CN109698614A - 功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器，有源钳位电路包括放电电路，包括第一、二端，所述放电电路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极；单向阻断电路；第一稳压二极管，所述第一稳压二极管与所述单向阻断电路串联连接形成串联支路，所述串联支路包括第一、二端，所述串联支路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极；以及阻容电路，包括第一、二端，所述阻容电路的所述第一端、所述放电电路的所述第二端及所述串联支路的所述第二端电性连接；所述阻容电路的所述第二端电性耦接于所述功率半导体开关的门极。通过简单的电路结构，实现在较小损耗下达到稳定的钳位效果，并可扩展调制度范围。

Description

功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器。
背景技术
在高压大功率的电力电子变换器中，通常采用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,IGBT)串联技术来有效提高电压等级，以满足更高电压应用的需求。串联连接的IGBT可能存在不均压及电压尖峰较高的情况，通常需要在每个IGBT的集电极和门极之间加入有源钳位电路，以解决串联连接的IGBT之间存在不均压及电压尖峰较高的问题。
目前IGBT有源钳位电路通常使用稳压二极管串联其他电路反向连接在IGBT集电极与门极或者门极的驱动电路之间，当集电极电压超过设定的电压值时，稳压二极管击反向击穿，电荷注入门极或门极的驱动电路，使IGBT的门极电压Vge上升，集电极与发射极之间的阻抗减小，使电荷得以泄放，以达到降低集射极之间的电压Vce以及防止IGBT过压。由于IGBT过压的能量通过IGBT自身释放，因此会增加IGBT的损耗。
因此，需要一种新的功率半导体开关的有源钳位电路。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的第一方面，公开一种功率半导体开关的有源钳位电路，包括：
放电电路，包括第一端和第二端，所述放电电路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极；
单向阻断电路；
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管与所述单向阻断电路串联连接形成串联支路，所述串联支路包括第一端和第二端，所述串联支路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的所述集电极；以及
阻容电路，包括第一端和第二端，所述阻容电路的所述第一端、所述放电电路的所述第二端及所述串联支路的所述第二端电性连接；所述阻容电路的所述第二端电性耦接于所述功率半导体开关的门极。
根据本发明的一示例实施方式，所述放电电路包括：
第一二极管，其中所述第一二极管的阴极作为所述放电电路的所述第一端，所述第一二极管的阳极作为所述放电电路的所述第二端。
根据本发明的一示例实施方式，所述单向阻断电路包括：
第二二极管，其中所述第二二极管的阴极与所述第一稳压二极管的阴极串联连接，所述第二二极管的阳极为所述串联支路的所述第一端，所述第一稳压二极管的阳极为所述串联支路的所述第二端。
根据本发明的一示例实施方式，所述单向阻断电路包括：
多个稳压二极管，所述多个稳压二极管同向串联形成稳压二极管组，其中所述稳压二极管组的阴极作为所述串联支路的所述第一端，所述稳压二极管组的阳极与所述第一稳压二极管的阴极串联连接，所述第一稳压二极管的阳极为所述串联支路的所述第二端。
根据本发明的一示例实施方式，所述稳压二极管组的正向导通压降高于所述第一二极管的正向导通压降。
根据本发明的一示例实施方式，所述单向阻断电路包括：
第二二极管，其中所述第二二极管的阳极与所述第一稳压二极管的阳极串联连接，所述第一稳压二极管的阴极为所述串联支路的所述第一端，所述第二二极管的阴极为所述串联支路的所述第二端。
根据本发明的一示例实施方式，所述阻容电路包括第一电阻和第一电容，其中所述第一电阻与所述第一电容并联连接形成并联支路，所述并联支路包括第一端和第二端，所述并联支路的第一端作为所述阻容电路的所述第一端，所述并联支路的所述第二端作为所述阻容电路的所述第二端。
根据本发明的一示例实施方式，所述阻容电路的所述第二端直接电性连接于所述功率半导体开关的所述门极。
根据本发明的一示例实施方式，所述阻容电路的所述第二端通过功率放大电路电性连接于所述功率半导体开关的所述门极。
根据本发明的第二方面，公开一种功率变流器，包括多个串联连接的功率半导体开关和多个如前所述的有源钳位电路，每个所述功率半导体开关的集电极和门极直接耦接有相应的所述有源钳位电路。
根据本发明的一些实施方式，通过简单的电路结构，只增加了少量元件即可避免现有有源钳位电路中的稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作问题，以及避免由有源钳位误动作引起的IGBT的损耗。
根据本发明的一些实施方式，可以让IGBT不受最小开通时间限制，以及扩展调制度范围。当串联连接的IGBT应用于电机时，可以使得电机启动更加平滑；当串联连接的IGBT应用于逆变器时，可以提高母线的利用率。
