CN111478559A - 一种分级关断电路及应用其的电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级关断电路及应用其的电气设备，包括：触发信号产生模块，所述触发信号产生模块的输入端与外部控制信号连接，以根据外部控制信号产生触发信号；叠加模块，所述叠加模块的第一输入端与所述触发信号产生模块的输出端连接，所述叠加模块的第二输入端与外部控制信号连接，所述叠加模块将触发信号与外部控制信号叠加以在外部控制信号上形成预关断部，进而转换为分级关断信号，所述叠加模块的输出端与外部功率开关管的控制端连接。通过叠加模块将触发信号与外部控制信号叠加，以在外部控制信号上形成预关断部，进而转换为分级关断信号，实现分级关断的效果，能够减少关断产生尖峰电压的大小，有利于保护电路中的元件，提高可靠性。

Description

一种分级关断电路及应用其的电气设备

技术领域

本发明涉及功率开关管控制领域，特别涉及一种分级关断电路及应用其的电气设备。

背景技术

功率开关管是现代电子技术中重要的元件，其被广泛应用在各种功率控制转换的电路，如逆变电路当中。然而，功率开关管在关断时会产生尖峰电压，尖峰电压会对功率开关管和电路中的其他元件造成影响，甚至损坏，尤其在高压变频器、无功补偿装置等功率设备中使用的功率开关管，为了稳定工作，必须要对尖峰电压进行抑制。

现有技术中，抑制尖峰电压一般采取的方案有：1.降低母排的杂散电感；2.增添吸收电容；3.增添有源钳位电路。然而，方案1中降低母排的杂散电感会增加物料成本，同时此项方式只能将尖峰电压降低到一个阀值点，实际功率开关管工作时应用时依然有不低的尖峰电压值；方案2增添吸收电容，容易导致电压震荡的问题，降低电路的可靠性；方案3增添有源钳位电路的成本较高，并且要求线路要求尽可能短否则很难实现所需功能，这会增加设计上的难度，另外，当母线电压大于有源钳位的阀值电压时会直接导致功率开关管关断失效。

基于上述手段都不能够有效解决功率开关管的尖峰电压问题，目前有新的解决思路，即通过分级关断的方式，逐步关断功率开关管，以减少尖峰电压。然而目前的技术手段中，未有高效可行的形成分级关断信号的电路结构。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种分级关断电路及应用其的电气设备，其通过触发信号产生模块产生触发信号，叠加模块根据触发信号对外部控制信号处理形成分级关断信号，分级关断信号控制功率开关管实现分级关断的效果，减少尖峰电压大小。

根据本发明的第一方面实施例的一种分级关断电路，包括：触发信号产生模块，所述触发信号产生模块的输入端与外部控制信号连接，以根据外部控制信号产生触发信号；叠加模块，所述叠加模块的第一输入端与所述触发信号产生模块的输出端连接，所述叠加模块的第二输入端与外部控制信号连接，所述叠加模块将触发信号与外部控制信号叠加以在外部控制信号上形成预关断部，进而转换为分级关断信号，所述叠加模块的输出端与外部功率开关管的控制端连接。

根据本发明实施例的一种分级关断电路，至少具有如下有益效果：通过触发信号产生模块生成触发信号，叠加模块将触发信号与外部控制信号叠加，以在外部控制信号上形成预关断部，进而转换为分级关断信号输出，分级关断信号在控制功率开关管彻底关断之前，先控制功率开关管经过预关断的过程，即减少功率开关管的导通程度，然后再彻底关断功率开关管。以此结构，产生分级关断信号实现分级关断的效果，能够减少关断产生尖峰电压的大小，避免一次性关断产生较大的尖峰电压，有利于保护电路中的元件，维持电路正常工作，提高可靠性。

根据本发明的一些实施例，所述触发信号产生模块包括延时单元以及对比运算单元，所述延时单元的输入端与外部控制信号连接，所述对比运算单元的第一输入端与所述延时单元的的输出端连接，所述对比运算单元的第二输入端与外部控制信号连接，所述对比运算单元的输出端与所述叠加模块的第一输入端连接。

根据本发明的一些实施例，所述延时单元包括电阻R1以及电容C1，所述电阻R1的一端与外部控制信号连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电容C1的一端以及所述对比运算单元的第一输入端连接，所述电容C1的另一端接地。

