q1的温度。

另外，在三极管Q1的集电极和发射极之间还反向并联有二极管，可吸收三极管Q1受到的瞬时高压，对三极管Q1起到保护作用。

本发明实施例提供的电力变换器，包括两个相同的上述半导体开关器件1，该两个半导体开关器件1用于串联在被控电路3的供电回路中的被控电路3的两端，以单独控制被控电路3的通断。

电力变换器1可为I字型三电平、双管正激或双管反激架构。

以下以双管反激架构作为示例，对该电力变换器的工作原理进行说明：

如图1所示，电力变换器包括两个相同的上述半导体开关器件1。为便于区别描述，对两个半导体开关器件1的结构说明如下：

其中一个半导体开关器件1包括三极管Q1、固定电阻R1、负温度系数热敏电阻器R2和驱动电路2，电路结构如上。另一个半导体开关器件1包括半导体开关Q2、固定电阻R3、负温度系数热敏电阻器R4和另一驱动电路2。两个半导体开关器件1的电路结构相同，其中，三极管Q1与半导体开关Q2相同，固定电阻R1与固定电阻R3相同，负温度系数热敏电阻器R2与负温度系数热敏电阻器R4相同，两个驱动电路2也相同。

在正常工作时，三极管Q1和半导体开关Q2需要同步开通关断。但是由于两个驱动电路2以及两个三极管Q1和半导体开关Q2的特性不可能完全相同，因此，三极管Q1和半导体开关Q2的开关往往不同步。这将致使两个半导体开关器件1的电压、开关损耗及温度不平衡，从而导致器件应用超标。电压及开关损耗的不一致最终体现为两个半导体开关器件1温度的不同，这种温度的不平衡也会影响系统的可靠性。

图1所示的电路中：

第一种情况：当三极管Q1开关速度比半导体开关Q2慢时，三极管Q1的损耗比半导体开关Q2大，反映出三极管Q1的温度也比半导体开关Q2大。在这种情况下：

负温度系数热敏电阻器R2和负温度系数热敏电阻器R4感测各自对应半导体开关的温度，由于三极管Q1的温度比半导体开关Q2大，因此，负温度系数热敏电阻器R2的温度比负温度系数热敏电阻器R4大，从而负温度系数热敏电阻器R2的阻值比负温度系数热敏电阻器R4小，负温度系数热敏电阻器R2与固定电阻R1的并联阻值也将比负温度系数热敏电阻器R4与固定电阻R3的并联阻值小。这也意味着三极管Q1的驱动电阻比半导体开关Q2的驱动电阻小，这相当于调小三极管Q1与半导体开关Q2的开关损耗的差异，从而使三极管Q1与半导体开关Q2的电压、开关损耗及温度(主要指PN结温度)达到平衡状态。

第二种情况：当三极管Q1开关速度比半导体开关Q2快时，三极管Q1的损耗比半导体开关Q2小，反映出三极管Q1的温度也比半导体开关Q2小。在这种情况下：

负温度系数热敏电阻器R2和负温度系数热敏电阻器R4感测各自对应半导体开关的温度，由于三极管Q1的温度比半导体开关Q2小，因此，负温度系数热敏电阻器R2的温度比负温度系数热敏电阻器R4小，从而负温度系数热敏电阻器R2的阻值比负温度系数热敏电阻器R4大，负温度系数热敏电阻器R2与固定电阻R1的并联阻值也将比负温度系数热敏电阻器R4与固定电阻R3的并联阻值大。这也意味着三极管Q1的驱动电阻比半导体开关Q2的驱动电阻大，这相当于调小三极管Q1与半导体开关Q2的开关损耗的差异，从而使三极管Q1与半导体开关Q2的电压、开关损耗及温度(主要指PN结温度)达到平衡状态。

上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电力变换器，其特征在于，包括第一半导体开关器件与第二半导体开关器件，该第一半导体开关器件与第二半导体开关器件的一端分别串联在被控电路(3)的供电回路中的所述被控电路的两端，该第一半导体开关器件包括：

半导体开关(Q2)；

用于控制所述半导体开关导通或截止的第一驱动电路；

连接在所述第一驱动电路的输出端与所述半导体开关的控制极之间的、阻值与温度负相关的、可感测所述半导体开关温度的第一可变电阻；其中，所述第一可变电阻包括第一固定电阻(R3)和能够感测到所述半导体开关温度的第一负温度系数热敏电阻器(R4)，所述第一固定电阻(R3)与所述第一负温度系数热敏电阻器(R4)并联；

该第二半导体开关器件包括：

三极管(Q1)；

用于控制所述三极管(Q1)导通或截止的第二驱动电路；

连接在所述第二驱动电路的输出端与所述三极管(Q1)的控制极之间的、阻值与温度负相关的、可感测所述三极管(Q1)温度的第二可变电阻；其中，所述第二可变电阻包括第二固定电阻(R1)和能够感测到所述三极管(Q1)温度的第二负温度系数热敏电阻器(R2)，所述第二固定电阻(R1)与所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)并联；

当所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)感测到所述三极管温度比所述第一负温度系数热敏电阻器(R4)感测到所述半导体开关温度大，所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)的阻值比所述第一负温度系数热敏电阻器(R4)小，所述第二可变电阻的并联阻值也将比所述第一可变电阻的并联阻值小，所述三极管(Q1)和所述半导体开关(Q2)同步开通关断；

其中，所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)与所述三极管(Q1)封装在同一第一模块中，以直接感测所述三极管(Q1)的温度；所述第一负温度系数热敏电阻器(R4)与所述半导体开关(Q2)封装在同一第二模块中；该第一半导体开关器件与该第二半导体开关器件分别位于所述被控电路(3)的两侧；

该第一半导体开关器件与第二半导体开关器件的另一端分别连接至DC-端与DC+端。

2.如权利要求1所述的电力变换器，其特征在于，所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)安装在所述三极管(Q1)的相应位置。

3.如权利要求1所述的电力变换器，其特征在于，所述三极管(Q1)包括散热片，所述第二负温度系数热敏电阻器(R2)安装在所述散热片上，能够感测到所述散热片的温度。

4.如权利要求1所述的电力变换器，其特征在于，所述三极管(Q1)的集电极和发射极之间反向并联有二极管。

5.如权利要求1至4中任一所述的电力变换器，其特征在于，所述三极管(Q1)替换为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。

6.如权利要求1至4中任一所述的电力变换器，其特征在于，所述电力变换器为I字型三电平、双管正激或双管反激架构。

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