CN112769422A - 开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电路，包含有一驱动电路、一功率开关以及一主动钳位电路。该驱动电路包含有一输入端、一输出端、一第一电晶体以及一第二电晶体。该第一电晶体包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端耦接于一第一电源电压以及一第三端耦接于该输出端。该第二电晶体包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端，以及一第三端耦接于该输出端。该功率开关包含有一第一端耦接于该驱动电路的该输出端、一第二端以及一第三端。该主动钳位电路耦接于该功率开关的该第一端、该功率开关的该第二端、该驱动电路的该输出端以及该第二电晶体的该第二端。
Description
技术领域
本发明涉及到一种开关电路，尤指一种可提高系统可靠性的开关电路。
背景技术
功率半导体元件，例如绝缘闸双极型电晶体(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)或金氧半场效电晶体(Metal-Oxide-Semiconductor field effecttransistor，MOSFET)，常应用于电源管理，例如，风力发电系统、太阳能发电系统、电动车、电源供应器、显示器、马达控制等等。一般来说，在元件导通与关闭的切换瞬间，功率半导体元件通常承受着较大的电流应力和电压应力。在元件关闭瞬间，铜排、母线电容的等效串联电感(Equivalent Series Inductance，ESL)和元件的杂散电感会给功率半导体元件带来更大的电压应力而导致过电压情况，进而使元件毁损。例如，当绝缘闸双极型电晶体的集极-射极电压导致超出集极-射极电压的额定值时，绝缘闸双极型电晶体便会立即损坏而使系统设备瘫痪无法运作。
对此，传统方法利用有源钳位的方式来解决功率半导体元件关闭过程中所面临的电压应力过大的问题。请参考图1A，开关电路1包括有一驱动电路10、一功率开关12、一有源钳位电路14。驱动电路10包括有电晶体T1、T2。有源钳位电路14包括有一瞬态电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor diode，TVS diode)TVS、一二极管D以及电阻R1、R2。驱动电路10经由输入端100接收一控制信号SC。当控制信号SC为低电压准位，电晶体T1关闭且电晶体T2导通。驱动电路10的输出端102的电压被拉至电源电压VEE的电压准位(例如为-8伏特)。功率开关12的闸极电荷在负驱动电压工作下通过电晶体T2流向电源电压VEE。当功率开关12的闸极电压Vgate低于一导通临限值电压时，功率开关12开始关闭。此时，若关闭的速度过快将会导致功率开关12承受的电压应力过高，也即功率开关12的一集极-射极电压Vce会超过瞬态电压抑制二极管TVS的击穿临界值电压并形成一导通电流It(或称反向击穿电流)。如图1A所示，导通电流It会有3条分流路径，导通电流It包含有电流I1、I2、I3，其中It＝I1+I2+I3。电流I1流入驱动电路10的输入端100，而使驱动电路10的输入端100的电压升高。电流I2经由闸极电阻Rg和电晶体T2，使驱动电路10的输出端102的电压升高。电流I3直接进入功率开关12的闸极，以提供额外的电荷至功率开关12的闸极电容。如此一来，透过电流I1、I2、I3等三条路径将能减缓功率开关12的关闭时间，使集极电流的变化率dIc/dt减小且功率开关12的集极-射极电压Vce也会相应减小。
然而，在图1A的开关电路1中，有源钳位电路14的电阻R2耦接于驱动电路10的输入端100，使电流I1流入驱动电路10的输入端100以拉高输入端100的电压，再经过驱动电路10提高功率开关12的闸极电压。在此情况下，由于信号传输路径过长，将会使功率开关12的闸极反应时间过长，从而对功率开关12的集极-射极电压Vce的抑制作用效果不佳，而且传输时间延迟导致相位滞后，这也会对功率主回路注入扰动信号而产生振荡问题。再者，当瞬态电压抑制二极管TVS被外置偏压击穿后，反向导通电压会随着反向电流的升高而升高，由于电阻R1和闸极电阻Rg的阻值较小，电流I2会从电晶体T2流向电压电源VEE(例如电压电源VEE为-8伏特)，功率开关12的集极-射极电压Vce会随着导通电流It的升高而升高，导致超出集极-射极电压的额定值。如图1B所示的特性曲线，当功率开关12的集极-射极电压随着导通电流It的升高而升高，从而无法如预期的被钳位在击穿临界值电压VR附近的钳位电压VC。如此一来，将影响整体系统的可靠性。
