CN115065260A - 一种功率器件高位取能模块及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率器件高位取能模块及方法，所述模块包括：缓冲电路，用于限制功率器件向低位输出电流的大小；储能电路，用于储存经缓冲电路输出的电能；整流电路，用于控制输入到储能电路的电流方向；稳压电路，用于限制经储能电路输出电压的最大值。本发明电路简单，取能功率大，在实现高位取能的同时实现功率器件的关断缓冲吸收及动态均压。

Description

一种功率器件高位取能模块及方法

技术领域

本发明属于高压电力电子器件技术领域，特别涉及一种功率器件高位取能模块及方法。

背景技术

功率器件是一种用于大容量电力电子装置的新型功率器件，例如功率器件可以是集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT），其主要由封装在管壳内部的GCT芯片和集成在管壳外部的驱动构成。IGCT驱动主要承担的功能为接受上层控制系统的通信信号，并将其转换为用于开通和关断GCT芯片的电压电流信号。在实际应用中，功率器件的驱动需要外部电路向其提供5-200W的功率，才能保证功率器件的正常工作。现有的功率器件驱动供能方式主要包含高位取能和低位供能，低位供能在高压场合下需要很高的绝缘强度，甚至需要多级隔离，结构复杂成本高；高位取能需要的绝缘能力不随应用场合变化，因此更加适合电压等级很高的应用。

现有的成熟的功率器件高位取能方式为在功率器件两端的支撑电容上使用DC/DC变换器或自激式变压器得到40V左右的直流电压，输入到功率器件驱动。例如公开号为CN105553284A的专利公开了一种宽输入电压范围的直流高位取能电源，包括：输入滤波均压模块、高频变压器模块、电压采样反馈驱动控制模块、输出整流滤波稳压模块。本发明所述的输入滤波均压模块在输入正负极串入了电阻，能够减小浪涌电流和多个电源同时使用时对前级的冲击；高频变压器选用双管正激变换器，能应用于高输入电压的场合；电压采样反馈电路简单，响应速度快；控制模块采用电流型控制芯片，具有过压保护和欠压锁定的功能。公开号为CN111969858A的专利公开了一种高位取能电源电路及其控制方法，电路包括反激变压器T1，n+1个二极管，n个全控型半导体器件，n个电容器；其中反激变压器T1包括原边n个绕组及副边绕组Ns1，反激变压器T1的所有原边绕组的线圈匝数相等，n为不小于2的自然数。

上述两个公开的专利中，取能方式只能用于MMC变换器等器件两端拥有很大容量的母线支撑电容的场合，不具有普适性。对于CSC变换器、直流断路器等场合，功率器件两端没有很大容量的支撑电容，只有用于动态均压或吸收关断过电压能量的缓冲电容，无法使用上述方式进行取能。

而在LCC应用中，常用晶闸管作为主开关器件，其驱动电路中包含部分高位取能的功能模块，例如公开号为CN211481247U的专利公开了基于星型电容隔离的晶闸管级取能电路和晶闸管过压保护电路，属于电工技术领域。该电路由两部分组成：一部分是高压自取能电路，另一部分是过压保护电路。高压自取能电路与主电路通过星型电容隔离，从主电路晶闸管两端取电给TCU(晶闸管控制单元)内各电路供电，从而避免TCU流过大电流。当主电路上晶闸管两端过电压时，过压保护电路开始动作，以保护主电路中晶闸管器件。

但是由于晶闸管驱动内部包含的储能电容容量小，整体功耗小，且不进行关断动作，取能电路设计及参数配置时较为简单随意。若将晶闸管的取能电路移植至功率器件，由于功率器件驱动内部储能电容容量大，整体功耗大，且存在大电流关断的特殊工况，对外部缓冲电路会造成较大影响。

因此，需要设计一种功率器件高位取能模块及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种功率器件高位取能模块，所述模块包括：

缓冲电路，用于限制功率器件向低位输出电流的大小；

储能电路，用于储存经缓冲电路输出的电能；

整流电路，用于控制输入到储能电路的电流方向；

稳压电路，用于限制经储能电路输出电压的最大值。

进一步地，所述缓冲电路包括第一缓冲支路，所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点。

进一步地，所述缓冲电路包括第一缓冲支路以及第二缓冲支路，其中，

所述第二缓冲支路的一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点，所述第二缓冲支路的另一端连接于功率器件的阴极；

所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于第二缓冲支路的一端。

进一步地，所述缓冲电路包括串联的第一缓冲支路、第二缓冲支路以及第三缓冲支路，其中，

所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于第二缓冲支路的一端；所述第二缓冲支路的另一端连接于功率器件的阴极；所述第三缓冲支路的一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点，所述第三缓冲支路的另一端连接于第一缓冲支路与第二缓冲支路的连接点。

