CN114069562A

CN114069562A - 一种有源钳位保护电路

Info

Publication number: CN114069562A
Application number: CN202111368143.4A
Authority: CN
Inventors: 郝一; 李卫国; 徐云飞; 卜宪德; 李青平; 卢娟娟
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Global Energy Interconnection Research Institute
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2021-11-18
Publication date: 2022-02-18

Abstract

本发明提供的一种有源钳位保护电路，包括：待保护器件、钳位电路及下拉电路，其中，待保护器件的漏极与钳位电路的一端连接，待保护器件的栅极分别与外部控制电路及下拉电路的第一端连接，待保护器件的源极与下拉电路的第二端连接后接地，下拉电路的控制端与钳位电路的另一端连接；通过设置钳位电路及下拉电路，在待保护器件漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路导通，下拉电路将待保护器件的栅极电压拉低，强行关断待保护器件。既降低了待保护器件两端电压尖峰，又可以避免由于有源钳位动作导致待保护器件二次导通。

Description

一种有源钳位保护电路

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种有源钳位保护电路。

背景技术

SiC MOSFET可以大幅提升变流器的效率和功率密度，在高频、高温、高压等领域有较好的应用前景，但由于其更快的开关速度，可能会造成较为严重的电压振荡现象，而振荡电压尖峰若不加以限制则很容易造成SiC MOSFET器件的损坏。

有源钳位电路的目的在于钳住功率器件两端的电位，使器件两端电压不会超过预定标准，在开关过程中避免产生过高或过陡的电压尖峰，从而保护功率器件。但是，目前常见的有源钳位电路会带来另一个问题，即功率器件的二次导通问题。虽然有源钳位电路可以限制功率器件两端的电压尖峰，但是在触发有源钳位的同时会向功率器件栅极注入电流，可能导致功率器件再次开通，从而导致短路问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的有源钳位电路容易导致功率器件的二次导通的缺陷，从而提供一种有源钳位保护电路。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种有源钳位保护电路，包括：待保护器件、钳位电路及下拉电路，其中，所述待保护器件的漏极与所述钳位电路的一端连接，所述待保护器件的栅极分别与外部控制电路及所述下拉电路的第一端连接，所述待保护器件的源极与所述下拉电路的第二端连接后接地，所述下拉电路的控制端与所述钳位电路的另一端连接；所述外部控制电路通过输出栅极电压控制所述待保护器件导通或关断，当所述待保护器件漏源极两端电压超过预设阈值时，触发所述钳位电路导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制所述下拉电路导通，所述下拉电路将所述待保护器件的栅极电压拉低，强行关断所述待保护器件，当所述待保护器件漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发所述钳位电路关断，控制所述下拉电路关断。

可选地，所述下拉电路，包括：第一可控开关、第一电阻及第二电阻，其中，所述第一电阻的一端与所述钳位电路的另一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一可控开关的控制端连接，所述第一可控开关的第一端通过所述第二电阻分别与所述外部控制电路及所述待保护器件的栅极连接，所述第一可控开关的第二端接地。

可选地，所述钳位电路，包括：快恢复二极管及多个单向TVS二极管，其中，多个所述单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，所述TVS二极管群的阴极与所述待保护器件的漏极连接，所述TVS二极管群的阳极与所述快恢复二极管的阳极连接，所述快恢复二极管的阴极与所述第一电阻的一端连接。

可选地，所述钳位电路，包括：双向TVS二极管及多个单向TVS二极管，其中，多个所述单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，所述TVS二极管群的阴极通过所述双向TVS二极管与所述待保护器件的漏极连接，所述TVS二极管群的阳极与所述第一电阻的一端连接。

可选地，有源钳位保护电路还包括：控制电路，所述控制电路，包括：控制模块及功率放大模块，其中，所述控制模块与所述功率放大模块的一端连接，用于生成控制信号，将所述控制信号输送至所述功率放大模块；所述功率放大模块的另一端与所述待保护器件的栅极连接，用于将控制信号进行放大处理，输出栅极电压控制所述待保护器件导通或关断。

