CN108631623B - 一种组合开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合开关。组合开关,包括第一开关、第二开关和储能电容,第一开关和第二开关的同向串联,第一开关的第一端为组合开关的第一输出端,第一开关的第二端与第二开关的第一端串联,第二开关的第二端为组合开关的第二输出端,储能电容并联在第一开关的门极驱动端与第二开关的第二端。本发明的组合开关可以综合第一开关和第二开关的优点,例如第一开关为MOSFET开关,第二开关为快恢复二极管或肖特基二极管,则组合开关具有更高工作电压能力及更快反向恢复或零反向恢复的性能,反向恢复损耗更小或彻底消除反向恢复损耗,同时电路实现简单,成本降低。

Description

一种组合开关
技术领域
本发明有关电源领域,且特别是有关于快恢复开关。
背景技术
快恢复二极管(Fast recovery diode,简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短或零反向恢复特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。但是在高压应用环境下,快恢复二极管,特别是超快恢复二极管,具有较大的反向恢复损耗,且价格昂贵。
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点,最大的缺点是其反向偏压较低及反向漏电流偏大,像使用硅及金属为材料的肖特基二极体,其反向偏压额定耐压最高只到200V,没有200~600V之间的Si基的肖特基二极管,SiC肖特基二极管的耐压只有600/650V/1200V,没有600V以下的SiC肖特基二极管,而且正向导通电压降很高。而反向漏电流值为正温度特性,容易随着温度升高而急遽变大,实务设计上需注意其热失控的隐忧。为了避免上述的问题,肖特基二极体实际使用时的反向偏压都会比其额定值小很多。
所以现有技术中需要一种可应用于高压应用环境的快恢复开关,且反向恢复损耗较小。
发明内容
本发明正是思及于此,提供一种组合开关,适用于高压应用环境,利用自驱动的辅助开关管提高关断电压的耐受能力,同时保留与其串联的低压二极管的反向关断特性。使组合开关同时具有低压二极管优秀的性能和更高的阻断电压能力,电路实现简单,成本低。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种组合开关,包括第一开关、第二开关和储能电容,所述第一开关和所述第二开关同向串联,所述第一开关的第一端为所述组合开关的第一输出端,所述第一开关的第二端与所述第二开关的第一端串联,所述第二开关的第二端为所述组合开关的第二输出端,所述储能电容并联在所述第一开关的门极驱动端与所述第二开关的第二端。
本发明一优选实施例,所述储能电容吸收电能为所述第一开关提供驱动电能。
本发明一优选实施例,所述第一开关为可控开关。
本发明一优选实施例,所述第二开关为快恢复二极管或肖特基二极管。
本发明一优选实施例,所述组合开关还包括一电压钳位电路,所述电压钳位电路并联在所述第一开关的门极和源极之间,所述电压钳位电路限制所述第一开关的门极和源极之间的电压小于所述第一开关的门极和源极之间的击穿电压。
本发明一优选实施例,所述电压钳位电路为两个反向串联的稳压二极管,所述稳压二极管的反向击穿电压相等。
本发明还提供一种电源电路,包括三相输入电压、三相升压电感、三相整流桥、三相中点连接开关以及输出电容组成,其中A相电路,A相输入电压连接A相升压电感后与A相整流桥的中点连接,A相整流桥的中点与A相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,B相电路,B相输入电压连接B相升压电感后与B相整流桥的中点连接,B相整流桥的中点与B相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,C相电路,C相输入电压连接C相升压电感后与C相整流桥的中点连接,C相整流桥的中点与C相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,其特征在于所述三相整流桥中的整流开关为组合开关。
本发明一优选实施例中,所述组合开关包括第三开关、第四开关和驱动电容,所述第三开关和所述第四开关同向串联,所述第三开关的第一端为所述组合开关的第一输出端,所述第三开关的第二端与所述第四开关的第一端串联,所述第四开关的第二端为所述组合开关的第二输出端,所述储能电容并联在所述第三开关的门极驱动端与所述第四开关的第二端,所述三相整流桥包括六个组合开关。
本发明一优选实施例中,所述第三开关为MOSFET,所述第四开关为SiC肖特基二极管,所述第三开关的雪崩击穿电压与所述第四开关的额定电压值的和不小于所述电源电路的输出电容两端的电压。