进一步地，所述第一缓冲支路包括串联的第一电容器以及第一限冲击元件。

进一步地，所述第一缓冲支路包括串联的第一电容器、第一限冲击元件以及第二限冲击元件。

进一步地，所述第一限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻、瞬态抑制二极管、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种。

进一步地，所述第二限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻、瞬态抑制二极管、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种。

进一步地，所述第二缓冲支路均包括第二电容器。

进一步地，所述第三缓冲支路包括第三电容器。

进一步地，所述储能电路通过整流电路与缓冲电路连接。

进一步地，所述储能电路包括第五电容器。

进一步地，所述整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，其中，

所述第二二极管的阴极与第一二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接；所述第三二极管的阳极与第四二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接；

所述第五电容器的正极与第一二极管阴极连接，所述第五电容器的负极与第四二极管的阳极连接。

进一步地，所述整流电路包括第一二极管以及第三二极管，其中，

所述第一二极管的阴极与第五电容器的正极连接，所述第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接，所述第三二极管的阳极与第五电容器的负极连接。

进一步地，所述储能电路包括第六电容器以及第七电容器。

进一步地，所述整流电路包括第一二极管以及第三二极管，其中，

所述第一二极管的阴极与第六电容器的正极连接，所述第六电容器的负极与第七电容器的负极连接，所述第七电容器的正极与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接。

进一步地，所述稳压电路包括第二稳压管以及第一三极管，其中，

所述第二稳压管的阴极与第一三极管的集电极连接，所述第二稳压管的阳极与第一三极管的基极连接。

进一步地，所述稳压电路包括第三稳压管以及第二三极管，其中，

所述第三稳压管的阴极与第二三极管的基极连接，所述第三稳压管的阳极与第二三极管的集电极连接。

进一步地，所述稳压电路包括第四稳压管以及MOS管，其中，

所述第四稳压管的阴极与MOS管的漏极连接，所述第四稳压管的阳极与MOS管的栅极连接。

进一步地，所述稳压电路包括第五稳压管以及第二晶闸管，其中，

所述第五稳压管的阴极与第二晶闸管的阳极连接，所述第五稳压管的阳极与第二晶闸管的门极连接。

另一方面，本发明还提供一种功率器件高位取能方法，其特征在于，所述方法包括：

利用缓冲电路限制功率器件向低位输出电流的大小；

利用储能电路储存经缓冲电路输出的电能；

利用整流电路控制输入到储能电路的电流方向；

利用稳压电路限制经储能电路输出电压的最大值。

本发明提供了一种功率器件高位取能模块及方法，可应用于功率器件两端没有支撑电容，且电压存在dv/dt的场合。本模块利用动态均压的缓冲支路中流过的电流取能，电路简单，取能功率大，在实现高位取能的同时实现功率器件的关断缓冲吸收及动态均压。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，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示出了根据本发明实施例的稳压电路在储能电路后端的模块整体电路图。

图2示出了根据本发明实施例的稳压电路在整流电路前端的模块整体电路图。

图3示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为定值电阻时的缓冲电路电路图。

图4示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为氧化锌压敏电阻时的缓冲电路电路图。

图5示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为瞬态抑制二极管时的缓冲电路电路图。

图6示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为击穿二极管时的缓冲电路电路图。

图7示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为定值电阻，第二限冲击元件是击穿二极管时的缓冲电路电路图。

图8示出了根据本发明实施例的第一种方式中，当第一限冲击元件为定值电阻，第二限冲击元件是过压击穿元件时的缓冲电路电路图。

图9示出了根据本发明实施例的第二种方式中，当第一限冲击元件是氧化锌压敏电阻时的缓冲电路电路图。

图10示出了根据本发明实施例的第三种方式的缓冲电路电路图。

图11示出了根据本发明实施例的储能电路为第一种结构时第一种实现方式的整流电路的电路图。

图12示出了根据本发明实施例的储能电路为第一种结构时第二种实现方式的整流电路的电路图。

图13示出了根据本发明实施例的储能电路为第二种结构时整流电路的电路图。

图14示出了根据本发明实施例的稳压电路为第一种结构时稳压电路的电路图。

图15示出了根据本发明实施例的稳压电路为第二种结构时稳压电路的电路图。

图16示出了根据本发明实施例的稳压电路为第三种结构时稳压电路的电路图。

图17示出了根据本发明实施例的稳压电路为第四种结构时稳压电路的电路图。

图18示出了根据本发明实施例的取能模块为第一种实施方式的电路图。

图19示出了根据本发明实施例的取能模块为第二种实施方式的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。

