CN113595541A - 开关管控制装置及开关管设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种开关管控制装置及开关管设备，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，电压检测电路可以将开关管第一端的电压反馈至钳位电压控制电路，当开关管关断时，钳位电压控制电路断开，由钳位电路提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路导通，由钳位电压控制电路提供和钳位电路第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，当开关管的第一端的电流达到击穿门槛值时，可通过钳位电路和钳位电压控制电流使电流进入开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低，避免损坏开关管，两级钳位门槛电压降低了误触发钳位的概率，提高了开关管的使用可靠性。

Description

开关管控制装置及开关管设备

技术领域

本申请涉及电路控制技术领域，特别是涉及一种开关管控制装置及开关管设备。

背景技术

开关管是一种用在电路控制中的常用器件，相当于一个电路开关，用于控制电路通断。在开关管导通时，电路导通，在开关管截止时，电路断开。开关管的种类丰富，包括三极管、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体)管和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等，这些种类的开关管因为具有开关速度快或饱和压降小等优点，可以被应用在不同的场合。

然而，开关管在关断时会产生一定的电压尖峰，尤其在大电流过载或者短路情况下关断开关管时，产生的电压尖峰非常大，容易对开关管造成损坏，缩短了开关管的使用寿命，导致传统的开关管使用不可靠。

发明内容

本发明针对传统的开关管使用不可靠的问题，提出了一种开关管控制装置及开关管设备，该开关管控制装置及开关管设备可以达到延长开关管使用寿命，提高开关管的使用可靠性的技术效果。

一种开关管控制装置，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，所述钳位电路的第一端用于连接开关管的控制端，所述钳位电路的第二端用于连接所述开关管的第一端，所述钳位电压控制电路的第一端连接所述钳位电路的中间端，所述钳位电压控制电路的第二端用于连接所述开关管的控制端，所述电压检测电路的第一端连接所述开关管的第一端，所述电压检测电路的第二端连接所述钳位电压控制电路；

所述电压检测电路用于检测所述开光管的第一端的电压并发送至所述钳位电压控制电路；当所述开关管关断时，所述钳位电压控制电路断开，由所述钳位电路提供第一击穿门槛值；当所述开关管导通时，所述钳位电压控制电路导通，由所述钳位电压控制电路和所述钳位电路提供第二击穿门槛值；所述第一击穿门槛值大于所述第二击穿门槛值。

一种开关管设备，包括开关管和如上述的开关管控制装置。

上述开关管控制装置及开关管设备，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，钳位电路的第一端用于连接开关管的控制端，钳位电路的第二端用于连接开关管的第一端，钳位电压控制电路的第一端连接钳位电路的中间端，钳位电压控制电路的第二端用于连接开关管的控制端，电压检测电路的第一端连接开关管的第一端，电压检测电路的第二端连接钳位电压控制电路。电压检测电路可以将开关管第一端的电压反馈至钳位电压控制电路，使钳位电压控制电路的导通状态由开关管的导通状态决定，当开关管关断时，钳位电压控制电路断开，由钳位电路提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路导通，由钳位电压控制电路提供和钳位电路第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，当开关管的第一端的电流过大，达到击穿门槛值时，可通过钳位电路和钳位电压控制电流使电流进入开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低，避免损坏开关管，延长了开关管的使用寿命，钳位电路和钳位电压控制电路可以提供两级钳位门槛电压，降低了误触发钳位的概率，可以更好保护开关管，该种控制方法成本低，电路简单，容易实现，提高了开关管的使用可靠性。

在其中一个实施例中，所述钳位电路包括双向瞬态电压抑制二极管和单向瞬态电压抑制二极管，所述双向瞬态电压抑制二极管一端连接所述开关管的第一端，另一端连接所述单向瞬态电压抑制二极管的阴极，所述单向瞬态电压抑制二极管的阳极用于连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，所述单向瞬态抑制二极管的数量为两个以上，各所述单向瞬态抑制二极管同向串联。

在其中一个实施例中，所述钳位电压控制电路包括比较器和第一控制开关，所述比较器的输入端连接所述电压检测电路的第二端，所述比较器的输出端连接所述第一控制开关的控制端，所述第一控制开关的第一端连接所述钳位电路的中间端，所述第一控制开关的第二端用于连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，所述钳位电压控制电路还包括下拉电阻和第一限流电阻，所述比较器的输出端通过所述第一限流电阻连接所述第一控制开关的控制端，所述第一控制开关的控制端通过所述下拉电阻连接所述第一控制开关的第二端。

在其中一个实施例中，所述电压检测电路包括第一二极管、第二二极管、第二限流电阻、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第一电容，所述第一二极管的阴极用于连接所述开关管的第一端，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述第二限流电阻，所述第一分压电阻用于接入电源，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端连接所述第二限流电阻远离所述第二二极管的一端，并连接所述所述钳位电压控制电路，所述第三分压电阻一端连接所述第二分压电阻远离所述第一分压电阻的一端，另一端用于连接所述开关管的负压关断电源，所述第一电容一端连接所述第二分压电阻和所述第三分压电阻的公共端，另一端用于连接所述开关管的负压关断电源。

