CN112311215A - 钳位电路和功率模块 - Google Patents

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Abstract

本公开主要提供一种钳位电路，通过第一节点和第二节点耦接在开关管的第一端和第二端，包括：RCD回路，包括并联在所述第二节点和第三节点之间的第一电阻和第一电容，以及负极耦接于所述第三节点的二极管；第一稳压二极管，负极耦接于所述第一节点，正极与所述二极管的正极耦接于第四节点。本公开实施例可以提高钳位可靠性以及钳位效果，并能够降低钳位电路的体积和成本。

Description

钳位电路和功率模块
技术领域
本公开涉及电子电路技术领域，具体而言，涉及一种钳位电路和应用该钳位电路的功率模块。
背景技术
钳位电路通常并联于半导体开关管，在半导体开关管关断瞬间吸收回路漏感电流在半导体开关管上产生的电压尖峰，避免半导体开关管两端的电压冲高超过半导体开关的耐受电压而损坏半导体开关管。
相关技术中钳位电路通常为电容钳位电路或电阻电容二极管(RCD) 钳位电路。在电容钳位电路中，钳位电容需要根据所钳位的开关管的电压选取，电容体积通常较大。开关管导通时，钳位电容上存储的电荷通过开关管的沟道释放导致开关管发热；开关管关断瞬间，回路漏感与钳位电容发生谐振产生超过2倍输入电压的关断尖峰。因此，电容钳位电路的成本和体积都比较高，钳位效果较差。
电阻电容二极管(RCD)钳位电路在电容钳位电路的基础上增加了二极管和电阻，二极管用于防止电容上的电荷反向流过开关管沟道引起开关管发热，电阻用于释放电容上的电荷，避免电荷积累使电容电压持续上升。然而，由于RCD钳位电路中的电阻、电容和二极管的耐压均需要与开关管额定电压相匹配，同时电阻有一定的能量耗散需求，因此器件的体积较大；此外，由于电容上的剩余电压与导通持续的时间有关，且电容上的剩余电压会影响到关断尖峰电压值，因此钳位效果会受到开通时间会影响，钳位效果不稳定。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此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
本公开的目的在于提供一种钳位电路和应用该钳位电路的功率模块，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的钳位电路器件体积大、钳位效果不稳定等问题。
根据本公开的第一方面，提供一种钳位电路，通过第一节点和第二节点耦接在开关管的第一端和第二端，包括：
RCD回路，包括并联在所述第二节点和第三节点之间的第一电阻和第一电容，以及负极耦接于所述第三节点的二极管；
第一稳压二极管，负极耦接于所述第一节点，正极与所述二极管的正极耦接于第四节点。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括：
第二稳压二极管，负极耦接于所述第四节点；
第二电阻，耦接在所述第二节点和所述第二稳压二极管的正极之间。
在本公开的一种示例性实施例中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压时，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
在本公开的一种示例性实施例中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压时，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
在本公开的一种示例性实施例中，还包括：
第三电阻，耦接在所述第二节点和所述第四节点之间。
在本公开的一种示例性实施例中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压，所述第一稳压二极管和所述第三电阻，用以泄放所述开关管的漏电流。
在本公开的一种示例性实施例中，包括N个相互串联连接的开关管以及N个钳位电路，其中每一所述钳位电路通过第一节点和第二节点并联耦接于对应的所述开关管的第一端和第二端，每一所述钳位电路包括：
RCD回路，包括并联在所述第二节点和第三节点之间的第一电阻和第一电容，以及负极耦接于所述第三节点的二极管；以及
第一稳压二极管，负极耦接于所述第一节点，正极与所述二极管的正极耦接于第四节点。
在本公开的一种示例性实施例中，所述钳位电路还包括：
第二稳压二极管，负极耦接于所述第四节点；
第二电阻，耦接在所述第二节点和所述第二稳压二极管的正极之间。
在本公开的一种示例性实施例中，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述 RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