本发明提供了一种功率器件高位取能模块，如图1所示，所述模块包括：

缓冲电路2，用于限制功率器件1向低位输出电流的大小；

储能电路5，用于储存经缓冲电路2输出的电能；

整流电路4，用于控制输入到储能电路5的电流方向；

稳压电路6，用于限制经储能电路5输出电压的最大值。

在本实施例中，整流电路4、储能电路5以及稳压电路6的位置可互换，但需要注意的是，整流电路4与储能电路5的位置不可互换，即经过缓冲电路2输出后的电流，可以先经过整流电路4整流（图1），后在储能电路5输出前经过稳压电路6稳压，也可以先使用稳压电路6稳压（图2），再经过整流电路4整流输入到储能电路5（即储能电路通过整流电路与缓冲电路连接）。

本模块从功率器件1的阳极（功率器件1的第一端11）和阴极（功率器件1的第二端12）两端进行取能，由模块输出第一端7和模块输出第二端8输出能量。其中，功率器件1的构成包含但不限于非对称IGCT、逆阻IGCT、非对称IGCT与二极管串联等拓扑。其中，缓冲电路2可实现高位取能电路的电流限制、功率器件1关断时的过电压能量吸收以及功率器件1串联动态均压的功能。其中，储能电路5实现高位取能电路的储能，满足在一个周期（取能周期）内无法取能的时间段为后端输出供电。整流电路4实现取能过程中储能电路5的单向充电。稳压电路6限制高位取能电路输出电压的最大值。

下面对缓冲电路2，储能电路5、整流电路4以及稳压电路6进行详细的描述。

缓冲电路

缓冲电路有以下几种方式实现。

第一种方式：

（1）当缓冲电路2包括第一缓冲电路，而第一缓冲支路包括串联的第一电容器31以及第一限冲击元件时，第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，第一缓冲支路的另一端连接于整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点。第一限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻（Metal Oxide Varistors，MOV）、瞬态抑制二极管（Transient VoltageSuppressor，TVS）、氧化锌压敏电阻、击穿二极管（Break Over Diode，BOD）以及过压击穿元件中的任意一种。

具体的，第一限冲击元件的一端连接在功率器件1的阳极；第一电容器31的一端不直接连接在功率器件1的阴极，而是连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点。

当限冲击元件为定值电阻21时（图3），定值电阻21与第一电容器31串联构成RC电路。定值电阻21可避免功率器件1开通时造成过大的电流冲击（功率器件1后端的冲击，即冲击整流电路4、储能电路5以及稳压电路6），第一电容器31用于本级功率器件1与其他串联的功率器件之间的均压。

另外，在本方式中，第一电容器以及第一限冲击元件的顺序可以调换。

此缓冲电路2的优点是仅需要单个电容构成第一电容器31，且整个缓冲支路2的能量能全部流入整个的取能模块，结构简单，取能功率大。

当第一限冲击元件为氧化锌压敏电阻22时（图4），氧化锌压敏电阻22与第一电容器31串联也构成RC电路。氧化锌压敏电阻22也可避免功率器件1开通时造成过大的电流冲击，第一电容器31也用于本级功率器件1与其他串联的功率器件之间的均压。此外，氧化锌压敏电阻22在承受电压较低时表现为高阻态，可实现在功率器件1两端（第一端11、第二端12）电压较小时切出本支路，而在功率器件1两端电压较大时投入本电路。

此缓冲电路2的优点是氧化锌压敏电阻22在一定程度上避免了较大的电流冲击。

当第一限冲击元件为瞬态抑制二极管26时（图5），此缓冲电路2的工作原理与上面两种缓冲电路的工作原理相同，瞬态抑制二极管26的功能与氧化锌压敏电阻22相同，因此，瞬态抑制二极管26与第一电容器31串联也构成RC电路。需要说明的是，此处的瞬态抑制二极管可以是单向的，也可以是双向的，图中以双向的为例进行了示意。

此缓冲电路2的优点是瞬态抑制二极管26的寿命更长，可靠性更高。

当限冲击元件为击穿二极管23时（图6），此缓冲电路2的工作原理与上面三种缓冲电路的工作原理相同，击穿二极管23的功能与氧化锌压敏电阻22相同，因此，击穿二极管23与第一电容器31串联也构成RC电路。