可选地，有源钳位保护电路还包括：第三电阻及第四电阻，其中，所述第三电阻的一端与所述功率放大模块的另一端连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端及所述第二电阻的一端连接；所述第四电阻的另一端与所述待保护器件的栅极连接。

可选地，TVS二极管的数量根据所需钳位电压和TVS二极管等级进行匹配。

可选地，所述待保护器件为SiC MOSFET。

可选地，所述第一可控开关为三极管。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的一种有源钳位保护电路，包括：待保护器件、钳位电路及下拉电路，其中，待保护器件的漏极与钳位电路的一端连接，待保护器件的栅极分别与外部控制电路及下拉电路的第一端连接，待保护器件的源极与下拉电路的第二端连接后接地，下拉电路的控制端与钳位电路的另一端连接；外部控制电路通过输出栅极电压控制待保护器件导通或关断，当待保护器件漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路导通，下拉电路将待保护器件的栅极电压拉低，强行关断待保护器件，当待保护器件漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发钳位电路关断，控制下拉电路关断。通过设置钳位电路及下拉电路，在待保护器件漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路导通，下拉电路将待保护器件的栅极电压拉低，强行关断待保护器件。既降低了待保护器件两端电压尖峰，又可以避免由于有源钳位动作导致待保护器件二次导通。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例中有源钳位保护电路的一个具体示例的原理框图；

图2为本发明实施例中一个具体示例的有源钳位保护电路图；

图3为本发明实施例中另一个具体示例的有源钳位保护电路图；

图4为本发明实施例中Q1的电流、漏源极电压和栅极电压关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种有源钳位保护电路，如图1所示，包括：待保护器件1、钳位电路2及下拉电路3，其中，待保护器件1的漏极与钳位电路2的一端连接，待保护器件1的栅极分别与外部控制电路及下拉电路3的第一端连接，待保护器件1的源极与下拉电路3的第二端连接后接地，下拉电路3的控制端与钳位电路2的另一端连接。外部控制电路通过输出栅极电压控制待保护器件1导通或关断。当待保护器件1漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路2导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路3导通，下拉电路3将待保护器件1的栅极电压拉低，强行关断待保护器件1，当待保护器件1漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发钳位电路2关断，控制下拉电路3关断。

在一具体实施例中，待保护器件1的漏极外接Vcc电压，源极接地，栅极与外部控制电路连接，用于通过接收外部控制电路发送的栅极电压控制自身导通或关断。当外部控制电路发送的栅极电压为正电压时，待保护器件1导通；当外部控制电路发送的栅极电压为负电压时，待保护器件1关断。

在本发明实施例中，待保护器件1的漏极还与钳位电路2的一端连接，用于在待保护器件1漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路2导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路3导通，下拉电路3将待保护器件1的栅极电压拉低，强行关断待保护器件1。

具体地，当外部控制电路向待保护器件1的栅极发送负电压时，待保护器件1的栅极电压开始下降，漏源极电压开始上升，待保护器件1进入关断过程。当待保护器件1漏源极两端电压超过预设阈值时，触发钳位电路2导通。钳位电路2吸收漏源极间峰值电压，并控制下拉电路3导通。下拉电路3将待保护器件1的栅极电压拉低至0V，强行关断待保护器件1。而当待保护器件1漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发钳位电路2关断，控制下拉电路3关断，此时待保护器件1的栅极电压再次被拉低至负电压。在本发明实施例中，待保护器件1为SiC MOSFET，预设阈值根据实际需要设置。

在一实施例中，如图2所示，下拉电路3，包括：第一可控开关Q2、第一电阻R1及第二电阻R2，其中，第一电阻R1的一端与钳位电路2的另一端连接，第一电阻R1的另一端与第一可控开关Q2的控制端连接，第一可控开关Q2的第一端通过第二电阻R2分别与外部控制电路及待保护器件1的栅极连接，第一可控开关Q2的第二端接地。