有益效果,本发明技术方案通过将低电压的开关串联组合构成适用于高电压应用的组合开关,所述组合开关综合被串联开关的优点,例如具有超快恢复的特性,反向恢复损耗小,更重要的是,低压开关的设计成本比较小。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明技术方案实施例图。
图2为本发明技术方案另一实施例图。
图3为本发明技术方案提供的电源电路的实施例图。
图中:
Z,Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6-组合开关;
P1,P2-组合开关的输出端子;
S1-第一开关;
D1-第二开关;
C1-储能电容;
DZ1,DZ2-稳压二极管;
va,vb,vc-三相输入电压;
La,Lb,Lc-三相升压电感;
Sa,Sb,Sc-三相中点连接开关;
CN1,CN2-输出电容。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例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的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
本发明中所述的“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)用于在类似要素之间进行区别,并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解,这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的,使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。另外,凡可能之处,在图示及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤,系代表相同或类似部件。
本发明的目的在于提供一种组合开关,该组合开关由开关串联组成,组合后应用于更高电压应用需求的电子电路中,且具有快恢复,反向恢复损耗小的优点,尤其适用于三相VIENNA整流电路中。
图1所示为本发明实施例图,一种组合开关Z,包括开关S1、开关D1和储能电容C1,所述开关S1和所述开关D1同向串联,所述开关S1的第一端为所述组合开关Z的第一输出端P1,所述开关S1的第二端与所述开关D1的第一端串联,所述开关D2的第二端为所述组合开关Z的第二输出端P2,所述储能电容C1并联在所述开关S1的门极驱动端与所述开关D1的第二端。
本发明优选实施例中,所述开关S1为可控开关,更具体的说可以为MOSFET,所述开关D1为不控开关,更具体的说是快恢复二极或肖特基二极管,例如SiC肖特基二极管。
本发明的优选实施例中,当流过所述开关S1,D1的电流为0时,所述开关S1,D1关断,所述开关S1关断后,工作在击穿电压下,但是此时流过所述开关S1的击穿电流会被所述开关D1反向关断限制住,并且开关D1被所述开关S1过压击穿后产生的微量过压漏电流充电,因而所述开关D1上的电压逐渐上升。另外,所述开关S1过压击穿后产生的微量过压漏电流使得所述开关S1中的门极与源极之间的集成电容放电,使得所述开关S1可靠关断。所述开关S1过压击穿后产生的微量过压漏电流同时为所述储能电容C1充电,直到C1电压充到最大电压,此时储能电容C1和所述所述开关S1门极-源极之间的电压之和为所述开关D1的关断电压;
当所述开关D1开通时,所述储能电容C1为所述开关S1提供驱动电压,所述储能电容C1开始放电。
如图2所示为本发明技术方案另一实施例,本实施例中,所述组合开关Z还包括一电压钳位电路21,所述电压钳位电路并联在所述开关S1的门极和源极之间,所述电压钳位电路限制所述开关的门极和源极之间的电压小于所述开关S1的门极和源极之间的击穿电压。
本发明一优选实施例,所述电压钳位电路21为两个反向串联的稳压二极管ZD1和ZD2,所述稳压二极管ZD1和ZD2的反向击穿电压相等,优选的,所述稳压二极管ZD1和ZD2的反向击穿电压为10-20V之间。
如图3所示,本发明还提供一种电源电路,包括三相输入电压va/vb/vc、三相升压电感La/Lb/Lc、三相整流桥31、三相中点连接开关Sa/Sb/Sc以及输出电容CN1/CN2组成,所述输出电容CN1/CN2具有中间点N,其中A相电路,A相输入电压va连接A相升压电感La后与A相整流桥Z1-Z2的中点连接,A相整流桥Z1-Z2的中点与A相中点连接开关Sa连接后与输出电容的中点N连接;B相电路,B相输入电压vb连接B相升压电感Lb后与B相整流桥Z3-Z4的中点连接,B相整流桥Z3-Z4的中点与B相中点连接开关Sb连接后与输出电容的中点N连接;C相电路,C相输入电压vc连接C相升压电感Lc后与C相整流桥Z5-Z6的中点连接,C相整流桥Z5-Z6的中点与C相中点连接开关Sc连接后与输出电容的中点N连接。