此电路的优点是击穿二极管23相比于氧化锌压敏电阻22导通后不承压，发热较小。

（2）当缓冲电路2包括第一缓冲电路，而第一缓冲支路包括串联的第一电容器、第一限冲击元件以及第二限冲击元件时，第一限冲击元件的一端连接在功率器件1的阳极，第一电容器的一端连接在第一限冲击元件的另一端，第二限冲击元件的一端连接在第一电容器的一端的另一端，第二第二限冲击元件的另一端不直接连接在功率器件1的阴极，而是连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点，其中，第一电容器、第一限冲击元件以及第二限冲击元件三者之间串联顺序可调换。

第一限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种；第二限冲击元件也是电阻、金属氧化物压敏电阻、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种。

其中，

a、当第一限冲击元件是定值电阻21，第二限冲击元件是击穿二极管23时，整个缓冲电路的电路图参考图7。

此时，本缓冲电路中在上面缓冲电路（图6）的基础上，定值电阻21可实现在击穿二极管23击穿时限制整个模块的电流冲击。本缓冲电路的优点是击穿二极管23相比于氧化锌压敏电阻22导通后不承压，发热较小，在一定程度上避免了较大的电流冲击。

b、当第一限冲击元件是定值电阻21，第二限冲击元件是过压击穿元件时，整个缓冲电路的电路图参考图8，其中，在本实施例中，所有的过压击穿元件均指任何一种可以实现电压低于某个设定阈值时能阻断电流（即防止这个电流通过过压击穿元件），高于某个设定阈值时能导通电流（即使这个电流能通过过压击穿元件）的电子元件或电子元件的组合，具体的，过压击穿元件的一种实现方式包括但不限于第一晶闸管25以及第一稳压管24。

此时，本缓冲电路是由定值电阻21、第一电容器31、第一稳压管24、以及第一晶闸管25构成的RC电路，第一晶闸管25的阳极连接在第一电容器31的一端，第一晶闸管25的阴极连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点，第一稳压管24的阳极连接在第一晶闸管25的门极。

本缓冲电路在上面缓冲电路（图7）的基础上，由第一稳压管24与第一晶闸管25的结合替代了击穿二极管23的功能，提升了整个模块的通流能力和抵御电流冲击的能力。本缓冲电路的优点是与上面缓冲电路（图7）相同，且进一步提升了抵御电流冲击的能力。

第二种方式：

第二种方式是在第一种方式的基础上增加了一个第二缓冲支路，且第二缓冲支路与第一缓冲支路串联，以第一缓冲支路（图4）中的第一限冲击元件为氧化锌压敏电阻22为例说明第二种方式，具体如下：

本缓冲电路（图9）是由氧化锌压敏电阻22、第一电容器31以及第二电容器32构成的RC电路，氧化锌压敏电阻22、第一电容器31以及第二电容器32依次串联，第二电容器32的一端连接在第一电容器31的一端，第二电容器32的另一端连接在功率器件1的阴极（功率器件1的第二端12），第一电容器31与第二电容器32串联的支路上设有连接节点，该连接节点连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点。

氧化锌压敏电阻22可避免功率器件1开通时造成过大的电流冲击，第一电容器31以及第二电容器32用于本级功率器件1与其他串联的功率器件之间的均压，第二电容器32为缓冲电流（第二电容器32输出的电流）提供了另一条通路，减小了缓冲电流对整流电路4或稳压电路6的直接冲击。

本缓冲电路的优点是减小了缓冲电流对整流电路4或稳压电路6的直接冲击。

第三种方式：

第三种方式是在第二种方式的基础上进行改进的，增加了一个第三缓冲支路，其中，第三缓冲支路包括第三电容器33，具体的，本缓冲电路（图10）是由氧化锌压敏电阻22和第一电容器31、第二电容器32、第三电容器33以及第三电容器33构成的T型网络电路，即将第三电容器33的一端连接在第二种方式中的连接节点（图9）上，第三电容器33的另一端连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点。

本电路在上一缓冲电路（图9）的基础上进一步减小了缓冲电流对整流电路4或稳压电路6的冲击。

此电路的优点是减小了缓冲电流对整流电路4或稳压电路6的直接冲击。

储能电路

储能电路5有两种结构，第一种结构是储能电路5包括第五电容器55，第二种结构是储能电路5包括第六电容器56以及第七电容器57。

整流电路

当储能电路5采用第一种结构时，即储能电路5包括第五电容器55时，整流电路由以下的两种实现方式。

第一种实现方式

第一二极管41、第二二极管42、第三二极管43以及第四二极管44构成的全桥整流电路（图11），具体的，整流电路4包括第一二极管41、第二二极管42、第三二极管43以及第四二极管44，其中，