在一具体实施例中，第一电阻R1及第二电阻R2均为限流电阻，用于限制回路中电流。待保护器件1为MOS管Q1。当待保护器件1漏源极两端电压超过预设阈值时，钳位电路2导通。钳位电路2吸收漏源极间峰值电压后，通过向第一可控开关Q2的控制端输送导通电压，触发第一可控开关Q2导通。第一可控开关Q2导通后，待保护器件1的栅极电压通过第二电阻R2、第一可控开关Q2放电至地，栅极电压被拉低至0V，从而强行关断待保护器件1。而当待保护器件1漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发钳位电路2关断。钳位电路2停止向第一可控开关Q2的控制端输送导通电压，第一可控开关Q2关断。此时待保护器件1的栅极电压停止对地放电，其栅极电压再次被拉低至负电压。在本发明实施例中，第一可控开关Q2为三极管。

在一实施例中，钳位电路2，包括：快恢复二极管及多个单向TVS二极管，其中，多个单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，TVS二极管群的阴极与待保护器件1的漏极连接，TVS二极管群的阳极与快恢复二极管的阳极连接，快恢复二极管的阴极与第一电阻R1的一端连接。

在一具体实施例中，如图2所示，钳位电路2以一个快恢复二极管D1及5个单向TVS二极管TVS为例进行说明。5个单向TVS二极管分别为TVS二极管Z1、TVS二极管Z2、TVS二极管Z3、TVS二极管Z4及TVS二极管Z5。其中，TVS二极管Z1的阴极与待保护器件1的漏极连接，TVS二极管Z1、TVS二极管Z2、TVS二极管Z3、TVS二极管Z4及TVS二极管Z5依次串联连接，快恢复二极管D1经第一电阻R1后连接到三级管Q2的基极。在本发明实施例中，TVS二极管的数量根据所需钳位电压和TVS二极管等级进行匹配。

在一实施例中，钳位电路2，包括：双向TVS二极管及多个单向TVS二极管，其中，多个单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，TVS二极管群的阴极通过双向TVS二极管与待保护器件1的漏极连接，TVS二极管群的阳极与第一电阻R1的一端连接。

在一具体实施例中，如图3所示，钳位电路2以一个双向TVS二极管Z1及4个单向TVS二极管TVS为例进行说明。4个单向TVS二极管分别为TVS二极管Z2、TVS二极管Z3、TVS二极管Z4及TVS二极管Z5。其中，TVS二极管Z2、TVS二极管Z3、TVS二极管Z4及TVS二极管Z5依次串联连接构成TVS二极管群，TVS二极管群的阴极通过双向TVS二极管Z1与待保护器件1的漏极连接，TVS二极管群的阳极经第一电阻R1后连接到三级管Q2的基极。在本发明实施例中，TVS二极管的数量根据所需钳位电压和TVS二极管等级进行匹配。

在一实施例中，如图1所示，有源钳位保护电路还包括：控制电路4。如图2或图3所示，该控制电路4，包括：控制模块及功率放大模块。其中，控制模块与功率放大模块的一端连接，用于生成控制信号，将控制信号输送至功率放大模块；功率放大模块的另一端与待保护器件1的栅极连接，用于将控制信号进行放大处理，输出栅极电压控制待保护器件1导通或关断。

在一具体实施例中，当控制模块下发导通的控制信号后，功率放大模块将该控制信号进行放大处理，输出正电压的栅极电压控制待保护器件1导通。当控制模块下发关断的控制信号后，功率放大模块将该控制信号进行放大处理，输出负电压的栅极电压控制待保护器件1关断。

在一实施例中，有源钳位保护电路还包括：第三电阻R3及第四电阻R4，其中，第三电阻R3的一端与功率放大模块的另一端连接，第三电阻R3的另一端分别与第四电阻R4的一端及第二电阻R2的一端连接；第四电阻R4的另一端与待保护器件1的栅极连接。

在一具体实施例中，第三电阻R3及第四电阻R4为分流电阻。第一可控开关Q2的集电极经第二电阻R2后连接到第三电阻R3和第四电阻R4的公共端。避免待保护器件1漏源极间峰值电压输送至待保护器件1的栅极，从而造成待保护器件1的二次导通。