在本公开的一种示例性实施例中，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述 RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
在本公开的一种示例性实施例中，所述钳位电路还包括：
第三电阻，耦接在所述第二节点和所述第四节点之间。
在本公开的一种示例性实施例中，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压，所述第一稳压二极管和所述第三电阻，用以泄放N个所述开关管间的漏电流差值。
在本公开的一种示例性实施例中，所述N个钳位单元中的任意一个或多个同时包括所述第二电阻和所述第三电阻。
本公开实施例通过使用稳压二极管对开关管两侧的尖峰电压分压，在开关管两侧的电压低于稳压二极管击穿电压前阻止钳位电路切入，可以降低RCD回路中器件的耐压需求，进而降低钳位电路的成本和体积；由于提高了RCD回路的切入门限，降低了回路漏感的谐振能量，可以降低开关管关断时的尖峰电压。
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和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开第一实施例中钳位电路的结构示意图。
图2是本公开第二实施例中钳位电路的结构示意图。
图3是本公开第三实施例中钳位电路的结构示意图。
图4是本公开第四实施例中功率模块的结构示意图。
图5是本公开第五实施例中功率模块的结构示意图。
图6是本公开第六实施例中功率模块的结构示意图。
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公开将更加全面和完整，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。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公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开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、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。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。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或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。
下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。
图1是本公开示例性实施例中钳位电路的结构示意图。
参考图1，钳位电路100通过第一节点N1和第二节点N2耦接在开关管Q的第一端和第二端，可以包括：
RCD回路11，包括并联在第二节点N2和第三节点N3之间的第一电阻R1和第一电容C，以及负极耦接于第三节点N3的二极管D；以及
第一稳压二极管T1，例如瞬态电压抑制二极管(Transient VoltageSuppressors,TVS)，负极耦接于第一节点N1，正极与二极管D1的正极耦接于第四节点N4。
在本公开中，开关管Q可以为IGBT或者MOSFET。当开关管Q为 MOSFET时，开关管Q的第一端为漏极，第二端为源极；当开关管Q为 IGBT时，开关管的第一端为集电极，第二端为发射极。
第一稳压二极管在承受反压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，反向电阻骤然降至很小，尽管电流在很大的范围内变化，稳压二极管两端的电压也基本上能稳定在击穿电压附近，从而实现稳压功能。
在本公开的一些实施例中，稳压二极管的种类例如可以为TVS (TransientVoltage Suppressor，瞬态电压抑制二极管)。TVS作为稳压二极管的一种，是一种二极管形式的高效能保护器件，在两极受到反向瞬态高能量冲击时，工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过从而吸收高达数千瓦的浪涌功率，并将两极间的电压箝位到预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的损坏。具有反应速度快(为ps级)、器件体积小、钳位电压低、可靠性高等优点。