第二二极管42的阴极与第一二极管41的阴极连接，第二二极管42的阳极与第四二极管44的阴极连接；第三二极管43的阳极与第四二极管44的阳极连接，第三二极管43的阴极与第一二极管41的阳极连接；

第五电容器55的正极与第一二极管41阴极连接，第五电容器55的负极与第四二极管44的阳极连接，第一二极管41阳极作为整个整流电路4的输入端的第一节点，第二二极管42的阳极作为整个整流电路4的输入端的第二节点。

当整流电路4的输入正电压大于第五电容器55的储能电压时，电流流经第一二极管41和第四二极管44为第五电容器55充电；当整流电路4电路的输入负电压绝对值大于第五电容器55的储能电压时，电流流经第二二极管42和第三二极管43为第五电容器5充电；当整流电路4的输入电压绝对值小于第五电容器5的储能电压时，第一二极管41、第二二极管42、第三二极管43以及第四二极管44均反偏，无电流流过。

本整流电路的优点是仅需要单个电容（第五电容器55）构成储能电路5，且整个周期内功率器件1承受正向dv/dt和负向dv/dt时均可向第五电容器5充电，取能功率大。

第二种实现方式

整流电路4由第一二极管41构成的半桥整流电路和第三二极管43构成的续流回路组成（图12），具体的，整流电路4包括第一二极管41以及第三二极管43，其中，

第一二极管41的阴极与第五电容器55的正极连接，第三二极管43的阴极与第一二极管41的阳极连接，第三二极管43的阳极与第五电容器55的负极连接。

当整流电路4电路的输入正电压大于5的储能电压时，电流流经第一二极管41为第五电容器55充电；当4电路的输入负电压时，电流流经43续流；当整流电路4的输入电压绝对值小于第五电容器55的储能电压时，第一二极管41以及第三二极管43均反偏，无电流流过。

此电路的优点是第五电容器55的负极与功率器件1的阴极共地，且结构简单。

当储能电路5采用第二种结构时，即储能电路5包括第六电容器56以及第七电容器57时，整流电路由第一二极管41以及第三二极管43构成的两个半桥整流电路组成（图13），具体的，整流电路4包括第一二极管41以及第三二极管43，其中，

第一二极管41的阴极与第六电容器56的正极连接，第六电容器56的负极与第七电容器57的负极连接，第七电容器57的正极与第三二极管43的阳极连接，第三二极管43的阴极与第一二极管41的阳极连接，第六电容器56与第七电容器57串联的支路上设有连接点，该连接点作为对应整流电路4输入端的第二节点（第一二极管41的阳极作为对应整流电路4输入端的第一节点）。

在功率器件1的两端承受交流电压时，第三电容器33两端经过分压也可得到交流电压。当第三电容器33上端电压高于下端电压，且第三电容器33整体电压大于第六电容器56时，电流流经第一二极管41为第六电容器56充电；当第三电容器33下端电压高于上端电压，且第三电容器33整体电压大于第七电容器57时，电流流经第三二极管43为第七电容器57充电；其余情况下第一二极管41和七电容器57反偏，无电流流过。

当整流电路4电路的输入正电压大于第六电容器56的储能电压时，电流流经第一二极管41为第六电容器56充电；当整流电路4电路的输入负电压绝对值大于第七电容器57的储能电压时，电流流经第三二极管43为第七电容器57充电；其他情况下，第一二极管41以及第三二极管43均反偏，无电流流过。

此整流电路的优点是第六电容器56和第七电容器57的负极与功率器件1的阴极共地，且整个周期内功率器件1承受正向dv/dt和负向dv/dt时均可向整个储能电路5充电，取能功率大。

稳压电路

稳压电路的结构有以下几种结构。

第一种结构

稳压电路6的主体部分由第二稳压管61以及第一三极管62组成（图14），第一三极管62是一种NPN型晶体管，具体的，稳压电路6包括第二稳压管61以及第一三极管62，其中，

第二稳压管61的阴极与第一三极管62的集电极连接，第二稳压管61的阳极与第一三极管62的基极连接，第二稳压管61的阴极作为整个稳压电路6的输入端的第一节点，第一三极管62的发射极作为整个稳压电路6的输入端的第二节点。

第二稳压管61的额定稳压值略小于模块输出第一端7和模块输出第二端8之间需要的输出电压，第一三极管62为大功率NPN型三极管。当储能电路5两端电压小于第二稳压管61额定值时，第二稳压管61阻断，第一三极管62关断，输出电压与不含整个稳压电路6时相同。当储能电路5两端电压大于第二稳压管61额定值时，第二稳压管61电压箝位在额定值并流过电流，使第一三极管62开通，输出电压箝位在第二稳压管61额定值附近。