在其中一个实施例中，开关管控制装置还包括第三二极管和第三限流电阻，所述钳位电路的第二端和所述钳位电压控制电路的第二端均连接所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极用于通过所述第三限流电阻连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，开关管控制装置还包括推挽电路，所述推挽电路连接所述第三二极管的阴极，并用于连接所述开关管的控制端。

在其中一个实施例中，所述推挽电路包括第四限流电阻、驱动芯片、控制开关限流电阻、第二控制开关、第三控制开关、第一控制电阻、第二控制电阻、钳位二极管、第一支撑电容和第二支撑电容；

所述第四限流电阻一端连接所述第三二极管的阴极，另一端连接所述第二控制开关的控制端和所述第三控制开关的控制端的公共端，所述控制开关限流电阻一端连接所述第二控制开关的控制端和所述第三控制开关的控制端，另一端连接所述驱动芯片，所述第一控制电阻一端连接所述第二控制开关的第一端，另一端连接所述钳位二极管的阳极，所述钳位二极管的阳极用于连接所述开关管的控制端，所述钳位二极管的阴极连接所述第二控制开关的第二端，所述第二控制开关的第二端和所述驱动芯片还用于接入电源；

所述第二控制电阻一端连接所述第三控制开关的第一端，另一端用于连接所述开关管的控制端，所述第三控制开关的第二端用于连接所述开关管的负压关断电源，所述第一支撑电容一端连接所述第三控制开关的第二端，另一端接地，所述第二支撑电容一端连接所述第二控制开关的第二端，另一端接地；所述驱动芯片连接所述电压检测电路。

附图说明

图1为一个实施例中开关管控制装置的结构图；

图2为一个实施例中开关管控制装置动作时的示意图；

图3为一个实施例中门槛电压变化示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，提供一种开关管控制装置，该开关管控制装置主要对开关管进行控制，开关管的类型并不唯一，包括但不限于三极管、MOS管和IGBT等，例如可用于对IGBT的集电极电压进行钳位。IGBT兼有高输入阻抗和低导通压降的优点，适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

请参见图1，开关管控制装置包括钳位电路100、钳位电压控制电路200和电压检测电路300，钳位电路100的第一端用于连接开关管的控制端，钳位电路100的第二端用于连接开关管的第一端，钳位电压控制电路200的第一端连接钳位电路100的中间端，钳位电压控制电路200的第二端用于连接开关管的控制端，电压检测电路300的第一端连接开关管的第一端，电压检测电路300的第二端连接钳位电压控制电路200。电压检测电路300用于检测开光管的第一端的电压并发送至钳位电压控制电路200，当开关管关断时，钳位电压控制电路200断开，由钳位电路100提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路200导通，由钳位电压控制电路200和钳位电路100提供第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值。

电压检测电路300可以将开关管第一端的电压反馈至钳位电压控制电路200，使钳位电压控制电路200的导通状态由开关管的导通状态决定。当开关管关断时，钳位电压控制电路200断开，由钳位电路100提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路200导通，由钳位电压控制电路200和钳位电路100提供第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，当开关管的第一端的电流过大，达到击穿门槛值时，可通过钳位电路100和钳位电压控制电流使电流进入开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低，避免损坏开关管，延长了开关管的使用寿命，钳位电路100和钳位电压控制电路200可以提供两级钳位门槛电压，降低了误触发钳位的概率，可以更好保护开关管，该种控制方法成本低，电路简单，容易实现，提高了开关管的使用可靠性。

具体地，钳位电路100的第一端可以理解为钳位电路100的末端，钳位电路100的第二端可以理解为钳位电路100的始端，钳位电路100的始末两端分别用于连接开关管的第一端和控制端。钳位电路100提供第一击穿门槛值，当开关管的第一端电压过高，达到第一击穿门槛值时，电流会从钳位电路100的始端流向钳位电路100的末端，到达开关管的控制端，使开关管的控制端电压抬高，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低。

钳位电压控制电路200的第一端可以理解为钳位电压控制电路200的末端，钳位电压控制电路200的第二端可以理解为钳位电压控制电路200的始端，钳位电压控制电路200的始末两端分别用于连接钳位电路100的中间端和开关管的控制端。其中，钳位电路100的中间端是指钳位电路100中，两个器件之间的端口。当开关管的第一端电压过高时，电流从钳位电路100的始端流入，若此时钳位电压控制电路200断开，则电流继续流经钳位电路100，由钳位电路100的末端流出，此时电路对应的电压阈值为钳位电路100提供的第一击穿门槛值。

电压检测电路300用于检测开光管的第一端的电压并发送至钳位电压控制电路200，钳位电压控制电路200根据接收到的开关管的第一端的电压切换导通或断开的工作状态。开关管在导通和截止时，第一端的电压大小是不一样的，从而可以使钳位电压控制电路200的导通状态由开关管的导通状态决定。电压检测电路300的结构并不是唯一的，可根据实际需求设置，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