根据本发明的一些实施例，所述对比运算单元包括反相器U1以及或非门U3，所述反相器U1的输入端与所述延时单元的输出端连接，所述反相器U1的输出端与所述或非门U3的第一输入端连接，所述或非门U3的第二输入端与所述延时单元的输出端连接，所述或非门U3的输出端与所述叠加模块的第一输入端连接。

根据本发明的一些实施例，所述叠加模块包括开关管U5、电阻R6、电阻R7以及电阻R8；所述电阻R6的一端与所述延时单元的输出端连接，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R8的一端以及外部功率开关管的控制端连接；所述电阻R7的一端与所述或非门U3的输出端连接，所述电阻R7的另一端与所述开关管U5的控制端连接；所述开关管U5的输入端与所述电阻R8的另一端连接，所述开关管U5的输出端接地。

根据本发明的一些实施例，还包括反相器U2，所述反相器U2的输入端与所述反相器U1的输出端连接，所述反相器U2的输出端与所述电阻R6的一端连接，所述反相器U1以及所述反相器U2均为施密特反相器。

根据本发明的一些实施例，还包括调节模块，所述调节模块的输入端与所述叠加模块的输出端连接以调节分级关断信号的幅值，所述调节模块的输出端与外部功率开关管的控制端连接。

根据本发明的一些实施例，所述调节模块包括开关管U4、电阻R9以及电阻R10，所述开关管U4的控制端与所述叠加模块的输出端连接，所述开关管U4的输入端与供电端连接，所述开关管U4的输出端与所述电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R10的一端以及外部功率开关管的控制端连接，所述端组R10的另一端接地。

根据本发明的第二方面实施例的电气设备，包括功率开关管、控制模块以及上述的一种分级关断电路，所述控制模块的输出端分别与所述触发信号产生模块以及所述叠加模块的输入端连接，所述叠加模块的输出端与所述功率开关管的控制端连接，所述功率开关管的输入端与供电端连接，所述功率开关管的输出端与外部负载连接。

根据本发明实施例的电气设备，至少具有如下有益效果：控制模块产生控制信号并通过分级关断电路传输至功率开关管，以控制功率开关管的导通与关断的周期，进而实现调节输出功率的目的，满足负载的工作需求。另外，通过触发模块产生触发信号，叠加模块将触发信号与控制信号叠加，形成分级关断信号后传输至功率开关管，以实现分级关断控制，能够有效抑制尖峰电压，避免电路中的器件因尖峰电压损坏，提高可靠性。

根据本发明的一些实施例，所述功率开关管为IGBT，所述IGBT的集电极与供电端连接，所述IGBT的发射极与外部负载连接，所述IGBT的栅极与所述叠加模块的输出端连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明其中一种实施例的电路图；

图2为本发明其中一种实施例与波形检测器连接的电路图；

图3为图2中波形检测器的检测信号波形示意图；

图4为图2中改变电阻R8阻值后波形检测器的检测信号波形示意图；

图5为本发明其中一种实施例的实际测试中信号波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参考图1和图2，根据本发明实施例的一种分级关断电路，包括：触发信号产生模块200，触发信号产生模块200的输入端与外部控制信号连接，以根据外部控制信号产生触发信号；叠加模块300，叠加模块300的第一输入端与触发信号产生模块200的输出端连接，叠加模块300的第二输入端与外部控制信号连接，叠加模块300根据触发信号对外部控制信号进行处理形成分级关断信号，叠加模块300的输出端与外部功率开关管100的控制端连接。

通过触发信号产生模块200生成触发信号，叠加模块300将触发信号与外部控制信号叠加，以在外部控制信号上形成预关断部，进而转换为分级关断信号输出，分级关断信号在控制功率开关管100彻底关断之前，先控制功率开关管100经过预关断的过程，即减少功率开关管100的导通程度，然后再彻底关断功率开关管100。以此结构，产生分级关断信号实现分级关断的效果，能够减少关断产生尖峰电压的大小，避免一次性关断产生较大的尖峰电压，有利于保护电路中的元件，维持电路正常工作，提高可靠性。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，触发信号产生模块200包括延时单元210以及对比运算单元220，延时单元210的输入端与外部控制信号连接，对比运算单元220的第一输入端与延时单元210的的输出端连接，对比运算单元220的第二输入端与外部控制信号连接，对比运算单元220的输出端与叠加模块300的第一输入端连接。

