CN110350895A - 一种用于mosfet串联使用时的保护电路 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种用于MOSFET串联使用时的保护电路，属于保护电路设计技术领域，该保护电路通过由电阻及TVS管串联组成的第一组合电路和第二组合电路分别保护MOSFET串联电路中上管和下管的漏栅极,通过TVS管分别保护MOSFET串联电路中上管和下管的栅源极,通过由电阻、三极管以及第三组合电路/第四组合电路检测MOSFET上管/下管的漏源电压，反馈给驱动信号，提供双重保护。本发明相比RCD保护电路来说，TVS管有纳秒级的响应速度，可以更快速地防止MOSFET过压，可作为高压脉冲模块中MOSFET固态开关串联使用时的保护电路，尤其在驱动同步要求严格的场合。

Description

一种用于MOSFET串联使用时的保护电路
技术领域
本申请属于MOSFET电路设计技术领域，特别涉及一种用于MOSFET串联使用时的保护电路。
背景技术
高压脉冲模块是在高压电源的基础上增加开关电路，从而输出幅度、周期、宽度均可调节的一种脉冲。高压脉冲电源中所用的开关主要有气体开关、固态开关、等离子体开关等，其中固态开关又可细分为IGBT、MOSFET等功率半导体器件。
实际应用的高压脉冲模块的固态开关，较多采用MOSFET作为开关器件。主流MOSFET的漏源耐压常在1200V以内，单只MOSFET远远不能满足模块的耐压需求，需要多只串联使用以提高电压容量。尽管这些MOSFET已尽量采用同型号元件且使用相同的驱动电路，但由于生产和装配时的分布参数不同，依然会造成在开关速度上存在差异。导通时，开通速度较慢的管子容易因为耐压过高而损坏，而关断时，关断速度较快的管子则会承受过高的耐压。因此，除了要求驱动同步之外，还需要增加额外的保护电路。
保护电路最关键是要解决串联MOSFET的均压问题，可以通过并联电阻和TVS管的形式提供静态均压，也可以通过并联RCD的形式提供动态均压。但上述两种方法，都过于单一，并且响应速度较慢。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种用于MOSFET串联使用时的保护电路，其中，MOSFET串联电路包括上管和下管，上管及下管均包括漏极、源极及栅极，所述保护电路包括：
第一电阻至第四电阻，自所述上管的漏极依次串联至下管的源极；
第一组合电路，并联于所述第一电阻两端，所述第一组合电路包括串联的第五电阻和第三二极管，所述第三二极管的阳极连接于第一电阻与第二电阻的连接处；
第九二极管，并联于所述第二电阻两端，所述第九二极管的阴极连接于第一电阻与第二电阻连接处；
第二组合电路，并联于所述第三电阻两端，所述第二组合电路包括串联的第七电阻和第六二极管，所述第六二极管的阳极连接于第三电阻与第四电阻的连接处；
第十二极管，并联于所述第四电阻两端，所述第十二极管的阴极连接于第三电阻与第四电阻连接处；
第三组合电路，并联与所述上管的漏极和栅极，所述第三组合电路包括依次串联的第一电容、第五二极管以及第六电阻，所述第一电容连接所述上管的漏极，所述第六电阻连接所述上管的栅极，所述第五二极管的阴极连接所述第六电阻；
第四三极管，基极连接在所述第一电阻与第二电阻的连接处，发射极连接在所述上管的源极处，集电极连接所述第五二极管的阳极；
第四组合电路，并联与所述下管的漏极和栅极，所述第四组合电路包括依次串联的第三电容、第八二极管以及第八电阻，所述第三电容连接所述下管的漏极，所述第八电阻连接所述下管的栅极，所述第八二极管的阴极连接所述第八电阻；
第七三极管，基极连接在所述第三电阻与第四电阻的连接处，发射极连接在所述下管的源极处，集电极连接所述第八二极管的阳极。
优选的是，所述MOSFET串联电路的上管及下管均为N沟道增强型MOSFET。
优选的是，MOSFET串联电路的上管及下管具有各自独立的驱动模块。
优选的是，所述第一组合电路及第二组合电路中的二极管采用TVS管。