当开关管的第一端电压过高时，电流从钳位电路100的始端流入，若此时钳位电压控制电路200导通，则电流流经钳位电路100的一部分，流到钳位电路100的中间端后，再从钳位电路100的中间段流向钳位电压控制电路200，由钳位电压控制电路200的末端流出，到达第一开关管的控制端，此时电路对应的电压阈值为钳位电压控制电路200和钳位电路100提供的第二击穿门槛值。当开关管的第一端电压过高，达到第二击穿门槛值时，电流会从钳位电路100的始端流向钳位电压控制电路200的末端，到达开关管的控制端，使开关管的控制端电压抬高，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低。第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，可以在开关管导通和截止的情况下，由钳位电路100和钳位电压控制电路200提供不同的电压阈值，对不同大小的母线电压都能有效发挥钳位的作用，从而更好地保护开关管，提高开关管的工作性能。

第二击穿门槛值小于第一击穿门槛值，当因为故障或短路导致开关管的第一端的电压升高时，开关管的第一端的电压比较容易达到第二击穿门槛值，钳位电路100和钳位电压控制电路200对开关管的电压进行钳位。第一击穿门槛值较大，开关管的第一端的电压较难达到第一击穿门槛值，可以将有源钳位的门槛电压调高,这样使母线电压较高情况下也不至于碰触到第一击穿门槛值,不容易误触发有源钳位动作，导致炸管，降低开关管损坏的风险。同时在开关管开通过程中，可以通过合理的第二击穿门槛值保持对第一端电位的钳位，从而使开关管得到更好的保护。通过钳位电路100与钳位电压控制电路200结合，实现两级门槛电压钳位控制，有效保护开关管短路和过电压情况。

在一个实施例中，请参见图1，钳位电路100包括双向瞬态电压抑制二极管TVS4和单向瞬态电压抑制二极管，双向瞬态电压抑制二极管TVS4一端连接开关管的第一端，另一端连接单向瞬态电压抑制二极管的阴极，单向瞬态电压抑制二极管的阳极用于连接开关管的控制端。TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态电压抑制二极管)是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能快速将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，起到对开关管的电压进行钳位的作用。

具体地，当TVS应用在钳位电路100中时，钳位电路100包括单向TVS和双向TVS，双向TVS一端连接开关管的第一端，另一端连接单向TVS的阴极，单向TVS的阳极用于连接开关管的控制端。钳位电路100提供的第一击穿门槛值由双向TVS和单向TVS决定，在本实施例中，第一击穿门槛值为双向TVS的击穿电压值和单向TVS的击穿电压值之和。双向TVS可以抑制来自正向和反向的电压脉冲，单向TVS可以抑制从阴极到阳极的电压脉冲。当开关管的第一端处的电压正常，没有超过第一击穿门槛值时，电流无法通过双向TVS和单向TVS到达开关管的控制端，开关管可按原工作状态工作。当开关管的第一端处的电压大于第一击穿门槛值，超过双向TVS和单向TVS击穿点时，会将双向TVS和单向TVS击穿，使电流进入到开关管的控制端，将开关管的控制端电压抬高，使开关管关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低。此外，双向TVS的应用还能限制开关管的控制端的电流流向开关管的第一端，避免开关管工作紊乱，从而提高开关管的工作性能。可以理解，在其他实施例中，钳位电路100也可以为其他结构，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，单向瞬态抑制二极管的数量为两个以上，各单向瞬态抑制二极管同向串联。

具体地，各单向TVS同向串联是指每个单向TVS的阳极和阴极交替连接，各TVS允许通过的电流方向一致。当单向TVS的数量为两个以上时，例如包括TVS1、TVS2、TVS3等，第一击穿电压门槛值由由双向TVS和各个单向TVS决定，在本实施例中，第一击穿门槛值为双向TVS的击穿电压值和各个单向TVS的击穿电压值之和。也就是说，可以通过设置单向TVS的数量调整第一击穿门槛值，一般来说，第一击穿门槛值需要高于最高母线电压值，低于模块耐压值。设置第一击穿门槛值为一个较高的电平后，除非母线电压高于第一击穿门槛值，不然开关管不会因钳位电路100和钳位电压控制电路200导通。如果母线电压大于第一击穿门槛值，双向TVS和各个单向TVS会被击穿，TVS会有电流流向开关管的控制端，抬高开关管的控制端电位，导致开关管被打开，开关管会一直工作在线性区，产生很大的损耗，容易导致开关管损坏，因此该开关管控制装置应用在母线电压小于第一击穿门槛值的情况下可以对开关管起到更好的保护作用。

在一个实施例中，请参见图1-2，钳位电压控制电路200包括比较器U2和第一控制开关Q3，比较器U2的输入端连接电压检测电路300的第二端，比较器U2的输出端连接第一控制开关Q3的控制端，第一控制开关Q3的第一端连接钳位电路100的中间端，第一控制开关Q3的第二端用于连接开关管的控制端。