此外，由于存在持续通过电晶体T2的旁路电流I2，引起流经瞬态电压抑制二极管TVS的电流It会持续存在，并且会随着功率开关12的集极-射极电压的升高而加大，致使瞬态电压抑制二极管TVS的钳位电压随之升高，最终导致瞬态电压抑制二极管TVS的功耗大增。因此，现有技术实有改善的必要。
发明内容
(一)发明目的
本发明的主要目的即在于提供一种可提高系统可靠性的开关电路，以改善上述问题。
(二)技术方案
本发明提供一种开关电路，包含有：一驱动电路，包含有：一输入端；一输出端；一第一电晶体，包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端耦接于一第一电源电压以及一第三端耦接于该输出端；以及一第二电晶体，包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端，以及一第三端耦接于该输出端；一功率开关，包含有一第一端、一第二端以及一第三端，该功率开关的该第一端耦接于该驱动电路的该输出端；以及一主动钳位电路，耦接于该功率开关的该第一端、该功率开关的该第二端、该驱动电路的该输出端以及该第二电晶体的该第二端。
附图说明
图1A为传统具有源钳位电路的开关电路的示意图；
图1B为瞬态电压抑制二极管的特性曲线的示意图；
图2为本发明实施例的一开关电路的实施例示意图；
图3为图2中的功率开关的一变化实施例示意图；
图4为第2图中的驱动电路的一变化实施例示意图；
图5为第2图中的主动钳位电路的操作电源的一变化实施例示意图。
附图标记：
2：开关电路；20：驱动电路；200：输入端；202：输出端；22：功率开关；24：主动钳位电路；240：第一保护电路；242：第二保护电路；D：二极管；I1、I2、I3：电流；It：导通电流；R1、R2、R3：电阻；Rg：闸极电阻；SC：控制信号；T1、T2、T3、T4：电晶体；TVS：瞬态电压抑制二极管；VCC、VEE：电源电压；Vce：集极-射极电压；Vgate：闸极电压。
具体实施方式
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及后续的申请专利范围当中所提及的「包含」是一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。以外，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请参考图2，开关电路2包含有一驱动电路20、一功率开关22、一主动钳位电路24以及一闸极电阻Rg。驱动电路20包含有一输入端200、电晶体T1、T2以及一输出端202。驱动电路20可为一推挽输出电路。电晶体T1与电晶体T2耦接于输入端200与输出端202之间。如图2所示，电晶体T1与电晶体T2之间系以一图腾柱形式串接而成。电晶体T1与电晶体T2可为双极性接面电晶体(Bipolar Junction Transistor，BJT)。电晶体T1的基极耦接于输入端200，电晶体T1的集极耦接于一电源电压VCC(例如+15伏特)，以及电晶体T1的射极耦接于输出端202。电晶体T2的基极耦接于输入端200，电晶体T2的集极耦接于主动钳位电路24，以及电晶体T2的射极耦接于输出端202。此外，电晶体T1与电晶体T2也可为金氧半场效电晶体(Metal-Oxide-Semiconductor field effect transistor，MOSFET)。例如电晶体T1可为N型金氧半场效电晶体，电晶体T2可为P型金氧半场效电晶体，但不以此为限。
闸极电阻Rg的一第一端耦接于驱动电路20的输出端202。功率开关22可为绝缘闸双极型电晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或金氧半场效电晶体。例如，如图2所示，功率开关22为一绝缘闸双极型电晶体。功率开关22的闸极耦接于闸极电阻Rg的第二端以及主动钳位电路24，功率开关22的集极耦接于主动钳位电路24。