此电路的优点是电路简单。

第二种结构

稳压电路6由第三稳压管63以及第二三极管64组成（图15），第二三极管64是一种PNP型晶体管，具体的，稳压电路6包括第三稳压管63以及第二三极管64，其中，

第三稳压管63的阴极与第二三极管64的基极连接，第三稳压管63的阳极与第二三极管64的集电极连接。第一三极管62的发射极作为整个稳压电路6的输入端的第一节点，第三稳压管63的阳极作为整个稳压电路6的输入端的第二节点。

其中第三稳压管63的额定稳压值略小于模块输出第一端7和模块输出第二端8之间需要的输出电压，第二三极管64为大功率PNP型三极管。当储能电路5两端电压小于第三稳压管63额定值时，第三稳压管63阻断，第二三极管64关断，输出电压与不含整个稳压电路6时相同。当储能电路5两端电压大于第三稳压管63额定值时，第三稳压管63电压箝位在额定值并流过电流，使第二三极管64开通，第三稳压管63流过电流，输出电压箝位在第三稳压管63额定值附近。

本稳压电路的优点与第一种结构的稳压电路相同。

第三种结构

稳压电路6的主体部分由第四稳压管65以及MOS管66组成（图16），MOS管是一种N型MOS管，具体的，稳压电路6包括第四稳压管65以及MOS管66，其中，

第四稳压管65的阴极与MOS管66的漏极连接，第四稳压管65的阳极与MOS管66的栅极连接，第四稳压管65的阴极作为整个稳压电路6的输入端的第一节点，MOS管66的源极作为整个稳压电路6的输入端的第二节点。

第四稳压管65的额定稳压值略小于模块输出第一端7和模块输出第二端8之间需要的输出电压，MOS管66为大功率N型MOSFET。本稳压电路的工作原理与第一种结构的稳压电路相同。

本稳压电路的优点为电路简单，MOS管66的压降低，损耗较小，且电压控制更加精确。

第四种结构

稳压电路6的主体部分由第五稳压管67以及第二晶闸管68组成（图17），稳压电路6包括第五稳压管67以及第二晶闸管68，其中，

第五稳压管67的阴极与第二晶闸管68的阳极连接，第五稳压管67的阳极与第二晶闸管68的门极连接。

第五稳压管67的额定稳压值略小于模块输出第一端7和模块输出第二端8之间需要的输出电压，第二晶闸管68为低压晶闸管。当输入电压小于第五稳压管67额定值时，第五稳压管67阻断，第二晶闸管68关断，输出电压与不含整个稳压电路6电路时相同。当输入电压大于第五稳压管67额定值时，第五稳压管67电压箝位在额定值并流过电流，使第二晶闸管68开通，直接将输出短路放电，直至第二晶闸管68自然过零关断，重新输出电压。

此电路的优点为电路简单，第二晶闸管68的通流大，发热小。

综上，由于本发明中缓冲电路2、整流电路4、储能电路5以及稳压电路6均有多种形式，因此，本发明中的取能模块有多种实施方式，具体如下：

第一种实施方式：稳压电路6在储能电路5的后端

此时，整个取能模块的电路图如图18所示的，缓冲电路2包括定值电阻21以及第一电容器31；整流电路4包括第一二极管41以及第三二极管43；储能电路5包括第五电容器55；稳压电路6包括第五稳压管67以及第二晶闸管68；其中，

定值电阻21的一端连接在功率器件1的阳极，定值电阻21的另一端连接于第一电容器31的一端，第一电容器31的另一端连接于整个整流电路4的输入端的第一节点，即第一电容器31的另一端连接于第一二极管41的阳极；

第一二极管41的阴极连接于第五电容器55的正极，第三二极管43的阴极连接于第一二极管41的阳极，第三二极管43的阳极连接于第五电容器55的负极；

功率器件1的阴极连接于整个整流电路4的输入端的第二节点，即功率器件1的阴极连接于第三二极管43的阳极；第五稳压管67的阴极连接于第五电容器55的正极，第五稳压管67的阳极连接于第二晶闸管68的门极；

第二晶闸管68的阳极连接在第五电容器55的正极，第二晶闸管68的阴极连接在第五稳压管67的阴极。

第二种实施方式：稳压电路6在整流电路4的前端

此时，整个取能模块的电路图如图19所示的，本实施方式中，缓冲电路2、整流电路4、储能电路5以及稳压电路6的电路结构与第一种实施方式相同；其中，

定值电阻21的一端连接在功率器件1的阳极，定值电阻21的另一端连接于第一电容器31的一端，第一电容器31的另一端连接于整个稳压电路6的输入端的第一节点，即第一电容器31的另一端连接于第五稳压管67的阴极；