具体地，比较器U2包括两个输入端，其中一个输入端连接电压检测电路300的第二端，用于接收电压检测电路300检测到的开关管的第一端处的电压。比较器U2的另外一个输入端用于接入参考电压，参考电压的具体数值可根据实际需求选择，一般为5-10V内的数值均可。比较器U2将开关管的第一端处的电压与参考电压比较，根据比较结果输出高低电平。例如，当开关管的第一端的电压大于参考电压时，比较器U2的输出端输出高电平，当开关管的第一端的电压小于参考电压时，比较器U2的输出端输出低电平。

比较器U2的输出端连接第一控制开关Q3的控制端，第一控制开关Q3根据控制端接收到的高低电平不同自身的导通截止状态也不同。例如，当第一控制开关Q3的控制端接收到低电平时，此时第一控制开关Q3关断，电流无法从第一控制开关Q3的第一端流向第二端，相当于此时钳位电压控制电路200不投入使用，由钳位电路100提供第一击穿门槛值。当第一控制开关Q3的控制端接收到高电平时，此时第一控制开关Q3导通，电流从开关管的第一端和钳位电路100的第二端流入，到达钳位电路100的中间端后，流经钳位电压控制电路200中的第一控制开关Q3到达开关管的控制端，相当于此时钳位电压控制电路200和部分钳位电路100投入使用，由钳位电压控制电路200和钳位电路100提供第二击穿门槛值。可以理解，在其他实施例中，钳位电压控制电路200也可以为其他结构，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，请参见图1-2，钳位电压控制电路200还包括下拉电阻R3和第一限流电阻R4，比较器U2的输出端通过第一限流电阻R4连接第一控制开关Q3的控制端，第一控制开关Q3的控制端通过下拉电阻R3连接第一控制开关Q3的第二端。

具体地，比较器U2的输出端通过第一限流电阻R4连接第一控制开关Q3的控制端，第一限流电阻R4可以限制流到第一控制开关Q3的控制端处的电流大小，避免第一控制开关Q3的控制端处的电流过大导致第一控制开关Q3烧毁，从而提高第一控制开关Q3的工作性能。第一限流电阻R4的阻值并不是唯一的，可根据实际需求选择，只要本领域技术人员认为可以实现即可。第一控制开关Q3的控制端通过下拉电阻R3连接第一控制开关Q3的第二端，可以提高第一控制开关Q3的开关性能，从而提高钳位电压控制电路200的工作性能。

在一个实施例中，请参见图1-2，电压检测电路300包括第一二极管D4、第二二极管D3、第二限流电阻R8、第一分压电阻R6、第二分压电阻R5、第三分压电阻R7和第一电容C3，第一二极管D4的阴极用于连接开关管的第一端，第一二极管D4的阳极连接第二二极管D3的阴极，第二二极管D3的阳极连接第二限流电阻R8，第一分压电阻R6用于接入电源，第一分压电阻R6和第二分压电阻R5的公共端连接第二限流电阻R8远离第二二极管D3的一端，并连接钳位电压控制电路200，第三分压电阻R7一端连接第二分压电阻R5远离第一分压电阻R6的一端，另一端用于连接开关管的负压关断电源，第一电容C3一端连接第二分压电阻R5和第三分压电阻R7的公共端，另一端用于连接开关管的负压关断电源。

具体地，电压检测电路300同时也是驱动的开关管退饱和检测电路。电压检测电路300包括第一二极管D4、第二二极管D3、第二限流电阻R8、第一分压电阻R6、第二分压电阻R5、第三分压电阻R7和第一电容C3。第一分压电阻R6和第二分压电阻R5的公共端作为电压检测电路300的第二端，连接钳位电压控制电路200，当钳位电压控制电路200包括比较器U2时，第一分压电阻R6和第二分压电阻R5的公共端连接比较器U2的输入端。在开关管处于关断状态时，通过第一分压电阻R6和第二分压电阻R5将第一分压电阻R6接入的电源进行分压，得到VA，通过匹配第一分压电阻R6和第二分压电阻R5，可使该点电压大于比较器U2的另一输入端接入的参考电压Vref(可设置在5-10V左右)，比较器U2将VA与Vref进行比较，输出高电平或低电平。第一电容C3一端连接第二分压电阻R5和第三分压电阻R7的公共端，另一端用于连接开关管的负压关断电源。负压关断电源范围一般为-5V到-10V，具体取值不唯一。第一电容C3可以起到滤波的作用，提高电压检测电路300的工作性能。

在开关管处于导通状态时，第一分压电阻R6接入的VCC电源将通过第一分压电阻R6、第二限流电阻R8、第二二极管D3、第一二极管D4之后流过开关管的第一端和第二端。由于第一二极管D4和第二二极管D3处在导通状态，每个二极管压降大约为0.7V，开关管的第一端和第二端电压之间的电压一般也在2V左右，此时第一分压电阻R6和第二分压电阻R5的公共端电压VA处在一个较低的电平约3.4V，且一般会小于Vref，从而使比较器U2U2输出的电平开通第一控制开关Q3，该方法控制，简单方便，易于实现。第二分压电阻R5和第三分压电阻R7的公共端连接驱动芯片U1，具体可连接驱动芯片U1的DASET管脚。由于VA处在一个较低的电平，通过第二分压电阻R5和第三分压电阻R7分压后，可使驱动芯片U1DASET管脚处在一个低电平状态，不会误触发保护。