根据本发明的一些实施方式，串联连接的IGBT均能达到稳定的钳位效果，能有效地避免有源钳位电路中稳压二极管的反向恢复电流引起的多个IGBT关断瞬间门极电压Vge的不一致而导致IGBT的不均压问题。
根据本发明的实施方式，通过简单的电路结构，实现了在较小损耗的前提下对IGBT的门极电压Vge进行有效地控制，既可以避免有源钳位电路提前响应，又可以提高有源钳位电路的响应速度，改善有源钳位效果，并且在有源钳位电路响应时避免集-射电压Vce和门极电压Vge出现振荡，减少IGBT及有源钳位电路中稳压二极管的损耗，大大增加了IGBT串联连接应用的可靠性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出现有技术中的有源钳位电路图。
图2示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的示意图。
图3示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的电路图。
图4示出如图3所示的根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的另一变形例的电路图。
图5示出根据本发明另一示例实施方式的有源钳位电路的电路图。
图6示出根据本发明又一示例实施方式的有源钳位电路的示意图。
图7示出根据本发明一示例实施方式的功率变流器的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明的目的在于公开一种功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器，有源钳位电路包括：放电电路，包括第一端、第二端，所述放电电路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极C；单向阻断电路；第一稳压二极管，所述第一稳压二极管与所述单向阻断电路串联连接形成串联支路，所述串联支路包括第一端、第二端，所述串联支路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极C；以及阻容电路，包括第一端、第二端，所述阻容电路的所述第一端、所述放电电路的所述第二端及所述串联支路的所述第二端电性连接；所述阻容电路的所述第二端电性耦接于所述功率半导体开关的门极G。通过简单的电路结构，只增加了少量元件即可避免现有有源钳位电路中稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作问题，避免现有有源钳位电路中的稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作带来的IGBT损耗；同时，可以让IGBT不受最小开通时间限制，以及扩展调制度范围。当串联连接的IGBT应用于电机时，可以使得电机启动更加平滑；当串联连接的IGBT应用于逆变器时，可以提高母线的利用率。此外，串联连接的IGBT均能达到稳定的钳位效果，能有效地避免有源钳位电路中稳压二极管的反向恢复电流引起的多个IGBT关断瞬间门极电压Vge的不一致而导致IGBT的不均压问题。
在对本发明的功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器进行详细说明之前，先对有源钳位电路进行简要介绍。如图1所示，部分应用场合在有源钳位电路中串联电容或其他元件，以达到改善有源钳位性能的目的。若有源钳位电路中有电容器件与稳压二极管串联放置，在发生有源钳位时有源钳位电路注入的电荷会储存在电容上，电容上的电荷会在IGBT导通期间通过稳压二极管释放，电荷释放过程中稳压二极管正向导通。由于稳压二极管的反向恢复所需要的时间较长，完成反向恢复前承受反压会产生较大的反向恢复电流，当稳压二极管处于反向恢复过程中时，IGBT关断使稳压二极管承受反压，反向恢复电流会注入门极G或门极G的驱动电路，使IGBT的门极电压Vge上升，从而产生了与有源钳位类似的效果，但动作门限要远低于设定值，这种现象称为“有源钳位发生了误动作”。误动作使IGBT产生更多的损耗，在IGBT串联应用中，会导致IGBT不均压。
虽然可以通过限制调制度范围或限制最小开通时间，保证有源钳位电路中的稳压二极管在完成反向恢复后关断IGBT，从而避免有源钳位电路误动作，但这种方法牺牲了调制比，不能从根本上解决稳压二极管反向恢复电流引起的有源钳位性能变差。因此，需要一种新的功率半导体开关的有源钳位电路。
下面结合图2-7分别对本发明的功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器进行详细说明，其中，图2示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的示意图；图3示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的电路图；图4示出如图3所示的根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的另一变形例的电路图；图5示出根据本发明另一示例实施方式的有源钳位电路的电路图；图6示出根据本发明又一示例实施方式的有源钳位电路的示意图；图7示出根据本发明一示例实施方式的功率变流器的电路图。