主动钳位电路24耦接于功率开关22的闸极、功率开关22的集极以及驱动电路20的电晶体T2的集极。主动钳位电路24包含有一第一保护电路240以及一第二保护电路242。第一保护电路240耦接于功率开关22的闸极、功率开关22的集极以与门极电阻Rg的第二端。第一保护电路240根据功率开关22的集极的电压产生一导通电流IT。第一保护电路240包含有一瞬态电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor diode，TVS diode)TVS、一二极管D以及一电阻R1。瞬态电压抑制二极管TVS的阴极耦接于功率开关22的集集。二极管D的阳极耦接于瞬态电压抑制二极管TVS的阳极，以及二极管D的阴极耦接于电阻R1以及第二保护电路242。电阻R1的一第一端耦接于二极管D的阴极以及第二保护电路242，以及电阻R1的一第二端耦接于功率开关22的闸极以与门极电阻Rg的第二端。
第二保护电路242耦接于第一保护电路240以及电晶体T2的集极。第二保护电路242包含有一电阻R2、一电阻R3、一电晶体T3以及一电晶体T4。电阻R2的一第一端耦接于二极管D的阴极以及电阻R1的第一端，电阻R2的一第二端耦接于电晶体T4。电晶体T3与电晶体T4可为双极性接面电晶体(Bipolar Junction Transistor，BJT)或金氧半场效电晶体。例如，如图2所示，电晶体T3与电晶体T4为双极性接面电晶体。电晶体T4的基极耦接于电阻R2的第二端，电晶体T4的集极耦接于电阻R3以及电晶体T3，以及电晶体T4的射极耦接于一电源电压VEE。电阻R3的一第一端耦接于电源电压VCC，以及电阻R3的一第二端耦接于电晶体T3以及电晶体T4的集极。电晶体T3的基极耦接于电阻R3的第二端以及电晶体T4的集极，电晶体T3的集极耦接于电晶体T2的集极，以及电晶体T3的射极耦接于电源电压VEE(例如为-8伏特)。
驱动电路20经由输入端200接收一控制信号SC。例如控制信号SC可为一脉波宽度调变信号，但不以此为限。当控制信号SC为低准位状态(例如低电压准位)，电晶体T1关闭(截止)且电晶体T2导通。电源电压VEE汲取功率开关22的闸极电荷，功率开关22的闸极电荷在负驱动电压工作下经由电晶体T2流向电源电压VEE。功率开关22的一闸极电压Vgate被拉低。当功率开关22的闸极电压Vgate低于一导通临限值电压时，功率开关22开始关闭(截止)程序。当功率开关22的一集极-射极电压Vce达到或超过瞬态电压抑制二极管TVS之一击穿临界值电压(或称崩溃电压)时，瞬态电压抑制二极管TVS导通并产生一导通电流It(或称反向击穿电流)。如图2所示，导通电流It有3条分流路径，导通电流It包含有电流I1、I2以及I3。其中电流I1经由电阻R2而使电晶体T4导通。电流I1经由电阻R2而使电晶体T4导通。当电晶体T4导通时，电流I1流经电阻R2以及电晶体T4。当电晶体T2与电晶体T3导通时，电流I2流经电晶体T2与电晶体T3。电流I2会根据电流I1的电流大小而线性变化。电流I3直接流入功率开关22的闸极，以提供功率开关22的闸极额外的电荷，进而减缓闸极电压Vgate的变化率(即dVgate/dt)的下降斜率，并降低功率开关22的集极电流的变化率(即dIc/dt)，使得功率开关22的集极-射极电压Vce受到抑制。其中，导通电流It以及电流I1、I2以及I3可表示如下：
It＝I1+I2+I3 (1)
其中，It表示导通电流It，I1表示电流I1，I2表示电流I2，I3表示电流I3。
此外，电晶体T3的基极电流、电晶体T4的集极电流以及电流I2可表示如下：
其中，IT4_C表示电晶体T4的集极电流，βT4表示电晶体T4的共射极电流增益(又称放大倍数)，I1表示电流I1，IT3_B表示电晶体T3的基极电流，VCC表示电源电压VCC，VEE表示电源电压VEE，VT3_BE表示电晶体T3的基极-射极电压，R3表示电阻R3的阻值，I2表示电流I2，βT3表示电晶体T3的共射极电流增益。
根据式(2)，电流I1与电流I2的线性关系可表示如下：