在图1所示实施例中，当开关管Q关断时，在开关管Q的第一端和第二端之间产生关断电压，钳位电路100中的第一稳压二极管T1承受了大部分关断电压，当关断电压超过第一稳压二极管T1的反向击穿电压时，第一稳压二极管T1瞬间击穿，第一稳压二极管T1、第一电阻R1、电容C以及二极管D共同钳位开关管Q两端的电压，将开关管Q两端间的电压钳位在较低电压值(该电压值根据稳压二极管的型号和类型确定)，回路漏感上的漏感电流流向RCD回路11的第一电容C中对第一电容C充电，避免漏感电流直接冲击开关管Q而引起开关管Q过压。当开关管Q导通时，第一电容C上的电荷通过第一电阻R1泄放。由于第一稳压二极管T1承受了大部分电压，RCD回路11中的器件可以选择耐压更低的器件，第一电阻R1、第一电容C和二极管D的体积和成本得以降低。当RCD回路11切入工作时，开关管Q的第一端和第二端间的电压较高，经过第一稳压二极管T1分压，RCD回路上的电压不高，使回路漏感与钳位电容的谐振过程缩短，谐振能量降低，从而降低了开关管的关断尖峰电压。
图2是本公开另一实施例中钳位电路的结构示意图。
参考图2，钳位电路200在钳位电路100的基础上还包括：
第二稳压二极管T2，负极耦接于第四节点N4；
第二电阻R2，耦接在第二节点N2和第二稳压二极管T2的正极之间。
与钳位电路100相同，在开关管Q关断后，开关管Q的第一端和第二端间的电压上升到第一稳压二极管T1的击穿电压之前，RCD回路11 不工作；当开关管Q第一端和第二端间的电压超过第一稳压二极管T1 的反向击穿电压时，第一稳压二极管T1被击穿，第一稳压二极管T1、第一电阻R1、第一电容C和二极管D作为第一级动态均压参与钳位，第一稳压二极管T1击穿瞬间阻值降低，回路漏感的漏电流通过第一稳压二极管T1导入RCD回路11的第一电容C，给第一电容C充电，从而避免回路漏感的漏感电流直接冲击开关管Q引起开关管Q的关断电压尖峰过高。
在本公开的一种示例性实施例中，第二电阻R2的阻值较小，当开关管Q关断时尖峰电压过高或持续时间过长，RCD回路11的吸收能力不足的情况下，第一电容C的电压超过第二稳压电压T2反向击穿电压，第二稳压二极管T2被击穿，第一稳压二极管T1、第二稳压二极管T2和第二电阻R2共同构成第二级动态均压，用以钳位开关管Q第一端和第二端间的电压，即第一稳压二极管T1、第二稳压二极管T2和第二电阻 R2作为第二级动态均压参与钳位，提供更强的钳位能力。钳位电路200 可以进一步降低对RCD回路11中各器件的耐压要求，从而降低RCD 回路11的体积与成本，此外，通过两级动态均压可以降低回路漏感的谐振能量，降低开关管Q关断时的尖峰电压，提高钳位可靠性。
在本公开的另一种示例性实施例中，第二电阻R2的阻值较大，当开关管Q处于持续关断状态下时，会有很小的开关管漏电流流过，第一稳压二极管T1、第二稳压二极管T2和第二电阻R2组成的回路能够起到静态均压作用，吸收该漏电流，可以用于改善多级开关管串联时开关管漏电流不同造成的关断状态下分压不均的问题。通过同时设置动态均压可以进一步降低回路漏感的谐振能量，降低开关管Q关断时的尖峰电压，并提供了良好的静态均压特效，提高钳位可靠性。
本公开实施例提供的钳位电路200通过设置与RCD回路11并联的第二稳压二极管T2和第二电阻R2串联支路，可以通过调整第二电阻R2 的阻值设置实现两级均压功能，例如两级动态均压，或者一级动态均压和一级静态均压，增强钳位能力，与钳位电路100相比具有具有进一步的改善。
图3是本公开再一实施例提供的钳位电路的示意图。
参考图3，钳位电路300在钳位电路200的基础上还包括：
第三电阻R3，耦接在第二节点N2和第四节点N4之间。
在本公开的一种示例性实施例中，第三电阻R3的阻值较大。钳位电路300在钳位电路200的基础上增加了并联于RCD回路11的第三电阻R3，其中第一稳压二极管T1与第三电阻R3在钳位电路300中起到静态均压功能。当开关管Q关断时，第一稳压二极管T1与第三电阻R3 能够提供开关管漏电流的泻放通路，实现静态均压。在图3所示实施例中，当R2的阻值较小时，第二电阻R2、第一稳压二极管T1和第二稳压二极管T2一起构成第二级动态均压，增强钳位效果。当R2的阻值较大时，第二电阻R2、第一稳压二极管T1和第二稳压二极管T2一起构成静态均压。由于RCD回路的工作电压降低，因而可选择更低耐压的器件，从而降低器件尺寸和成本，具有良好的电压尖峰抑制能力，提高钳位可靠性。
图4是本公开第四实施例提供的功率模块的示意图。图4所示实施例的功率模块包括N个相互串联连接的开关管Q1～QN及N个钳位电路 41～4N，钳位电路与开关管一一对应，其中每一钳位电路通过第一节点和第二节点并联耦接于对应的开关管的第一端和第二端。每一钳位电路4m 括：
