CN109936349A - 一种提高电力电子开关器件开关速度的设计和应用 - Google Patents

一种提高电力电子开关器件开关速度的设计和应用 Download PDF

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Abstract

本发明为一种提高电力电子开关器件开关速度的设计和应用本发明所属技术领域涉及一种提高电力电子功率开关器件开关速度的设计。本发明针对电力电子功率开关(单元件/模块)芯片的开关速度瓶颈，归纳应用了一些常识性知识点的结论以提出设计方案：将芯片简洁地增加部分电路结构，使其在处于导通状态(后期)工作在设定的拟饱和稳压状态，让功率开关元器件能获得元器件开关速度的突破及可靠性性能的提升，从而使功率开关元器件的应用能获得进一步的拓展。

Description

一种提高电力电子开关器件开关速度的设计和应用
所属技术领域：
本发明涉及一种提高电力电子功率开关器件开关速度的设计。
现有技术背景
电子工业的器件制造发展到现在，从用途的角度可分为两大类。一类是比较传统成熟、应用广泛并且还在迅猛发展的弱电行业，还有一类就是用于强电行业的电力电子功率元器件。电力电子功率元器件的发展大致可分为普通晶体管、晶闸管、大型晶体管复合模块GTR和IGBT 等几个阶段。象征着这类电力电子功率元器件发展程度的性能标志之一就是其开关速度随着新器件的出现而逐步获得提高。然而由于各类器件的开关速度各有经典性上限，这类电力电子功率元器件的提速就成为开关元器件的应用瓶颈并且上升成了发展前沿。之所以开关速度受限的原因其实早就为广大行业内技术人员所熟知，那就是这类电力电子功率元器件的末级通常由双极型晶体管所担任。而由双极型晶体管的工作原理可知，它要正常导通工作的条件就是需要向没有载流子的基区注入跟基区带电极性相同的载流子以让基区形成类似于金属结构的能导电状态。那么在驱动脉冲关断后的拖尾过程中，虽然由于驱动脉冲关断不再继续向基区注入新的载流子了，可是为导通而已经注入基区的载流子并不会随之立即消失，并由此继续支持构成了人们称之为拖尾电流的导通电流。而且开关元器件饱和导通工作状态时的工作电流越大，需要进入基区的载流子越多，于是每次关断时所产生的拖尾电流就越大。因为元器件在每次关断时其拖尾时间常数t0段的功耗要达到输出功率的数量级(其极值为1/4的输出功率值)而远远超过开关元器件本身的额定功耗，若要将开关周期的范围设定得虽很小但还远不到拖尾时间常数t0大致相当的程度时，即使这周期仅仅缩短了一点点也会可能导致开关元器件总平均功耗的增加量大大超过了元器件所能承受的限度而无法正常工作。换句话说，由于上面所说的关断功率特别大的原因，开关元件的开关周期有了个特变值不得不被限定不能过短。人们只能延长开关周期以限制元器件的平均功耗，也就体现在了应用这类元器件进行设计时其开关频率的设定必须由采用的开关元器件类型相应的开关频率上限来决定不能过高。由上所述分析还可知，即使元器件开关速度被限制了，在元器件每次关断时拖尾时间常数t0段的功耗冲击仍然超过了元器件所能承受的限度，因而还隐性地降低了元器件使用的可靠性以及正常寿命。
发明目的内容
本发明的目的是提高开关元器件开关速度，以及减少拖尾电流给器件所带来伤害以提高器件可靠性。具体思路为大幅度缩短双极型功率晶体管基区拖尾电流时间常数t0。关于这方面具体分析将另行阐述。
在这个思路指导下进行的实验所得到结果是很有震撼力的。这在测试GTR模块开关速度的实验中表现得特别给力。按本思路改进的以八层P、N相间构成的晶闸管设计不仅可以很方便地关断，其开关速度也有望可达到现有的IGBT模块的水平。
技术方案
为提高开关元件的开关速度，以及减少拖尾电流给器件所带来的伤害以提高器件的可靠性，发明人设计具体方案的技术特征就是，在一定的前提条件下人为地提高开关器件的拟饱和电压Ucer拟饱，将其设定在从几伏到三、五十伏的中低压范围内，以期来获得基区时间常数的大幅度降低和截止时段拖尾功耗总量的减少以达到开关速度设计极限的提高。发明人在这个思路指导下进行实验所得到的结果表明，当选取Ucer拟饱和为十多伏时，采用达林顿结构(该结构由于连级放大的功能，使其拖尾现象特别严重)的GTR模块作为开关元器件所设计的开关电源，其稳定的工作频率由原先怎么也无法超过5KHz的经典性极限一下子就提高到了数万Hz。
在一些导通时间较长的开关电路中，虽然开关元器件的平均功耗并不超过其额定值，为减轻t0段的功耗冲击隐性地降低元器件使用的可靠性以及正常寿命的影响，采用本设计思路也是个较好的选择。但是本设计思路是以增加开关元器件导通时段的功耗为代价来获得电路全周期开关整体性能的提高的。因此在开关导通的大部分时间里并无必要也让其导通功耗比传统设计的低压饱和状态导通功耗增加。这可以通过驱动电路切换拟饱和电压之值让其大部分导通时工作于常规的低饱和电压状态(这低饱和电压状态也是采用GTR器件时的一个突出优点)来尽可能减少其功耗，直到关断之前一小段的导通时段，足以能维持驱动电路让其再切换成另一个高压拟饱和态以降低t0的值来提高关断速度。解决“保持常规饱和低功耗”将关断后基区残留载流子清场使拖尾功耗峰值恒不超过器件额定功耗需另采用39.9模块方案。
本设计的电路结构技术特征是对于功率开关元件采用插入(可调) 稳压元器件组合并且为兼顾元件饱和导通跟截止拖尾两者平均功耗最低的要求通过调整稳压的具体数值以针对不同使用要求设定几个拟饱和电压Ucer拟饱，然后对稳压元器件组合定型以求得最佳开关速度。其电路结构可以组合在功率模块的芯片上成为芯片的组成部分。也可独立设计为单一元件作为配套模块。
有益效果
本技术方案的优点在于，很大程度地提升了开关元件的开关速度，也大大提高了开关器件的使用可靠性。从而更进一步提升设计的深化。从小到节能灯电扇微波炉空调以及采用开关电源加热的即热式电热水器，大到高铁之类的电力拖动以及激光枪、电磁炮甚至宇航动力，这些研发都是需要进行大额的能量转换的，这就缺少不了电力电子行业核心开关器件的广泛介入应用。
附图说明
附图1.晶闸管模块的局部改进电路原理图。1.PNP型功率管。 2.NPN型功率管。3.替代(可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件的二极管。 4.(可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件。5.箝位二极管。7.关断用电子开关。8.开关控制脉冲输入端。9.负载电阻Rf。11.电源电压E。
附图2.IGBT模块的局部改进电路原理图。1.PNP型功率管。2.NPN 型功率管。3.替代(可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件的二极管。4. (可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件。5.箝位二极管。6.前级的开关控制脉冲输入二极管。7.场效应电子开关。8.开关控制脉冲输入端。9. 负载电阻Rf。11.电源电压E。16.IGBT模块功率管的驱动触发基极。
附图3.(单晶体管及)GTR模块的局部改进电路原理图。2.功率达林顿管(单级达林顿管即为单晶体管)。4.(可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件。5.拟饱压箝位高速二极管。9.负载电阻Rf。10.驱动脉冲限流电阻Rr。11.电源电压E。
附图4.辅助拟饱压独立模块拟饱压箝位电路原理图。2.辅助拟饱压独立模块拟饱压箝位的单级功率晶体管(多级即为达林顿模块)。4.(可调)拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件。5.拟饱压箝位高速二极管。9.负载电阻Rf。10.驱动脉冲限流电阻Rr。11.电源电压E。12.辅助拟饱压独立模块驱动脉冲输入端。13.辅助拟饱压独立模块驱动脉冲输出端。14.辅助拟饱压独立模块拟饱压箝位端。15.虚线框内为辅助拟饱压独立模块。
图5.图6.晶闸管模块主芯片、IGBT模块主芯片局部改进的结构 示意图。17.金属导电层。
具体实施方案
在附图1.晶闸管模块的局部改进电路中，由开关控制脉冲输入端 8.输入足够强的按电路要求设定宽度的导通脉冲触发晶闸管进入传统常规的低压深度饱和的低功耗导通。在导通脉冲结束后沿，开关控制脉冲输入端8.没有控制电流输入，晶闸管维持着拖尾电流导通过程。过程中当NPN型功率管2.的集电极Uce上升到预定的高拟饱和电压时拟饱和电压Ucer拟饱稳压组件4.导通，使晶闸管转入拟临界饱和态降低时间常数的过程。该段前后拖尾时间与导通脉冲宽度相加作为晶闸管的导通时间。然后晶闸管在已到达低时间常数的状态下(稳压组件4. 电流最大时)在需要关断时通过切断关断用电子开关7.被快速关断。