在一个实施例中，请参见图1-2，开关管控制装置还包括第三二极管D1和第三限流电阻R2，钳位电路100的第二端和钳位电压控制电路200的第二端均连接第三二极管D1的阳极，第三二极管D1的阴极用于通过第三限流电阻R2连接开关管的控制端。

具体地，通过应用第三二极管D1可以限制电路流向，使需要对开关管进行钳位时，电流只能从钳位电路100的第二端或钳位电压控制电路200的第二端经过第三二极管D1和第三限流电阻R2到达开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，避免对开关管造成进一步的损坏。第三限流电阻R2连接开关管的控制端，可以限制流到开关管的控制端处的电流大小，避免开关管的控制端处的电流过大导致开关管烧毁，从而提高开关管的工作性能。

在一个实施例中，请参见图1，开关管控制装置还包括推挽电路400，推挽电路400连接第三二极管D1的阴极，并用于连接开关管的控制端。推挽电路400将钳位电路100或钳位电压控制电路200输出的电流分流至推挽电路400前端，减少了流过钳位电路100或钳位电压控制电路200的电流，提高了有源钳位的性能。同时在原有的钳位环路中增加了一个内馈环路，提供了电流增益，从而使电流能很快的流入到开关管的控制端，提高了有源钳位的响应速度及效果。

推挽电路400的结构并不是唯一的，在一个实施例中，请参见图1-2，推挽电路400包括第四限流电阻R1、驱动芯片U1、控制开关限流电阻Rgin、第二控制开关Q1、第三控制开关Q2、第一控制电阻Rgon、第二控制电阻Rgoff、钳位二极管D2、第一支撑电容C1和第二支撑电容C2。第四限流电阻R1一端连接第三二极管D1的阴极，另一端连接第二控制开关Q1的控制端和第三控制开关Q2的控制端的公共端，控制开关限流电阻Rgin一端连接第二控制开关Q1的控制端和第三控制开关Q2的控制端，另一端连接驱动芯片U1，第一控制电阻Rgon一端连接第二控制开关Q1的第一端，另一端连接钳位二极管D2的阳极，钳位二极管D2的阳极用于连接开关管的控制端，钳位二极管D2的阴极连接第二控制开关Q1的第二端，第二控制开关Q1的第二端和驱动芯片U1还用于接入电源。第二控制电阻Rgoff一端连接第三控制开关Q2的第一端，另一端用于连接开关管的控制端，第三控制开关Q2的第二端用于连接开关管的负压关断电源，第一支撑电容C1一端连接第三控制开关Q2的第二端，另一端接地，第二支撑电容C2一端连接第二控制开关Q1的第二端，另一端接地，驱动芯片U1连接电压检测电路300。

具体地，第三二极管D1的阴极通过第四限流电阻R1连接第二控制开关Q1和第三控制开关Q2的控制端，驱动芯片U1也通过控制开关限流电阻Rgin连接第二控制开关Q1和第三控制开关Q2的控制端，第四限流电阻R1和控制开关限流电阻Rgin可以限制流向第二控制开关Q1和第三控制开关Q2的控制端的大小，避免电流过大损坏第二控制开关Q1和第三控制开关Q2。驱动芯片U1的类型并不是唯一的，可以为LED系列芯片或驱动光耦芯片等。第一控制电阻Rgon和第二控制电阻Rgoff为驱动第二控制开关Q1和第三控制开关Q2的开通、关断电阻。钳位二极管D2的阳极用于连接开关管的控制端，阴极连接第二控制开关Q1的第二端，为开关管的控制端电压的钳位二极管D2。第一支撑电容C1和第二支撑电容C2为电源VCC(﹢15V电源)到VEE(参考地)、VEE到COM(开关管的负压关断电源，范围一般-5V到-10V)的支撑电容。驱动芯片U1连接电压检测电路300，具体为驱动芯片U1的DASET管脚连接电压检测电路300。

可扩展地，驱动芯片U1还用于接入来自电机主控板的脉宽调制波形，即PWM波。第一控制开关Q3、第二控制开关Q1、第三控制开关Q2和开关管的类型并不是唯一的，以第一控制开关Q3为N沟道MOS管，第二控制开关Q1为NPN三极管，第三控制开关Q2为PNP三极管，开关管为IGBT为例，当PWM波为低电平时，驱动芯片U1输出为低电平，控制NPN三极管关断，控制PNP三极管开通，会将IGBT的栅极电位拉低到COM的电平，让IGBT保持关断截止状态。当PWM波为高电平时，驱动芯片U1输出为高电平，控制NPN三极管开通，PNP三极管断开，此时会将IGBT的栅极的电位拉高到VCC电平，开通IGBT。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。请参见图1，在一个实施例中，开关管控制装置包括钳位电路100、钳位电压控制电路200、第三二极管D1、第三限流电阻R2、电压检测电路300和推挽电路400，其中第三二极管D1、第三限流电阻R2也可以属于钳位电路100，开关管为IGBT，第一控制开关Q3为N沟道MOS管，第二控制开关Q1为NPN三极管，第三控制开关Q2为PNP三极管。