RCD回路4m1，包括并联在第二节点Nm2和第三节点Nm3之间的第一电阻Rm1和第一电容Cm，以及负极耦接于节点Nm3的二极管Dm。
第一稳压二极管Tm1，负极耦接于第一节点Nm1，正极与二极管 Dm的正极耦接于第四节点Nm4。其中，m是开关管的序号。
在图4所示实施例中，功率模块400包括三个钳位电路41～43，每个钳位电路均与钳位电路100相同，即钳位电路100可以应用于多个开关管串联连接的功率模块中，其中，串联连接的开关管的数量大于等于 2。在开关管Qm第一端和第二端间的电压Vds上升到第一稳压二极管 Tm1的反向击穿电压前，RCD回路4m1不参与钳位；当开关管Qm第一端和第二端间的电压Vds超过第一稳压二极管Tm1反向击穿电压时，第一稳压二极管Tm1击穿瞬间阻值降低，将回路漏感的漏感电流导入 RCD回路4m1的第一电容Cm中。由于RCD回路4m1的工作电压降低，因此可以选择更低耐压的器件，从而降低器件尺寸和成本，在多个开关管串联时，有效提高开关管关断电压尖峰抑制及动态均压能力。
图5是本公开第五实施例提供的功率模块的示意图。图5所示实施例是钳位电路200应用于功率模块的场景。
参考图5，功率模块500在功率模块400的基础上，将N个钳位电路设置为钳位电路200，即钳位电路(例如钳位单元51～53)还包括：
第二稳压二极管Tm2，负极耦接于所述第四节点Nm4；
第二电阻Rm2，耦接在节点Nm2和第二稳压二极管Tm2的正极之间，其中，m是开关管的序号。
与钳位线路100相同，钳位电路200也可以应用于多个开关管串联连接的功率模块中，开关管数量大于等于2。
在本公开的一种示例性实施例中，在N个钳位电路中第二电阻Rm2 的阻值较小，钳位电路可以提供二级动态均压。当开关管Qm关断时，钳位电路中的第一稳压二极管Tm1承受了大部分关断电压，当关断电压超过第一稳压二极管Tm1的反向击穿电压时，第一稳压二极管Tm1瞬间击穿，第一稳压二极管Tm1、第一电阻Rm1、电容Cm以及二极管Dm 共同构成第一级动态均压，用以钳位开关管Qm第一端和第二端间的电压。当开关管Qm关断时尖峰电压过高或持续时间过长、RCD回路5m1 的吸收能力不足时，第一电容Cm的电压超过第二稳压二极管Tm2的反向击穿电压，第二稳压二极管Tm2被击穿，第一稳压二极管Tm1、第二稳压二极管Tm2和第二电阻Rm2构成第二级动态均压，用以钳位开关管Qm第一端和第二端间的电压，即第一稳压二极管T1、第二稳压二极管T2和第二电阻Rm2作为第二级动态均压参与钳位，提供更强的钳位能力，增强功率模块中多个开关管串联连接的动态均压效果。
在本公开的一种示例性实施例中，在N个钳位电路中第二电阻的阻值较大，钳位电路可以提供静态均压功能。当开关管Qm关断时，钳位电路5m中的第一稳压二极管Tm1承受了大部分关断电压，当关断电压超过第一稳压二极管Tm1的反向击穿电压时，第一稳压二极管Tm1瞬间击穿，第一稳压二极管Tm1、第一电阻Rm1、电容Cm以及二极管Dm 共同构成一级动态均压，用以钳位开关管Qm两端的电压。当开关管Qm 处于持续关断状态下时，第一稳压二极管Tm1、第二稳压二极管Tm2和第二电阻Rm2构成一级静态均压，用以吸收开关管的漏电流，在功率模块中起到很好的静态均压效果。
图6是本公开第六实施例提供的功率模块的示意图。图6所示实施例是钳位电路300应用于功率模块中的示意图。
参考图6，在多个开关管串联连接的功率模块中，在功率模块500的基础上，将N个钳位电路设置为钳位电路300，即钳位电路(例如钳位单元61～63)还包括：
第三电阻Rm3，耦接在第二节点Nm2和第四节点Nm4之间，其中 m是开关管的序号。
在本公开的一种示例性实施例中，第三电阻Rm3的阻值较大，例如为1MΩ。
参考图6，在本公开的一种示例性实施例中，N个钳位电路同时包括第二电阻Rm2和第三电阻Rm3，其中第二电阻Rm2的阻值较小，第三电阻Rm3的阻值较大。
在这种情况下，功率模块600中串联连接的开关管关断瞬间，当开关管Qm第一端和第二端间的电压Vds上升到第一稳压二极管Tm1的反向击穿电压前，RCD回路不参与钳位；当开关管Qm第一端和第二端的电压Vds超过第一稳压二极管Tm1的反向击穿电压时，浪涌电流通过第一稳压二极管Tm1注入RCD回路的电容Cm中，由第一稳压二极管Tm1与RCD回路构成一级动态均压支路，对开关管Qm两端的电压进行钳位。当电容Cm的电压上升超过第二稳压二极管Tm2的反向击穿电压时，第二稳压二极管Tm2导通，Tm1、Tm2和第二电阻Rm2共同构成二级动态均压支路，对开关管Qm两端的电压进行钳位，提供更强的钳位效果。在功率模块600中串联连接的开关管均处于关断状态下时，第一稳压二极管Tm1与第三电阻Rm3构成静态均压支路，提供串联开关管之间漏电流差值的泻放通路，实现了功率模块中串联连接的开关管的静态均压。在本实施例中，由于各钳位电路中RCD回路的工作电压降低，因此可以选择更低耐压的器件，从而降低器件尺寸和成本；由于每个钳位单元均设置了两级动态均压支路，因此功率模块600具有良好的电压尖峰抑制能力，能够提高对电压尖峰钳位的可靠性；同时由于在钳位电路中设置了一级静态均压支路，因此能够实现对串联连接的开关管的静态均压。