在一实施例中，上述有源钳位保护电路可以防止由于有源钳位电路动作导致器件二次导通，同时该电路结构简单、易于实现。

在一实施例中，如图4所示，当控制模块在T0时刻下发关断信号时，功率模块输出的栅极电压为负电压，被保护器件Q1的栅极电压Vgs开始下降，漏源极电压VDS开始上升，被保护器件Q1进入关断过程。在T1时刻Q1漏源极两端电压超过保护额定值，钳位电路TVS二极管群、D1回路动作，三极管Q2将导通，被保护器件Q1的栅极电压因此会被拉低至0V，强行关断被保护器件Q1。而当T2时刻Vcc电压值回落并低于保护定值后，TVS二极管群重新关断，从而关断了三极管Q2,此时被保护器件Q1栅极电压再次被拉低至负电压。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种有源钳位保护电路，其特征在于，包括：待保护器件、钳位电路及下拉电路，其中，

所述待保护器件的漏极与所述钳位电路的一端连接，所述待保护器件的栅极分别与外部控制电路及所述下拉电路的第一端连接，所述待保护器件的源极与所述下拉电路的第二端连接后接地，所述下拉电路的控制端与所述钳位电路的另一端连接；

所述外部控制电路通过输出栅极电压控制所述待保护器件导通或关断，当所述待保护器件漏源极两端电压超过预设阈值时，触发所述钳位电路导通，吸收漏源极间峰值电压，并控制所述下拉电路导通，所述下拉电路将所述待保护器件的栅极电压拉低，强行关断所述待保护器件，当所述待保护器件漏源极两端电压回落并低于预设阈值时，触发所述钳位电路关断，控制所述下拉电路关断。

2.根据权利要求1所述的有源钳位保护电路，其特征在于，所述下拉电路，包括：第一可控开关、第一电阻及第二电阻，其中，

所述第一电阻的一端与所述钳位电路的另一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一可控开关的控制端连接，所述第一可控开关的第一端通过所述第二电阻分别与所述外部控制电路及所述待保护器件的栅极连接，所述第一可控开关的第二端接地。

3.根据权利要求2所述的有源钳位保护电路，其特征在于，所述钳位电路，包括：快恢复二极管及多个单向TVS二极管，其中，

多个所述单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，所述TVS二极管群的阴极与所述待保护器件的漏极连接，所述TVS二极管群的阳极与所述快恢复二极管的阳极连接，所述快恢复二极管的阴极与所述第一电阻的一端连接。

4.根据权利要求2所述的有源钳位保护电路，其特征在于，所述钳位电路，包括：双向TVS二极管及多个单向TVS二极管，其中，

多个所述单向TVS二极管依次串联连接构成TVS二极管群，所述TVS二极管群的阴极通过所述双向TVS二极管与所述待保护器件的漏极连接，所述TVS二极管群的阳极与所述第一电阻的一端连接。

5.根据权利要求3或4所述的有源钳位保护电路，其特征在于，还包括：控制电路，所述控制电路，包括：控制模块及功率放大模块，其中，

所述控制模块与所述功率放大模块的一端连接，用于生成控制信号，将所述控制信号输送至所述功率放大模块；

所述功率放大模块的另一端与所述待保护器件的栅极连接，用于将控制信号进行放大处理，输出栅极电压控制所述待保护器件导通或关断。

6.根据权利要求5所述的有源钳位保护电路，其特征在于，还包括：第三电阻及第四电阻，其中，

所述第三电阻的一端与所述功率放大模块的另一端连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端及所述第二电阻的一端连接；

所述第四电阻的另一端与所述待保护器件的栅极连接。

7.根据权利要求3或4所述的有源钳位保护电路，其特征在于，TVS二极管的数量根据所需钳位电压和TVS二极管等级进行匹配。

8.根据权利要求1所述的有源钳位保护电路，其特征在于，所述待保护器件为SiCMOSFET。

9.根据权利要求2所述的有源钳位保护电路，其特征在于，所述第一可控开关为三极管。