具体地，请参见图1，钳位电路包括TVS4、TVS3、TVS2、TVS1、D1、R2，TVS4为双向瞬态电压抑制二极管，TVS3、TVS2、TVS1为单向的瞬态抑制二极管，第一击穿门槛值Vz1由TVS4、TVS3、TVS2、TVS1的各自击穿电压值VBR之和决定，其中TVS1和TVS4之间，可根据第一击穿门槛值需求，串联一个或多个单向的瞬态抑制二极管，第二击穿门槛值Vz2为Vz1减去TVS1的击穿电压值。第一击穿门槛值根据需求确认，需要高于最高母线电压值，低于模块耐压值。

钳位电压控制电路包括Q3、R3、R4、U2，Q3为N沟道MOSFET，R3为下拉电阻，R4为MOSFET Q3的门极限流电阻，U2为比较器。

电压检测电路包括C3、R5、R6、R7、R8、D3、D4，同时也是驱动的IGBT退饱和检测电路，驱动芯片的DASET管脚，D3、D4为耐高压的二极管，R5、R6、R7为分压电阻，R8为限流电阻。在A点上拉的R6电阻接到了VCC电源。

推挽电路包括R1、U1、Rgin、Q1、Q2、Rgon、Rgoff、D2、C1、C2，同时也是该IGBT的驱动PW波的推挽放大电路。R1为限流电阻，U1为驱动芯片，如LED系列芯片或驱动光耦芯片等。Q1为NPN三极管，Q2为PNP三极管，Rgin为推挽放大三极管Q1、Q2的限流开通电阻，Rgon、Rgoff为驱动IGBT的开通、关断电阻，D2为IGBT的栅极电压钳位二极管，C1、C2为电源VCC(﹢15V电源)到VEE(参考地)、VEE到COM(IGBT的负压关断电源，范围一般-5V到-10V)的支撑电容。

PWM为电机主控板发出的脉宽调制波形，当PWM波为低电平时，驱动芯片U1输出为低电平，控制NPN三极管Q1关断，控制PNP三极管Q2开通，会将栅极G电位拉低到COM的电平，让IGBT保持关断截止状态。此时，由于IGBT关断状态，驱动芯片会将DASET电流源下拉到COM，通过R5、R6电阻将VCC进行分压，得到VA。通过匹配R5、R6电阻，使该点电压大于Vref(可设置在5-10V左右)，比较器U2输出低电平，从而控制MOS管Q3处于关断截止状态。此时的有源钳位电路的击穿门槛电压为Vz1，该电平可以设置为一个较高的电平，较高是指相对于Vz2更高。Vz2路径不经过TVS1，因此Vz1＝Vz2+Vtvs1。除非母线电压高于Vz1，不然IGBT不会因有源钳位电路导通。如果母线电压大于Vz1时，TVS1、TVS2、TVS3、TVS4会被击穿，TVS会有电流流向IGBT的栅极G，抬高栅极电位，导致IGBT被打开，IGBT会一直工作在线性区，产生很大的损耗，容易导致IGBT损坏，因此该电路一般应用在母线电压小于Vz1的情况下。

请参见图1-2,当PWM波为高电平时，驱动芯片U1输出为高电平，控制NPN三极管Q1开通，PNP三极管Q2断开，此时会将栅极G的电位拉高到VCC电平，开通IGBT。此时由于IGBT处于导通状态，Vce电压为IGBT的导通压降，VCC电源将通过R6、R8、D3、D4之后流过IGBT的CE，由于二极管D3、D4处在导通状态，每个二极管压降为0.7V，IGBT的VCE一般也在2V左右，此时在VA处在一个较低的电平约3.4V，且会小于Vref，从而使比较器U2输出高电平，使MOS管Q3的门极电压高于源极电压，开通MOS管Q3，该方法控制，简单方便，易于实现。同时由于VA处在一个较低的电平，通过R5、R7分压后，可保证驱动芯片DASET管脚处在一个低电平状态，不会误触发保护。

在这个IGBT的关断瞬间，如IGBT集电极-发射极的电压Vce达到Vt之后，Vt大于VCC电压。Vt和Vcc值接近，就是说Vce大于Vcc电压后，D3、D4将会截止，所以Vt约等于Vcc电压。此时D3、D4处于截止状态，从而使VA电压处在高电平状态，比较器U2输出低电平，从而控制MOS管Q3处于关断截止状态，此时的有源钳位电路的击穿门槛电压为Vz1，保证电压尖峰不致于触发经常触发有源钳位的门槛电压值。钳位动作时，具体示意图见图3。