由式(3)以及图2可知，电流I1与电流I2构成一负回授回路，当电流I1增大时，电流I2减小，电流I2会根据电流I1的电流大小实现线性变化。当电流I1增大时，电流I2会以两级放大倍数线性衰减，直至电晶体T4工作在饱和导通状态，电晶体T3工作在截止状态，进而切断电源电压VEE路径，使电流I2为零。也就是说，当导通电流It被导通产生后，电流I1会增大且电晶体T4导通，电流I1流经电阻R4以及电晶体T4。接着，电流I2会线性衰减而且电晶体T3关闭。
进一步地，根据图2中的电流I2的电流路径，电流I2与功率开关22的集极-射极电压Vce的关系可表示如下：
其中，Vce表示功率开关22的集极-射极电压Vce，VR_TVS表示瞬态电压抑制二极管TVS的逆向偏压、VF_D表示二极管D的顺向偏压，Vb表示驱动电路20的输出端202的电压值，R1表示电阻R1的阻值，Rg表示电阻Rg的阻值。
接着，将式(4)代入式(3)中，便可得到下列结果：
由式(5)可知，功率开关22的集极-射极电压Vce包含下列成份︰电流I2形成的压降、二极管D的顺向导通压降、瞬态电压抑制二极管TVS的逆向导通压降以及驱动电路20的输出端202的电压。其中二极管D的顺向导通压降与瞬态电压抑制二极管TVS的逆向导通压降系属于单调增函数。因此，当功率开关22的集极-射极电压Vce升高超过瞬态电压抑制二极管TVS的击穿临界值电压(或称崩溃电压)时，由此主动钳位电路24的负回授回路，电流I1上升而电流I2显著减小，驱动电路20的输出端202的电压值下降斜率随之变缓，如此一来，可使集极-射极电压Vce上升斜率得到有效地抑制。
再者，参考式(1)可知，由于电流I2的减小，经过瞬态电压抑制二极管TVS的导通电流It会相应的减小。参考图1B所示的瞬态电压抑制二极管的特性曲线可知，当导通电流It变小，瞬态电压抑制二极管TVS的逆向偏压(例如，击穿临界值电压或崩溃电压)会随之变小。在此情况下，根据式(5)，功率开关22的集极-射极电压Vce会减小并且被钳位在瞬态电压抑制二极管TVS的击穿临界值电压附近，同时导通电流It的减小将使得瞬态电压抑制二极管TVS的损耗显著地降低。
另一方面，功率开关22可为绝缘闸双极型电晶体、金氧半场效电晶体或其他功率半导元件。在一实施例中，如图2所示，功率开关22可为一绝缘闸双极型电晶体。在一变化实施例中，如图3所示，功率开关22可为一金氧半场效电晶体。此外，电晶体T3与电晶体T4可为双极性接面电晶体或金氧半场效电晶体。在一实施例中，如图2所示，电晶体T3与电晶体T4为双极性接面电晶体。在一变化实施例中，电晶体T3与电晶体T4当中的至少一个为金氧半场效电晶体。例如，如图4所示，电晶体T3为金氧半场效电晶体，电晶体T4为双极性接面电晶体。主动钳位电路24的控制电源可采用开关电路2所提供的电源电压或是外部电源所提供的电源电压。在一实施例中，如图2所示，主动钳位电路24的电阻R3系耦接于开关电路2的电源电压VCC(例如为+15伏特)，以接收电力进行运作。在一变化实施例中，如图5所示，主动钳位电路24的电阻R3系耦接于外部电源所提供的一电源电压Vext，以接收电力进行运作。
此外，当功率开关22处于正常工作状态时，即功率开关22的集极-射极电压Vce无过压状态下，电流I1的电流值为零，电晶体T4关闭(即工作在截止状态)且电晶体T3导通(即工作在饱和导通状态)，在此情况下，负回授的主动钳位电路24对功率开关22的驱动电源影响很小。
综上所述，相较于传统有源钳位方式，本实施例的主动钳位电路24系由此检测导通It电流的支路电流I1来线性关闭电压电源支路的电流I2的方式来实现主动钳位的目的。本实施例的主动钳位电路24与功率开关22的驱动路径完全解耦且不需由此驱动路径来抬高闸极电压Vgate，如此一来，将有效避免经由驱动回路对主功率回路的不良影响而可提高系统的可靠性。另一方面，本实施例利用主动钳位电路24的负回授回路来线性关闭支路电流I2的方式将功率开关22的集极-射极电压Vce有效地钳位在瞬态电压抑制二极管TVS的击穿临界值电压附近，进而显著地降低瞬态电压抑制二极管TVS的损耗并提高系统的可靠性。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
Claims (10)
1.一种开关电路，包含有：
一驱动电路，包含有：
一输入端；
一输出端；
一第一电晶体，包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端耦接于一第一电源电压以及一第三端耦接于该输出端；以及
一第二电晶体，包含有一第一端耦接于该输入端，一第二端，以及一第三端耦接于该输出端；