在本公开的另一种示例性实施例中，N个钳位单元同时包括第二电阻和第三电阻，且第二电阻的阻值较大，第三电阻的阻值也较大。
与上一种情况相同的是，在本实施例中，功率模块600中串联连接的开关管关断瞬间，当开关管Qm两端的电压Vds上升到Tm1的反向击穿电压前，RCD回路不参与钳位；当开关管Qm两端的电压Vds超过第一稳压二极管Tm1的反向击穿电压时，浪涌电流通过第一稳压二极管Tm1被RCD回路吸收，此时的第一稳压二极管Tm1与RCD回路构成一级动态均压支路，对开关管Qm两端的电压进行钳位。与上一种情况不同的是，在本实施例中，功率模块600中串联连接的开关管均处于关断状态时，第一稳压二极管Tm1与第三电阻Rm3构成一级静态均压支路，提供开关管之间漏电流差值的泻放通路，能够实现功率模块中串联连接的开关管的静态均压；当串联连接的各开关管的漏电流差异较大时，第一稳压二极管Tm1、第二稳压二极管Tm2与第二电阻Rm2构成二级静态均压支路参与钳位，将静态电压限制在安全范围内。
在本实施例中，由于各钳位单元中RCD回路的工作电压降低，因此可以选择更低耐压的器件，从而降低器件尺寸和成本；由于每个钳位电路均设置了动态均压支路，因此功率模块600具有良好的电压尖峰抑制能力，能够提高对电压尖峰钳位的可靠性；同时由于在钳位电路中设置了两级静态均压支路，因此能够更好地实现对串联连接的开关管的静态均压。
综上所述，本公开实施例提供的钳位电路通过使用稳压二极管对开关管两侧的尖峰电压分压，在开关管两侧的电压低于稳压二极管击穿电压前阻止钳位电路切入，可以降低RCD钳位电路器件的耐压需求，进而降低钳位电路的成本和体积；由于提高了RCD钳位电路的切入门限，降低了回路漏感的谐振能量，可以降低开关管关断时的尖峰电压。当该钳位电路应用于保护串联的开关管时，配合静态均压电阻，可以在开关管串关断的状态下实现良好的静态均压效果。通过设置二级动态均压，可以进一步吸收关断瞬间的尖峰电压，有效避免开关管过压损坏。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、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公开的一般性原理并包括本公开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，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (13)

1.一种钳位电路，其特征在于，通过第一节点和第二节点耦接在开关管的第一端和第二端，包括：
RCD回路，包括并联在所述第二节点和第三节点之间的第一电阻和第一电容，以及负极耦接于所述第三节点的二极管；以及
第一稳压二极管，负极耦接于所述第一节点，正极与所述二极管的正极耦接于第四节点。
2.如权利要求1所述的钳位电路，其特征在于，还包括：
第二稳压二极管，负极耦接于所述第四节点；
第二电阻，耦接在所述第二节点和所述第二稳压二极管的正极之间。
3.如权利要求1所述的钳位电路，其特征在于，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压时，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
4.如权利要求2所述的钳位电路，其特征在于，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压时，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
5.如权利要求2或4所述的钳位电路，其特征在于，还包括：
第三电阻，耦接在所述第二节点和所述第四节点之间。
6.如权利要求5所述的钳位电路，其特征在于，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压，所述第一稳压二极管和所述第三电阻，用以泄放所述开关管的漏电流。
7.一种功率模块，其特征在于，包括N个相互串联连接的开关管以及N个钳位电路，其中每一所述钳位电路通过第一节点和第二节点并联耦接于对应的所述开关管的第一端和第二端，每一所述钳位电路包括：
RCD回路，包括并联在所述第二节点和第三节点之间的第一电阻和第一电容，以及负极耦接于所述第三节点的二极管；以及
第一稳压二极管，负极耦接于所述第一节点，正极与所述二极管的正极耦接于第四节点。