首先结合图2-6对本发明的功率半导体开关的有源钳位电路进行详细说明，其中，图2示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的示意图；图3示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的电路图；图4示出如图3所示的根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的另一变形例的电路图；图5示出根据本发明另一示例实施方式的有源钳位电路的电路图；图6示出根据本发明又一示例实施方式的有源钳位电路的示意图。
图2示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的示意图。如图2所示，功率半导体开关的有源钳位电路包括：放电电路，包括第一端和第二端，所述放电电路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极C；单向阻断电路；第一稳压二极管Dz1，所述第一稳压二极管Dz1与所述单向阻断电路串联连接形成串联支路，所述串联支路包括第一端和第二端，所述串联支路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极C；以及阻容电路，包括第一端和第二端，所述阻容电路的所述第一端、所述放电电路的所述第二端及所述串联支路的所述第二端电性连接；所述阻容电路的所述第二端电性耦接于所述功率半导体开关的门极G。
如图2所示，在稳压二极管Dz1中串入单向阻断电路形成串联支路，该单向阻断电路可以阻断正向流过稳压二极管Dz1的电流，防止稳压二极Dz1管的正向导通，进而避免了稳压二极管Dz1发生反向恢复。在稳压二极管Dz1与单向通路的串联支路上并联一个放电电路，当IGBT导通时，所述阻容电路中的电容即钳位电容中的能量可以通过放电电路迅速放电。从根本上避免了有源钳位电路中稳压二极管Dz1反向恢复引起的有源钳位误动作问题。其中，稳压二极管Dz1可为齐纳二极管，但本发明不限于此，也可以为其他类型的稳压二极管。
图3示出根据本发明一示例实施方式的有源钳位电路的电路图。如图3所示，在有源钳位电路中，所述放电电路包括：第一二极管D1，其中所述第一二极管D1的阴极作为所述放电电路的所述第一端，所述第一二极管D1的阳极作为所述放电电路的所述第二端；所述单向阻断电路包括：第二二极管D2，其中所述第二二极管D2的阴极与所述第一稳压二极管Dz1的阴极串联连接，所述第二二极管D2的阳极为所述串联支路的所述第一端，所述第一稳压二极管Dz1的阳极为所述串联支路的所述第二端。也就是说，在图1的有源钳位电路中串入第二二极管D2，与原有稳压二极管方向相反，防止稳压二极管Dz1的正向导通。在稳压二极管Dz1与第二二极管D2的串联支路上并联一个反向恢复特性较好的第一二极管D1，D1的正向导通方向与稳压二极管Dz1的正向导通方向相同，为所述阻容电路中的电容即有源钳位电路中的电容提供放电通路，当IGBT导通时，电容通过二极管D1迅速放电。从根本上避免了有源钳位电路中稳压二极管Dz1反向恢复引起的有源钳位误动作问题。
在此需要特别指出的是，单向阻断电路可以接在稳压二极管Dz1的前端或后端，所以本发明并没有对对两者的具体连接位置进行特别的限定，在图3的示例实施方式中单向阻断电路即第二二极管D2接在稳压二极管Dz1的前端；而根据如图4所示的本发明一示例实施方式的有源钳位电路的另一变形例，所述单向阻断电路包括：第二二极管D2，其中所述第二二极管D2的阳极与所述第一稳压二极管Dz1的阳极串联连接，所述第一稳压二极管Dz1的阴极为所述串联支路的所述第一端，所述第二二极管D2的阴极为所述串联支路的所述第二端，单向阻断电路即第二二极管D2接在稳压二极管Dz1的后端，这样的连接位置关系同样也能避免有源钳位电路中稳压二极管Dz1反向恢复引起的有源钳位误动作问题。
图5示出根据本发明另一示例实施方式的有源钳位电路的电路图。如图5所示，所述单向阻断电路包括：多个稳压二极管Dz2…Dzn，所述多个稳压二极管同向串联形成稳压二极管组，其中所述稳压二极管组的阴极作为所述串联支路的所述第一端，所述稳压二极管组的阳极与所述第一稳压二极管Dz1的阴极串联连接，所述第一稳压二极管Dz1的阳极为所述串联支路的所述第二端。图5给出了本发明有源钳位电路的另一种具体实现方法，实际上相当于将图1中的稳压二极管拆分为多个稳压二极管Dz1、Dz2…Dzn串联，保持总的稳压值不变。在稳压二极管串联支路上并联一个反向恢复特性较好的二极管D1，二极管D1的正向导通方向与稳压二极管Dz1的正向导通方向相同。要确保稳压二极管组总的正向导通压降高于D1的正向导通压降，当IGBT导通时，D1正向导通为电容提供放电通路，并钳位住串联支路第一端和第二端之间的电压，由于稳压二极管组两端电压被D1钳位，无法导通，从而避免稳压二极管组发生反向恢复。
根据本发明的一示例实施方式，所述阻容电路包括第一电阻R1和第一电容C1，其中所述第一电阻与所述第一电容并联连接形成并联支路，所述并联支路包括第一端和第二端，所述并联支路的第一端作为所述阻容电路的所述第一端，所述并联支路的所述第二端作为所述阻容电路的所述第二端。
根据图2-图5所示的本发明的一示例实施方式，所述阻容电路的所述第二端通过功率放大电路电性连接于所述功率半导体开关的所述门极G。