第二晶闸管68的阳极连接于第五稳压管67的阴极，功率器件1的阴极连接于整个稳压电路6的输入端的第二节点，即功率器件1的阴极连接于第二晶闸管68的阴极；第五稳压管67的阳极连接于第二晶闸管68的门极；

第一二极管41的阴极连接于第五电容器55的正极，第一二极管41的阳极连接于第五稳压管67的阴极；第三二极管43的阳极连接于第五电容器55的负极，第三二极管43的阴极连接于一二极管41的阳极。

需要注意的是，取能模块有多种实施方式，并不仅限于上面两种，本领域技术人员可以以本实施例描述的多种形式的缓冲电路2、整流电路4、储能电路5以及稳压电路6，从而形成取能模块其他的实施方式，在此不做一一赘述。

另一方面，本发明还提供一种功率器件高位取能方法，所述方法包括：

利用缓冲电路2限制功率器件1向低位输出的电流；

利用储能电路5储存经缓冲电路2输出的电能；

利用整流电路4控制输入到储能电路5的电流方向；

利用稳压电路6限制经储能电路5输出电压的最大值。

缓冲电路2包括第一电容器31以及限冲击元件21，其中，

第一电容器31与限冲击元件21串联，限冲击元件21的输入端连接在功率器件1的阳极，第一电容器31的输出端连接在整流电路4或稳压电路6的输入端的第一节点。

本发明的一种功率器件高位取能方法的各步骤实现的功能以及实现方式与本发明的一种功率器件高位取能模块中各部件的功能以及实现方式对应一致，因此，此处不再赘述。

由于本发明中的整个模块的缓冲电路2会对功率器件1的均压效果产生直接影响；缓冲电路2、各个电容（第一电容31、第二电容32、第三电容33以及第四电容34）、储能电路5的参数取值、稳压电路6的电压以及模块输出第一端7和模块输出第二端8之间的等效电阻均会对取能功率产生较大影响，因此在使用上述模块时，需要合理配置参数，才能满足系统要求的均压效果和取能功率。下面给出适用于上述各部分电路的参数配置方法：

A. 根据开通注入电流、最大连续关断电流以及功率器件1的工作频率确定模块输出第一端7和模块输出第二端8输出的最大运行功率；

B. 根据系统（功率器件所应用的系统）对驱动（功率器件的驱动）上电时间的要求以及驱动最大功率确定取能模块输出的最小充电电流；

C. 根据最小充电电流以及功率器件1正常工作时承受的交流电压确定第一电容器31容量；

D. 根据第一电容器31容量以及系统对功率器件1之间均压差异要求，确定缓冲支路中限冲击元件（第一限冲击元件和第二限冲击元件）配置；

E. 根据取能电路模块输出第一端7和模块输出第二端8间的输出电压确定稳压电路6的击穿电压；

F. 根据驱动最大功率、取能效率、稳压电路击穿电压确定稳压电路元件（稳压电路6中各部分的部件，主要指通流元件）耐压及散热性能；

G. 根据器件最大关断电流确定缓冲电路及稳压电路中通流元件（除稳压管之外的其他元件，例如三极管、晶闸管、MOS管等元件）的浪涌耐受能力。

本发明中提出的适用于上述各部分电路的参数配置方法，可以针对不同的工况进行灵活调整整个模块的使用场景。

综上，本发明提出一种功率器件高位取能模块及方法，主要用于正常工作时功率器件两端所加电压存在dv/dt，且没有很大容量的支撑电容的场合，例如LCC（LineCommutated Converter,线换向换流器）、CSC（Current Sourced Converter，电流源转换器）变换器、直流断路器等。本模块利用缓冲电路中流过的电流取能，通过配置电路参数可为功率器件驱动提供5-200W的驱动功率，且不影响功率器件的动态均压和关断能力。

在本模块工作时，以稳压电路6在储能电路5的后端为例，当功率器件1两端耐受很高的变化的电压，经过缓冲电路2的分压与缓冲，在整流电路4的输入端产生幅值较低的变化的电压，之后经过整流电路4的整流，得到间断或不间断的充电电流，从而在储能电路5的两端获得幅值较低的直流电压，最后经过稳压电路6的稳压，在模块输出第一端7和模块输出第二端8之间输出可供功率器件1驱动使用的电压。