Claims (5)

1.一类电力电子功率开关芯片提速设计思路，所述芯片增加部分功能电路结构，其技术特征是主芯片饱和导通时可切换到预设定不同的拟饱和电压状态。
2.根据权利要求1.设计的一种辅助拟饱和电压独立模块，所述辅助拟饱和电压独立模块将权利要求1.所述增加的使主芯片处在预设定不同的拟饱和状态的部分辅助主元件设计为独立模块，其技术特征为模块由可调或预设定的拟饱和电压的稳压组件与拟饱和电压箝位高速二极管组成。
3.根据权利要求1.设计的一种改进型晶闸管模块，其技术特征为所述晶闸管模块的PNP型和NPN型功率对管由二极管串接，所述晶闸管模块功率对管的触发控制基极经串接入可调或预设定的稳压组件(或再串入电子开关以成“可关断晶闸管”)仍连接到原对应的另一个功率管的集电极上，所述功率对管的非驱动触发基极可串入也可不串入稳压组件而以二极管替代串入连到对应功率管的集电极上。
4.根据权利要求1.设计的一种改进型IGBT模块，所述IGBT模块的技术特征为末级的PNP型和NPN型功率对管由二极管串接，所述IGBT模块末级的功率对管的驱动触发控制基极经串接入可调或预设定的稳压组件后再连接到原对应的另一个功率管的集电极上，所述IGBT模块功率对管的驱动触发控制基极在接到稳压组件前还串接入由输入导通驱动控制的场效应电子开关，所述IGBT模块功率对管的另一非驱动触发基极可串入也可不串入稳压组件替代以二极管串入连到对应功率管的集电极上，所述IGBT模块前级的场效应驱动输出端经导通驱动输入二极管连接到功率管的驱动触发基极。
5.根据权利要求1.设计的一种改进型GTR模块，所述GTR模块技术特征为模块驱动基极经串入可调或预设定的稳压组件后与开关控制脉冲输入端相连接，模块输出集电极经串入箝位高速二极管后与开关控制脉冲输入端相连接。
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