当母线电压过高时，如果在PWM波开通过程，电压击穿点为第二击穿电压门槛值Vz2，有源钳位电路将会被击穿，有集电极电路流过TVS4、TVS3、TVS2、Q3到达B点。如果PWM为关断瞬间或关断状态时，电压击穿点为第二击穿电压门槛值Vz1，有源钳位电路将会被击穿，有集电极电路流过TVS4、TVS3、TVS2、TVS1到达B点。之后经过D1之后一分为二，一路经过R2限流后,流进IGBT栅极G，使栅极电位得以抬升，从而使关断电流不会过于陡峭，进而抑制Vce电压上升，从TVS到IGBT的栅极回路，从而形成一个负反馈的电路，该电路要求线路尽量短，提高响应速度。此时Vz1≈Vce，因此控制住TVS上的电压就能控制住IGBT的集电极电压Vce。另一路经过R1后，使Q1保持开通，Q2保持关断，使电源VCC提供电流给到IGBT栅极，这种将TVS的电流引到推挽电路前的方法相对于给TVS电流增加了增益，形成了一个内馈回路，提高了电路钳位的性能。

短路情况时，通过VCE电压监控电路，在PWM开通，且Vce电压高于VCC时，二极管D3、D4进入截止状态，通过上拉的VCC电流源给电容C3充电，使其达到高电平状态，触发驱动芯片关闭PWM，达到保护的目的。短路就是高压母线电源全部施加在一个IGBT上。正常三相逆变器有上下IGBT桥臂，并外接了电机。工作时，如，上管开，下管关，则高压母线正极经过上管IGBT(PWM波为高，使IGBT导通)，再经过电机电感，再经过另外一个桥臂的下管，再到高压母线的负极。短路时，如上管开通，不经过电机电感，上管发射E直接到高压电压负端。此时高压母线电源全部施加在上管IGBT上，使得电流迅速上升，达到IGBT退饱和状态，从而使IGBT的Vce迅速上升高于VCC，从而使D3、D4截止，进入保护状态关断上管IGBT。

因此在IGBT保持关断的过程中，通过本申请的开关管控制装置可以将有源钳位的门槛电压调高,这样使母线电压较高情况下也不至于碰触到第一门槛电压Vz1,不容易误触发有源钳位动作，导致炸管，降低的IGBT损坏的风险。同时在IGBT开通过程中，可以通过合理的第二门槛电压值Vz2保持对集电极电位的钳位，从而使IGBT得到更好的保护，同时在关断过程中保证Vz1的第一门槛电压，使有源钳位不会经常动作，有效保护钳位二极管不会轻易动作。同时可通过退饱和检测电路与有源钳位电路结合，实现两级门槛电压钳位控制，有效保护IGBT短路和过电压情况。

上述开关管控制装置，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，钳位电路的第一端用于连接开关管的控制端，钳位电路的第二端用于连接开关管的第一端，钳位电压控制电路的第一端连接钳位电路的中间端，钳位电压控制电路的第二端用于连接开关管的控制端，电压检测电路的第一端连接开关管的第一端，电压检测电路的第二端连接钳位电压控制电路。电压检测电路可以将开关管第一端的电压反馈至钳位电压控制电路，使钳位电压控制电路的导通状态由开关管的导通状态决定，当开关管关断时，钳位电压控制电路断开，由钳位电路提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路导通，由钳位电压控制电路提供和钳位电路第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，当开关管的第一端的电流过大，达到击穿门槛值时，可通过钳位电路和钳位电压控制电流使电流进入开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低，避免损坏开关管，延长了开关管的使用寿命，钳位电路和钳位电压控制电路可以提供两级钳位门槛电压，降低了误触发钳位的概率，可以更好保护开关管，该种控制方法成本低，电路简单，容易实现，提高了开关管的使用可靠性。

在一个实施例中，提供一种开关管设备，包括开关管和如上述的开关管控制装置。

上述开关管设备，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，钳位电路的第一端用于连接开关管的控制端，钳位电路的第二端用于连接开关管的第一端，钳位电压控制电路的第一端连接钳位电路的中间端，钳位电压控制电路的第二端用于连接开关管的控制端，电压检测电路的第一端连接开关管的第一端，电压检测电路的第二端连接钳位电压控制电路。电压检测电路可以将开关管第一端的电压反馈至钳位电压控制电路，使钳位电压控制电路的导通状态由开关管的导通状态决定，当开关管关断时，钳位电压控制电路断开，由钳位电路提供第一击穿门槛值，当开关管导通时，钳位电压控制电路导通，由钳位电压控制电路提供和钳位电路第二击穿门槛值，第一击穿门槛值大于第二击穿门槛值，当开关管的第一端的电流过大，达到击穿门槛值时，可通过钳位电路和钳位电压控制电流使电流进入开关管的控制端，抬高开关管的控制端的电压，使关断电流速度不会过快，从而将电压尖峰降低，避免损坏开关管，延长了开关管的使用寿命，钳位电路和钳位电压控制电路可以提供两级钳位门槛电压，降低了误触发钳位的概率，可以更好保护开关管，该种控制方法成本低，电路简单，容易实现，提高了开关管的使用可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种开关管控制装置，其特征在于，包括钳位电路、钳位电压控制电路和电压检测电路，所述钳位电路的第一端用于连接开关管的控制端，所述钳位电路的第二端用于连接所述开关管的第一端，所述钳位电压控制电路的第一端连接所述钳位电路的中间端，所述钳位电压控制电路的第二端用于连接所述开关管的控制端，所述电压检测电路的第一端连接所述开关管的第一端，所述电压检测电路的第二端连接所述钳位电压控制电路；