延时单元210将外部控制信号进行延时处理产生延时信号，对比运算单元220对比外部控制信号以及延时信号，根据外部控制信号的关断时刻与延时信号的关断时刻，在两个关断时刻的间隔部分产生形成触发信号，以此方式产生的触发信号电压突变的时间点与外部控制信号的关断时刻以及延时信号的关断时刻相关联，有利于触发信号与外部控制信号以及延时信号同步，提高控制的准确性。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，延时单元210包括电阻R1以及电容C1，电阻R1的一端与外部控制信号连接，电阻R1的另一端分别与电容C1的一端以及对比运算单元220的第一输入端连接，电容C1的另一端接地。

通过RC延时电路将输入的外部控制信号延时，延时时间可通过电阻R1的阻值和电容C1的容值进行调整，结构简单，便于实施并且成本较低。延时单元210亦可以是常见的主要由延时继电器构成的延时电路等其他的实施方式。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，对比运算单元220包括反相器U1以及或非门U3，反相器U1的输入端与延时单元210的输出端连接，反相器U1的输出端与或非门U3的第一输入端连接，或非门U3的第二输入端与延时单元210的输出端连接，或非门U3的输出端与叠加模块300的第一输入端连接。

通过反相器U1将延时信号波形反转，使得反转后的延时信号在关断时刻前的部分变为低电平，外部控制信号在关断时刻后的部分亦为低电平，由于或非门U3在输入均为低电平时输出高电平，因此，将外部信号以及反转后的延时信号输入至或非门U3，或非门U3在外部控制信号的关断时刻与反转后的延时信号的关断时刻之间输出高电平，形成触发信号。

触发信号的信号宽度由外部控制信号以及延时信号的关断时刻间隔决定，而延时信号的关断时刻由RC延时电路的延时值决定，因此，通过调节RC延时电路的延时值，能够调节触发信号的信号宽度，RC延时电路的延时时间越长，触发信号的宽度越大。

对比运算单元220还可以是包括反相器以及与非门等逻辑门器件的实施方式，以实现产生触发信号。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，叠加模块300包括开关管U5、电阻R6、电阻R7以及电阻R8；电阻R6的一端与延时单元210的输出端连接，电阻R6的另一端分别与电阻R8的一端以及功率开关管100的控制端连接；电阻R7的一端与或非门U3的输出端连接，电阻R7的另一端与开关管U5的控制端连接；开关管U5的输入端与电阻R8的另一端连接，开关管U5的输出端接地。

外部控制信号经延时单元210处理后形成延时信号传输至功率开关管100的控制端，延时信号控制功率开关管100的导通和关断的周期以及占空比与外部控制信号相同，因此延时信号只是时间上存在延时，延时信号对功率开关管100的控制效果与外部控制信号相同。在延时信号控制功率开关管100导通和关断的基础上，在延时信号控制功率开关管100彻底关断之前，触发信号通过控制开关管U5导通，以拉低电阻R6与电阻R8之间的电压，即拉低延时信号的幅值，进而使功率开关管100减少导通程度，实现分级关断的效果，令功率开关管100彻底关断时尖峰电压较小。通过上述方式，将延时信号与触发信号叠加生成分级关断信号，结构简单，容易实施。

通过调节电阻R8的阻值大小，能够控制电阻R8上的压降，进而调节分级关断信号在预关断部分的电压幅值与其他部分电压幅值的相对大小，而预关断部分的电压幅值大小控制功率开关管100的导通程度，即通过调节电阻R8能够调节预关断过程中功率开关管100的导通程度，以此能够根据实际应用的需求，设置电阻R8合理的阻值，以控制预关断过程中功率开关管100的导通程度。

在某些实施例中，电阻R6的一端可以是直接与外部控制信号连接的实施方式，此时，外部控制信号未经延时处理便与触发信号进行叠加处理，由于外部控制信号关断时刻与触发信号的高电平突变时刻相同，开关管U5需要改为拉高电平的方式。即开关管U5的输入端与供电端连接，开关管U5的输出端分别与电阻R6的另一端以及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地，以此，触发信号控制开关管U5导通时，能够拉高电阻R6与电阻R8之间的电压，以此实现将外部控制信号与触发信号叠加形成分级关断信号。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，还包括反相器U2，反相器U2的输入端与反相器U1的输出端连接，反相器U2的输出端与电阻R6的一端连接，反相器U1以及反相器U2均为施密特反相器。