优选的是，所述第三组合电路及第四组合电路中的二极管采用肖特基二极管。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)相比RCD保护电路来说，TVS管有纳秒级的响应速度，可以更快速地防止MOSFET过压。
(2)检测MOSFET的漏源电压，并反馈给驱动信号，提供双重保护。
(3)本发明可应用于高压脉冲模块中MOSFET固态开关的保护电路，尤其在驱动同步要求严格的场合。
附图说明
图1是本申请用于MOSFET串联使用时的保护电路结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明的主要目的在于提供一种适用于MOSFET作为开关串联使用时的保护电路，不仅能提供良好的均压效果，并且有较快的响应速度。
为了更好地分析本发明中所述保护电路的功能，以图1进行分析。
如图1所示，本发明的原理是：通过分压电阻，检测MOSFET的漏源两端的电压，当漏源电压高于设定值时，TVS管击穿，将MOSFET的漏源电压箝位保护。同时，分压电阻的下端电压，反馈给MOSFET的栅极，迫使MOSFET再次导通，以降低MOSFET的漏源电压，这样的一个反馈过程，形成了对MOSFET的双重保护。
参考图1，本申请用于MOSFET串联使用时的保护电路，MOSFET串联电路包括上管V01和下管V02，图1中，上管V01和下管V02的上端为漏极，左端为栅极，下端为源极，上管V01的栅极与源极之间设置有上管驱动，下管V02的栅极与源极之间设置有下管驱动。
参考图1，本申请的保护电路左侧串联的四个电阻R01-R04，左侧自上至下的第一组合电路、二极管V09，第二组合电路及二极管V10，中间自上至下的三极管V04及三极管V07，右侧自上至下的四三组合电路及第四组合电路，以下分别详细描述：
第一电阻至第四电阻(R01～R04)，自所述上管V01的漏极依次串联至下管的V02源极；
第一组合电路，并联于所述第一电阻R01两端，所述第一组合电路包括串联的第五电阻R05和第三二极管V03，所述第三二极管V03的阳极连接于第一电阻R01与第二电阻R02的连接处；
第九二极管V09，并联于所述第二电阻R02两端，所述第九二极管V09的阴极连接于第一电阻R01与第二电阻R02连接处；
第二组合电路，并联于所述第三电阻R03两端，所述第二组合电路包括串联的第七电阻R07和第六二极管V06，所述第六二极管V06的阳极连接于第三电阻R03与第四电阻R04的连接处；
第十二极管V10，并联于所述第四电阻R04两端，所述第十二极管V10的阴极连接于第三电阻R03与第四电阻R04连接处；
第三组合电路，并联与所述上管V01的漏极和栅极，所述第三组合电路包括依次串联的第一电容C01、第五二极管V05以及第六电阻R06，所述第一电容C01连接所述上管V01的漏极，所述第六电阻R06连接所述上管V01的栅极，所述第五二极管V05的阴极连接所述第六电阻R06；
第四三极管V04，基极连接在所述第一电阻R01与第二电阻R02的连接处，发射极连接在所述上管V01的源极处，集电极连接所述第五二极管V05的阳极；
第四组合电路，并联与所述下管V02的漏极和栅极，所述第四组合电路包括依次串联的第三电容C03、第八二极管V08以及第八电阻R08，所述第三电容C03连接所述下管V02的漏极，所述第八电阻R08连接所述下管V02的栅极，所述第八二极管V08的阴极连接所述第八电阻R08；
第七三极管V07，基极连接在所述第三电阻R03与第四电阻R04的连接处，发射极连接在所述下管V02的源极处，集电极连接所述第八二极管V08的阳极。
在一些可选实施方式中，所述MOSFET串联电路的上管及下管均为N沟道增强型MOSFET。
在一些可选实施方式中，MOSFET串联电路的上管及下管具有各自独立的驱动模块。
在一些可选实施方式中，所述第一组合电路及第二组合电路中的二极管采用TVS管。
在一些可选实施方式中，所述第三组合电路及第四组合电路中的二极管采用肖特基二极管。
对本发明的MOSFET串联使用时的保护电路进行分析，工作原理如下：
V01和V02是同型号串联使用的MOSFET，V03和V06分别为保护V01和V02的漏栅极的TVS管,V09和V10分别为保护V01和V02的栅源极的TVS管。当MOSFET已经处于导通或者关断状态时，由于R01～R04电阻的静态分压作用，TVS并不工作。