本发明一优选实施例中,整流桥31中整流开关Z1-Z6均为组合开关,所述组合开关具有快恢复的优点,所述组合开关的具体结构形式如图1或图2所示。
本实施例的电源电路的负载两端的电压为800V时,此时整流桥31中的开关通常要选择具有耐压值1200V的开关,如果选择超快恢复的开关,则会产生严重的反向恢复损耗,使用本发明的技术方案的组合开关,从而可以选择性能优越的MOSFET与SiC肖特基二极管串联,使得损耗较小,效率提高,成本降低,选择的MOSFET的雪崩击穿电压和SiC肖特基二极管的耐压值之和不小于800V。
本发明具有非常好的效果:本发明利用MOSFET工作在击穿电压时,且流过它的击穿电流可以被限制住的特性,也即利用MOSFET保持承受击穿电压值,使用MOSFET和SiC肖特基二极管同向串联,替代单独的二极管,即可提高关断电压的耐受能力,同时保留与其串联的低压二极管的反向关断特性。使组合开关同时具有低压二极管优秀的性能和更高的阻断电压能力。本发明的技术方案可以把MOSFET和SiC肖特基二极管集成在一起,做成一个统一封装,从而成为一个独立元器件。该独立元器件,具有SiC肖特基二极管的零反向恢复的特性,同时SiC肖特基二极管的电压应力要求降低,从而可以选择低耐压值的SiC肖特基二极管,电路设计成本减小。
虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与润饰,故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种组合开关,其特征在于,包括第一开关、第二开关和储能电容,所述第一开关和所述第二开关同向串联,所述第一开关的第一端为所述组合开关的第一输出端,所述第一开关的第二端与所述第二开关的第一端串联,所述第二开关的第二端为所述组合开关的第二输出端,所述储能电容并联在所述第一开关的门极驱动端与所述第二开关的第二端,所述第一开关为可控开关,第二开关为快恢复二极管,所述第一开关过压击穿后产生的微量过压漏电流为所述储能电容和所述第二开关充电,直到所述储能电容的电压达到最大电压,此时储能电容和所述第一开关的门极-源极之间的电压之和为所述第二开关的关断电压。
2.如权利要求1所述一种组合开关,其特征在于,储能电容吸收电能为所述第一开关提供驱动电能。
3.如权利要求2所述一种组合开关,其特征在于,所述组合开关还包括一电压钳位电路,所述电压钳位电路并联在所述第一开关的门极和源极之间,所述电压钳位电路限制所述第一开关的门极和源极之间的电压小于所述第一开关的门极和源极之间的击穿电压。
4.如权利要求3所述一种组合开关,其特征在于,所述电压钳位电路为两个反向串联的稳压二极管,所述稳压二极管的反向击穿电压相等。
5.一种电源电路,包括三相输入电压、三相升压电感、三相整流桥、三相中点连接开关以及输出电容组成,其中A相电路,A相输入电压连接A相升压电感后与A相整流桥的中点连接,A相整流桥的中点与A相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,B相电路,B相输入电压连接B相升压电感后与B相整流桥的中点连接,B相整流桥的中点与B相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,C相电路,C相输入电压连接C相升压电感后与C相整流桥的中点连接,C相整流桥的中点与C相中点连接开关连接后与输出电容的中点连接,其特征在于所述三相整流桥中的整流开关为组合开关,所述组合开关包括第三开关、第四开关和储能电容,所述第三开关和所述第四开关同向串联,所述第三开关的第一端为所述组合开关的第一输出端,所述第三开关的第二端与所述第四开关的第一端串联,所述第四开关的第二端为所述组合开关的第二输出端,所述储能电容并联在所述第三开关的门极驱动端与所述第四开关的第二端,所述第三开关过压击穿后产生的微量过压漏电流为所述储能电容和所述第四开关充电,直到所述储能电容的电压达到最大电压,此时储能电容和所述第三开关的门极-源极之间的电压之和为所述第四开关的关断电压,所述三相整流桥包括六个组合开关,所述第三开关为MOSFET,所述第四开关为SiC肖特基二极管。
6.如权利要求5所述一种电源电路,其特征在于,所述第三开关为MOSFET,所述第四开关为SiC肖特基二极管,所述第三开关的雪崩击穿电压与所述第四开关的额定电压值的和不小于所述电源电路的输出电容两端的电压。
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