对比运算单元220中，反相器U1为施密特反相器，有利于修整输入的延时信号，防止因干扰等因素导致延时信号波形变化，提高电路的可靠性。另外，延时信号需要传输至功率开关管100的控制端，反相器U2从反相器U1的输出端获取反相延时信号，然后还原出延时信号，由于反相器U2亦为施密特反相器，能够对延时信号的波形进行修整，使延时信号通过反相器U1和反相器U2传输至功率开关管100控制端时，能够保持波形不变，有利于提高抗干扰能力以及可靠性。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，还包括调节模块400，调节模块400的输入端与叠加模块300的输出端连接以调节分级关断信号的幅值，调节模块400的输出端与功率开关管100的控制端连接。

由于延时信号与触发信号叠加后形成分级关断信号，可能存在分级关断信号的电压幅值与功率开关管100的驱动电压范围不适配的问题，因此通过设置有调节模块400将分级关断信号进行调节，以使得分级关断信号的信号幅值满足驱动功率开关管100的要求，有利于使功率开关管100的工作更加稳定，提高可靠性。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，调节模块400包括开关管U4、电阻R9以及电阻R10，开关管U4的控制端与叠加模块300的输出端连接，开关管U4的输入端与供电端连接，开关管U4的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端以及功率开关管100的控制端连接，端组R10的另一端接地。

分级关断信号传输至开关管U4的控制端，以控制开关管U4的导通和关断，开关管U4导通和关断产生的电流流经电阻R9和电阻R10，在电阻R9和电阻R10之间形成幅值合适的信号，该信号与分级关断信号的波形一致，以此，能够实现调节分级关断信号的电压幅值的效果。

开关管U4以及开关管U5可以是常见的三极管或者场效应管等器件。

参考图2和图3，使用波形检测器对上述分级关断电路进行检测，图3中，信道1为外部控制信号波形；信道2为延时单元210输出端的延时信号波形；信道3为对比处理单元输出端的触发信号波形；信道4为触发信号与延时信号叠加后的分级关断信号波形。从图中可以清楚获知，外部控制信号与延时信号的波形以及信号宽度一致，使用延时信号为基础控制功率开关管100实现的效果与外部控制信号的效果相同。触发信号与延时信号的关断时刻保持一致，使得叠加后不会影响功率开关管100的关断时刻。

参考图3和图4，图4为调节电阻R8阻值后的信号波形，对比图3和图4可以清楚看出，调节电阻R8的阻值能够使得分级关断信号在预关断部分处的信号幅值发生变化，以此能够控制预关断时候功率开关管100的导通程度，因此根据实际应用情况调节电阻R8的阻值，以满足实际使用需求。

参考图5，图5为实际测试的信号波形，具体为功率开关管100为IGBT，IGBT数量有两个并形成半桥结构，如常见的逆变电路中的桥臂，测试情况模拟上IGBT与下IGBT发生直通短路时的极端情况。信道1为上IGBT的控制端信号波形，即上述的分级关断信号波形；信道2为上IGBT的集电极与发射极之间的电压信号波形；信道3为流过上IGBT以及下IGBT的电流信号波形；信道4为下IGBT的集电极与发射极之间的电压信号波形。下IGBT的控制端信号波形与上IGBT的控制端信号波形相同，图中未示出。

由图5中可以清楚获知，通过分级关断的方式关断上IGBT与下IGBT，在预关断过程中，虽然IGBT的集电极与发射极之间的电压波形会出现尖峰电压，但是幅值较小，并且预关断过程中，由于IGBT的导通程度降低，IGBT的集电极与发射极之间的电压下降，在彻底关断IGBT时，虽然会出现较大的尖峰电压，但是尖峰电压的最大值不会超过IGBT导通时的最大电压值，因此彻底关断时产生的尖峰电压不会损坏器件，流经IGBT的电流大小亦随着IGBT的预关断过程减少，最终电流信号波形在IGBT彻底关断时变为最小值。由此过程可直观体会通过分级关断的方式控制功率开关管100关断，能够有有效减小尖峰电压，达到保护电路中器件的效果，提高电路的可靠性。

本发明的一种分级关断电路使用硬件自身功能实现分级关断的效果，无需使用可编程的元器件，结构简单，使用方便。

根据本发明的第二方面实施例的电气设备，包括功率开关管100、控制模块以及上述实施例中的一种分级关断电路，控制模块的输出端分别与触发信号产生模块200的输入端以及叠加模块300的输入端连接，叠加模块300的输出端与功率开关管100的控制端连接，功率开关管100的输入端与供电端连接，功率开关管100的输出端与外部负载连接。