(1)当MOSFET由导通变为关断。如果驱动不同步，V01和V02的关断速度会有差别，假设V01先关断，V02仍然维持导通，那么V01的漏源之间会承受一个高电压Vmax，TVS管的击穿电压为Vbr。
如果Vmax*R01/(R01+R02)>Vbr,则TVS管V03会击穿箝位，起到保护V01的作用。与此同时，R02上分得的电压，会反馈到V01的栅极，迫使MOSFET再次导通，以降低V01漏源之间的电压。同理可分析V02先关断时，V06对V02的保护作用。
(2)当MOSFET由关断变为导通。假设V01先导通，V02仍然维持关断，那么V02的漏源之间会承受一个高电压Vmax。
如果Vmax*R03/(R03+R04)>Vbr,则TVS管V06会击穿箝位，起到保护V02的作用。与此同时，R04上分得的电压，会反馈到V02的栅极，迫使V02加速导通，以降低V02漏源之间的电压。同理可分析V02先导通时，V03对V01的保护作用。
本申请相比RCD保护电路来说，TVS管有纳秒级的响应速度，可以更快速地防止MOSFET过压。通过本申请检测MOSFET的漏源电压，并反馈给驱动信号，提供双重保护。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于MOSFET串联使用时的保护电路，MOSFET串联电路包括上管和下管，其特征在于，所述保护电路包括：
第一电阻至第四电阻，自所述上管的漏极依次串联至下管的源极；
第一组合电路，并联于所述第一电阻两端，所述第一组合电路包括串联的第五电阻和第三二极管，所述第三二极管的阳极连接于第一电阻与第二电阻的连接处；
第九二极管，并联于所述第二电阻两端，所述第九二极管的阴极连接于第一电阻与第二电阻连接处；
第二组合电路，并联于所述第三电阻两端，所述第二组合电路包括串联的第七电阻和第六二极管，所述第六二极管的阳极连接于第三电阻与第四电阻的连接处；
第十二极管，并联于所述第四电阻两端，所述第十二极管的阴极连接于第三电阻与第四电阻连接处；
第三组合电路，并联与所述上管的漏极和栅极，所述第三组合电路包括依次串联的第一电容、第五二极管以及第六电阻，所述第一电容连接所述上管的漏极，所述第六电阻连接所述上管的栅极，所述第五二极管的阴极连接所述第六电阻；
第四三极管，基极连接在所述第一电阻与第二电阻的连接处，发射极连接在所述上管的源极处，集电极连接所述第五二极管的阳极；
第四组合电路，并联与所述下管的漏极和栅极，所述第四组合电路包括依次串联的第三电容、第八二极管以及第八电阻，所述第三电容连接所述下管的漏极，所述第八电阻连接所述下管的栅极，所述第八二极管的阴极连接所述第八电阻；
第七三极管，基极连接在所述第三电阻与第四电阻的连接处，发射极连接在所述下管的源极处，集电极连接所述第八二极管的阳极。
2.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：所述MOSFET串联电路的上管及下管均为N沟道增强型MOSFET。
3.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：MOSFET串联电路的上管及下管具有各自独立的驱动模块。
4.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：所述第一组合电路中的第三二极管采用TVS管。
5.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：所述第二组合电路中的第六二极管采用TVS管。
6.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：所述第三组合电路中的第五二极管采用肖特基二极管。
7.如权利要求1所要求的用于MOSFET串联使用时的保护电路，其特征在于：所述第四组合电路中的第八二极管采用肖特基二极管。
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