8.如权利要求7所述的功率模块，其特征在于，所述钳位电路还包括：
第二稳压二极管，负极耦接于所述第四节点；
第二电阻，耦接在所述第二节点和所述第二稳压二极管的正极之间。
9.如权利要求7所述的功率模块，其特征在于，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
10.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压。
11.如权利要求8所述的功率模块，其特征在于，所述钳位电路还包括：
第三电阻，耦接在所述第二节点和所述第四节点之间。
12.如权利要求11所述的功率模块，其特征在于，在所述N个钳位电路中，当所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压超过所述第一稳压二极管的反向击穿电压，所述第一稳压二极管导通，所述第一稳压二极管和所述RCD回路共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压；当所述第一电容的电压超过所述第二稳压二极管的反向击穿电压时，所述第二稳压二极管导通，所述第一稳压二极管、所述第二稳压二极管和所述第二电阻共同钳位所述开关管的所述第一端和所述第二端间的电压，所述第一稳压二极管和所述第三电阻，用以泄放N个所述开关管间的漏电流差值。
13.如权利要求12所述的功率模块，其特征在于，所述N个钳位单元中的任意一个或多个同时包括所述第二电阻和所述第三电阻。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4064563A1 (de) * 2021-03-24 2022-09-28 Siemens Aktiengesellschaft Elektronischer schalter
CN118040620A (zh) * 2024-04-12 2024-05-14 西安奇点能源股份有限公司 一种应用于mos或igbt管短路失效的保护电路

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4287509A1 (en) * 2022-06-02 2023-12-06 Goodrich Actuation Systems Limited Solid state circuit breaker snubber

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2549649A1 (en) * 2011-07-21 2013-01-23 HS Elektronik Systeme GmbH Actively clamped transistor circuit
CN103683260A (zh) * 2013-12-19 2014-03-26 天津正本自控系统有限公司 一种igbt串联均压电路
CN107046361A (zh) * 2016-12-30 2017-08-15 江苏中科君芯科技有限公司 Igbt动态有源钳位保护电路
CN108736874A (zh) * 2018-08-08 2018-11-02 华东交通大学 一种智能遥控mosfet电力电子交流开关装置
CN109474166A (zh) * 2018-11-19 2019-03-15 中冶南方（武汉）自动化有限公司 一种灵活调整正负压适用于各种开关管的驱动电路
CN109889028A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 阳光电源股份有限公司 一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE9500761D0 (sv) * 1995-03-02 1995-03-02 Abb Research Ltd Skyddskrets för seriekopplade krafthalvledare
JP2002208850A (ja) * 2000-11-13 2002-07-26 Mitsubishi Electric Corp 半導体スイッチ装置
WO2007064837A2 (en) * 2005-11-30 2007-06-07 Electric Power Research Institute, Inc. A multifunction hybrid solid-state switchgear
FR2985082B1 (fr) * 2011-12-23 2014-02-21 Alstom Technology Ltd Dispositif disjoncteur mecatronique et procede de declenchement associe et application a la coupure de courant continu eleve