控制模块产生控制信号并通过分级关断电路传输至功率开关管100，以控制功率开关管100的导通与关断的周期，进而实现调节输出功率的目的，满足负载的工作需求。另外，通过触发模块产生触发信号，叠加模块将触发信号与控制信号叠加，形成分级关断信号后传输至功率开关管100，以实现分级关断控制，能够有效抑制尖峰电压，避免电路中的器件因尖峰电压损坏，提高可靠性。

参照图1和图2，在本发明的一些实施例中，功率开关管100为IGBT，IGBT的集电极与供电端连接，IGBT的发射极与外部负载连接，IGBT的栅极与叠加模块300的输出端连接。

功率开关管100采用IGBT具有高输入阻抗、低导通压降以及响应速度快的优点，使用IGBT有利于提高电气设备的整体性能。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种分级关断电路，其特征在于，包括：

触发信号产生模块(200)，所述触发信号产生模块(200)的输入端与外部控制信号连接，以根据外部控制信号产生触发信号；

叠加模块(300)，所述叠加模块(300)的第一输入端与所述触发信号产生模块(200)的输出端连接，所述叠加模块(300)的第二输入端与外部控制信号连接，所述叠加模块(300)根据触发信号对外部控制信号处理形成分级关断信号，所述叠加模块(300)的输出端与外部功率开关管(100)的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的一种分级关断电路，其特征在于：所述触发信号产生模块(200)包括延时单元(210)以及对比运算单元(220)，所述延时单元(210)的输入端与外部控制信号连接，所述对比运算单元(220)的第一输入端与所述延时单元(210)的的输出端连接，所述对比运算单元(220)的第二输入端与外部控制信号连接，所述对比运算单元(220)的输出端与所述叠加模块(300)的第一输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种分级关断电路，其特征在于：所述延时单元(210)包括电阻R1以及电容C1，所述电阻R1的一端与外部控制信号连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电容C1的一端以及所述对比运算单元(220)的第一输入端连接，所述电容C1的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的一种分级关断电路，其特征在于：所述对比运算单元(220)包括反相器U1以及或非门U3，所述反相器U1的输入端与所述延时单元(210)的输出端连接，所述反相器U1的输出端与所述或非门U3的第一输入端连接，所述或非门U3的第二输入端与所述延时单元(210)的输出端连接，所述或非门U3的输出端与所述叠加模块(300)的第一输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种分级关断电路，其特征在于：所述叠加模块(300)包括开关管U5、电阻R6、电阻R7以及电阻R8；

所述电阻R6的一端与所述延时单元(210)的输出端连接，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R8的一端以及外部功率开关管(100)的控制端连接；

所述电阻R7的一端与所述或非门U3的输出端连接，所述电阻R7的另一端与所述开关管U5的控制端连接；

所述开关管U5的输入端与所述电阻R8的另一端连接，所述开关管U5的输出端接地。

6.根据权利要求5所述的一种分级关断电路，其特征在于：还包括反相器U2，所述反相器U2的输入端与所述反相器U1的输出端连接，所述反相器U2的输出端与所述电阻R6的一端连接，所述反相器U1以及所述反相器U2均为施密特反相器。

7.根据权利要求1所述的一种分级关断电路，其特征在于：还包括调节模块(400)，所述调节模块(400)的输入端与所述叠加模块(300)的输出端连接以调节分级关断信号的幅值，所述调节模块(400)的输出端与外部功率开关管(100)的控制端连接。

8.根据权利要求7所述的一种分级关断电路，其特征在于：所述调节模块(400)包括开关管U4、电阻R9以及电阻R10，所述开关管U4的控制端与所述叠加模块(300)的输出端连接，所述开关管U4的输入端与供电端连接，所述开关管U4的输出端与所述电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R10的一端以及外部功率开关管(100)的控制端连接，所述端组R10的另一端接地。

9.电气设备，其特征在于：包括功率开关管(100)、控制模块以及如权利要求1至8任一项权利要求所述一种分级关断电路，所述控制模块的输出端分别与所述触发信号产生模块(200)以及所述叠加模块(300)的输入端连接，所述叠加模块(300)的输出端与所述功率开关管(100)的控制端连接，所述功率开关管(100)的输入端与供电端连接，所述功率开关管(100)的输出端与外部负载连接。

10.根据权利要求9所述的电气设备，其特征在于：所述功率开关管(100)为IGBT，所述IGBT的集电极与供电端连接，所述IGBT的发射极与外部负载连接，所述IGBT的栅极与所述叠加模块(300)的输出端连接。

Images