一功率开关，包含有一第一端、一第二端以及一第三端，该功率开关的该第一端耦接于该驱动电路的该输出端；以及
一主动钳位电路，耦接于该功率开关的该第一端、该功率开关的该第二端、该驱动电路的该输出端以及该第二电晶体的该第二端。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，该主动钳位电路包含有：
一第一保护电路，耦接于该功率开关的该第一端、该功率开关的该第二端以及该驱动电路的该输出端，该第一保护电路根据该功率开关的该第二端的电压产生一导通电流；以及
一第二保护电路，耦接于该第一保护电路以及该第二电晶体的该第二端。
3.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，该第一保护电路包含有：
一瞬态电压抑制二极管，该瞬态电压抑制二极管的一阴极耦接于该功率开关的该第二端；
一二极管，该二极管的一阳极耦接于该瞬态电压抑制二极管的一阳极，以及该二极管的一阴极耦接于该第二保护电路；以及
一第一电阻，该第一电阻的一第一端耦接于该二极管的该阴极以及该第二保护电路，以及该第一电阻的一第二端耦接于该功率开关的该第一端以及该驱动电路的该输出端。
4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，该第二保护电路包含有：
一第二电阻，该第二电阻的一第一端耦接于该二极管的该阴极以及该第一电阻的该第一端；
一第三电阻；
一第三电晶体，包含有一第一端耦接于该第三电阻的一第一端，一第二端耦接于该第二电晶体的该第二端，以及一第三端耦接于一第二电源电压；以及
一第四电晶体，包含有一第一端耦接于该第二电阻的一第二端，一第二端耦接于该第三电阻的该第一端以及该第三电晶体的该第一端，以及一第三端耦接于该第二电源电压。
5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，当该功率开关的该第二端的电压大于一临限值时该瞬态电压抑制二极管产生该导通电流，其中该导通电流包含有一第一电流、一第二电流以及一第三电流，当该第四电晶体导通时该第一电流流经该第二电阻以及该第四电晶体，当该第二电晶体与该第三电晶体导通时该第二电流流经该第二电晶体以及该第三电晶体，以及该第三电流流至该功率开关的该第一端。
6.根据权利要求5所述的开关电路，其特征在于，在该第四电晶体导通且该第一电流流经该第二电阻以及该第四电晶体后，该第三电晶体切换至截止状态。
7.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，该第三电阻的一第二端耦接于该第一电源电压或一外部电源所提供的电源电压。
8.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，该第三电晶体以及该第四电晶体当中的至少一个为一双载子接面电晶体或一金氧半场效电晶体。
9.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，该功率开关为一绝缘闸双极型电晶体或一金氧半场效电晶体。
10.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，还包括︰
一闸极电阻，该闸极电阻的一第一端耦接于该驱动电路的该输出端，以及该闸极电阻的一第二端耦接于该功率开关的该第一端以及该主动钳位电路。
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- 2019-10-21 CN CN201911002715.XA patent/CN112769422A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4191856A4 (en) * | 2020-09-04 | 2024-01-24 | Sunwoda Mobility Energy Tech Co Ltd | ACTIVE TERMINAL PROTECTION CIRCUIT WITH SOFT OFF AND POWER SUPPLY SYSTEM |
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