根据图6所示的本发明的一示例实施方式，所述阻容电路的所述第二端直接电性连接于所述功率半导体开关的所述门极G。
下面结合图7对使用本发明的功率半导体开关的有源钳位电路的功率变流器进行说明。图7示出根据本发明一示例实施方式的功率变流器的电路图。如图7所示，功率变流器包括多个串联连接的功率半导体开关和多个如前所述的有源钳位电路，每个所述功率半导体开关的集电极C和门极G直接耦接有相应的所述有源钳位电路。在此需要特别指出的是，图7示出的功率变流器是以3个串联连接的功率半导体开关为例，但本发明不限于此，也可以是2个或多于3个的功率半导体开关串联连接。本示例实施方式的功率变流器，在IGBT串联使用时能达到稳定的钳位效果，避免了当IGBT串联使用时，有源钳位电路中稳压二极管的反向恢复电流引起串联的多个IGBT关断瞬间门极电压Vge不一致而导致IGBT的不均压的问题。
综上所述，根据本发明示例实施方式的功率半导体开关的有源钳位电路及使用其的功率变流器，通过简单的电路结构，只增加了少量元件即可在避免现有有源钳位电路中稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作问题的同时，实现了较小损耗下达到稳定的钳位效果，并可扩展调制度范围。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实示例性实施方式的有源钳位电路及使用其的功率变流器具有以下优点中的一个或几个。
根据本发明的一些实施方式，通过简单的电路结构，只增加了少量元件即可避免现有有源钳位电路中的稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作问题，避免现有有源钳位电路中的稳压二极管反向恢复引起的有源钳位误动作带来的IGBT的损耗。
根据本发明的一些实施方式，可以让IGBT不受最小开通时间限制，以及扩展调制度范围。当串联连接的IGBT应用于电机时，可以使得电机启动更加平滑；当串联连接的IGBT应用于逆变器时，可以提高母线的利用率。
根据本发明的一些实施方式，串联连接的IGBT均能达到稳定的钳位效果，能有效地避免有源钳位电路中稳压二极管的反向恢复电流引起的多个IGBT关断瞬间门极电压Vge的不一致而导致IGBT的不均压问题。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种功率半导体开关的有源钳位电路，包括：
放电电路，包括第一端和第二端，所述放电电路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的集电极；
单向阻断电路；
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管与所述单向阻断电路串联连接形成串联支路，所述串联支路包括第一端和第二端，所述串联支路的所述第一端电性连接于所述功率半导体开关的所述集电极；以及
阻容电路，包括第一端和第二端，所述阻容电路的所述第一端、所述放电电路的所述第二端及所述串联支路的所述第二端电性连接；所述阻容电路的所述第二端电性耦接于所述功率半导体开关的门极。
2.如权利要求1所述的有源钳位电路，其特征在于，所述放电电路包括：
第一二极管，其中所述第一二极管的阴极作为所述放电电路的所述第一端，所述第一二极管的阳极作为所述放电电路的所述第二端。
3.如权利要求2所述的有源钳位电路，其特征在于，所述单向阻断电路包括：
第二二极管，其中所述第二二极管的阴极与所述第一稳压二极管的阴极串联连接，所述第二二极管的阳极为所述串联支路的所述第一端，所述第一稳压二极管的阳极为所述串联支路的所述第二端。
4.如权利要求2所述的有源钳位电路，其特征在于，所述单向阻断电路包括：
多个稳压二极管，所述多个稳压二极管同向串联形成稳压二极管组，其中所述稳压二极管组的阴极作为所述串联支路的所述第一端，所述稳压二极管组的阳极与所述第一稳压二极管的阴极串联连接，所述第一稳压二极管的阳极为所述串联支路的所述第二端。
5.如权利要求4所述的有源钳位电路，其特征在于，所述稳压二极管组的正向导通压降高于所述第一二极管的正向导通压降。
6.如权利要求2所述的有源钳位电路，其特征在于，所述单向阻断电路包括：
第二二极管，其中所述第二二极管的阳极与所述第一稳压二极管的阳极串联连接，所述第一稳压二极管的阴极为所述串联支路的所述第一端，所述第二二极管的阴极为所述串联支路的所述第二端。
7.如权利要求1所述的有源钳位电路，其特征在于，所述阻容电路包括第一电阻和第一电容，其中所述第一电阻与所述第一电容并联连接形成并联支路，所述并联支路包括第一端和第二端，所述并联支路的第一端作为所述阻容电路的所述第一端，所述并联支路的所述第二端作为所述阻容电路的所述第二端。
8.如权利要求1所述的有源钳位电路，其特征在于，所述阻容电路的所述第二端直接电性连接于所述功率半导体开关的所述门极。
9.如权利要求1所述的有源钳位电路，其特征在于，所述阻容电路的所述第二端通过功率放大电路电性连接于所述功率半导体开关的所述门极。
10.一种功率变流器，包括多个串联连接的功率半导体开关和多个如权利要求1-9所述的有源钳位电路，每个所述功率半导体开关的集电极和门极直接耦接有相应的所述有源钳位电路。
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