EP2757688B1 (en) 2013-01-18 2019-05-22 HS Elektronik Systeme GmbH Active clamped transistor circuit for low temperature operating conditions
CN104052048A (zh) 2014-07-10 2014-09-17 北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司 一种igbt驱动的有源钳位电路
US9640982B2 (en) * 2014-11-05 2017-05-02 General Electric Company Over-voltage protection system and method
US9768607B2 (en) * 2015-05-11 2017-09-19 Infineon Technologies Ag System and method for a multi-phase snubber circuit
EP3157034B1 (en) * 2015-10-13 2018-03-21 General Electric Technology GmbH Mechatronic circuit-breaker device
JP2018026937A (ja) * 2016-08-09 2018-02-15 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
CN106230246A (zh) * 2016-09-22 2016-12-14 京东方科技集团股份有限公司 一种电路以及开关电源和液晶显示驱动电路
CN206743100U (zh) 2017-03-22 2017-12-12 中国科学院合肥物质科学研究院 一种强流离子源抑制极电源快速高压开关
CN207053167U (zh) 2017-06-20 2018-02-27 成都恒科瑞恩智能电气科技有限公司 高压机械开关用阻容均压装置
CN109274279A (zh) * 2017-07-17 2019-01-25 台达电子工业股份有限公司 电源供应器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2549649A1 (en) * 2011-07-21 2013-01-23 HS Elektronik Systeme GmbH Actively clamped transistor circuit
CN103683260A (zh) * 2013-12-19 2014-03-26 天津正本自控系统有限公司 一种igbt串联均压电路
CN107046361A (zh) * 2016-12-30 2017-08-15 江苏中科君芯科技有限公司 Igbt动态有源钳位保护电路
CN108736874A (zh) * 2018-08-08 2018-11-02 华东交通大学 一种智能遥控mosfet电力电子交流开关装置
CN109474166A (zh) * 2018-11-19 2019-03-15 中冶南方（武汉）自动化有限公司 一种灵活调整正负压适用于各种开关管的驱动电路
CN109889028A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 阳光电源股份有限公司 一种吸收电容预充电电路和尖峰电压吸收电路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALAGU DHEERAJ: "Comparison of active clamping circuits for isolated forward converter", 《IEEE》 *
高岩: "高压脉冲发生器中SiCMOSFET串联均压电路新方法", 《电力电子技术》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4064563A1 (de) * 2021-03-24 2022-09-28 Siemens Aktiengesellschaft Elektronischer schalter
CN118040620A (zh) * 2024-04-12 2024-05-14 西安奇点能源股份有限公司 一种应用于mos或igbt管短路失效的保护电路

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