所述电压检测电路用于检测所述开光管的第一端的电压并发送至所述钳位电压控制电路；当所述开关管关断时，所述钳位电压控制电路断开，由所述钳位电路提供第一击穿门槛值；当所述开关管导通时，所述钳位电压控制电路导通，由所述钳位电压控制电路和所述钳位电路提供第二击穿门槛值；所述第一击穿门槛值大于所述第二击穿门槛值。

2.根据权利要求1所述的开关管控制装置，其特征在于，所述钳位电路包括双向瞬态电压抑制二极管和单向瞬态电压抑制二极管，所述双向瞬态电压抑制二极管一端连接所述开关管的第一端，另一端连接所述单向瞬态电压抑制二极管的阴极，所述单向瞬态电压抑制二极管的阳极用于连接所述开关管的控制端。

3.根据权利要求2所述的开关管控制装置，其特征在于，所述单向瞬态抑制二极管的数量为两个以上，各所述单向瞬态抑制二极管同向串联。

4.根据权利要求1所述的开关管控制装置，其特征在于，所述钳位电压控制电路包括比较器和第一控制开关，所述比较器的输入端连接所述电压检测电路的第二端，所述比较器的输出端连接所述第一控制开关的控制端，所述第一控制开关的第一端连接所述钳位电路的中间端，所述第一控制开关的第二端用于连接所述开关管的控制端。

5.根据权利要求4所述的开关管控制装置，其特征在于，所述钳位电压控制电路还包括下拉电阻和第一限流电阻，所述比较器的输出端通过所述第一限流电阻连接所述第一控制开关的控制端，所述第一控制开关的控制端通过所述下拉电阻连接所述第一控制开关的第二端。

6.根据权利要求1所述的开关管控制装置，其特征在于，所述电压检测电路包括第一二极管、第二二极管、第二限流电阻、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第一电容，所述第一二极管的阴极用于连接所述开关管的第一端，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述第二限流电阻，所述第一分压电阻用于接入电源，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的公共端连接所述第二限流电阻远离所述第二二极管的一端，并连接所述所述钳位电压控制电路，所述第三分压电阻一端连接所述第二分压电阻远离所述第一分压电阻的一端，另一端用于连接所述开关管的负压关断电源，所述第一电容一端连接所述第二分压电阻和所述第三分压电阻的公共端，另一端用于连接所述开关管的负压关断电源。

7.根据权利要求1所述的开关管控制装置，其特征在于，还包括第三二极管和第三限流电阻，所述钳位电路的第二端和所述钳位电压控制电路的第二端均连接所述第三二极管的阳极，所述第三二极管的阴极用于通过所述第三限流电阻连接所述开关管的控制端。

8.根据权利要求7所述的开关管控制装置，其特征在于，还包括推挽电路，所述推挽电路连接所述第三二极管的阴极，并用于连接所述开关管的控制端。

9.根据权利要求8所述的开关管控制装置，其特征在于，所述推挽电路包括第四限流电阻、驱动芯片、控制开关限流电阻、第二控制开关、第三控制开关、第一控制电阻、第二控制电阻、钳位二极管、第一支撑电容和第二支撑电容；

所述第四限流电阻一端连接所述第三二极管的阴极，另一端连接所述第二控制开关的控制端和所述第三控制开关的控制端的公共端，所述控制开关限流电阻一端连接所述第二控制开关的控制端和所述第三控制开关的控制端，另一端连接所述驱动芯片，所述第一控制电阻一端连接所述第二控制开关的第一端，另一端连接所述钳位二极管的阳极，所述钳位二极管的阳极用于连接所述开关管的控制端，所述钳位二极管的阴极连接所述第二控制开关的第二端，所述第二控制开关的第二端和所述驱动芯片还用于接入电源；

所述第二控制电阻一端连接所述第三控制开关的第一端，另一端用于连接所述开关管的控制端，所述第三控制开关的第二端用于连接所述开关管的负压关断电源，所述第一支撑电容一端连接所述第三控制开关的第二端，另一端接地，所述第二支撑电容一端连接所述第二控制开关的第二端，另一端接地；所述驱动芯片连接所述电压检测电路。

10.一种开关管设备，其特征在于，包括开关管和如权利要求1-9任意一项所述的开关管控制装置。

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