当功率器件1在一个工频周期内有一段时间（通常为1/3个周期）开通时，对应功率器件1时间段的电压为0，相应整流电路4输入的电压也为0。此时整流电路4可保证储能电路5中的能量不会转移至缓冲电路2中，且储能电路5的容量较大，能够保证在一个周期内电压的稳定，从而维持模块输出第一端7和模块输出第二端8之间输出电压波动较小。

本模块包含以下三个典型特征：

（1）储能电路5与缓冲电路2不可直接相连，中间必须经过整流电路4电路相连，可避免储能电路5的容量对缓冲电路2的分压和缓冲效果产生过大影响，同时保证储能电路5上能够获得较大的电压；

（2）缓冲电路2中的限冲击元件21选取需要同时兼顾缓冲效果、均压效果、取能效率、IGCT器件反向恢复等多种因素，具体实施中可根据需求使用定值电阻、金属氧化锌可变电阻、电感器、半导体开关等元件组合实现；

（3）储能电路5上的电压必须在充电或放电的路径上经过稳压电路6限压后才能通过第一端7和模块输出第二端8输出，可避免输出电压过高而损坏后续电路。

特别的，缓冲电路2中的限冲击元件21可以是线性电阻或非线性电阻或能在特定工况下呈现出电阻特性的半导体元件等，具体包含但不限于常规定值电阻、氧化锌压敏电阻、陶瓷压敏电阻、击穿二极管、电子BOD（使用电力电子器件的组合电路实现BOD功能的电路，例如图8中第一稳压管24与第一晶闸管25的组合形成的电路就是一种电子BOD）等。

特别的，本模块中的整流电路4和稳压电路6均为功能性示意电路，可以用任何可以实现相应功能的具体电路进行替换，只要符合上述三个典型特征描述的实现方式均在本电路的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (21)

1.一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述模块包括：

缓冲电路，用于限制功率器件向低位输出电流的大小；

储能电路，用于储存经缓冲电路输出的电能；

整流电路，用于控制输入到储能电路的电流方向；

稳压电路，用于限制经储能电路输出电压的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述缓冲电路包括第一缓冲支路，所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点。

3.根据权利要求1所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述缓冲电路包括第一缓冲支路以及第二缓冲支路，其中，

所述第二缓冲支路的一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点，所述第二缓冲支路的另一端连接于功率器件的阴极；

所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于第二缓冲支路的一端。

4.根据权利要求1所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述缓冲电路包括串联的第一缓冲支路、第二缓冲支路以及第三缓冲支路，其中，

所述第一缓冲支路的一端连接于功率器件的阳极，所述第一缓冲支路的另一端连接于第二缓冲支路的一端；所述第二缓冲支路的另一端连接于功率器件的阴极；所述第三缓冲支路的一端连接于整流电路或稳压电路的输入端的第一节点，所述第三缓冲支路的另一端连接于第一缓冲支路与第二缓冲支路的连接点。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第一缓冲支路包括串联的第一电容器以及第一限冲击元件。

6.根据权利要求2-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第一缓冲支路包括串联的第一电容器、第一限冲击元件以及第二限冲击元件。

7.根据权利要求5所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第一限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻、瞬态抑制二极管、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种。

8.根据权利要求6所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第二限冲击元件是定值电阻、金属氧化物压敏电阻、瞬态抑制二极管、氧化锌压敏电阻、击穿二极管以及过压击穿元件中的任意一种。

9.根据权利要求3或4所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第二缓冲支路均包括第二电容器。

10.根据权利要求4所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述第三缓冲支路包括第三电容器。

11.根据权利要求1所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述储能电路通过整流电路与缓冲电路连接。

12.根据权利要求11所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述储能电路包括第五电容器。

13.根据权利要求12所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，其中，

所述第二二极管的阴极与第一二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第四二极管的阴极连接；所述第三二极管的阳极与第四二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接；

所述第五电容器的正极与第一二极管阴极连接，所述第五电容器的负极与第四二极管的阳极连接。

14.根据权利要求12所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述整流电路包括第一二极管以及第三二极管，其中，

所述第一二极管的阴极与第五电容器的正极连接，所述第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接，所述第三二极管的阳极与第五电容器的负极连接。

15.根据权利要求11所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述储能电路包括第六电容器以及第七电容器。

16.根据权利要求15所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述整流电路包括第一二极管以及第三二极管，其中，

所述第一二极管的阴极与第六电容器的正极连接，所述第六电容器的负极与第七电容器的负极连接，所述第七电容器的正极与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第一二极管的阳极连接。

17.根据权利要求1-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述稳压电路包括第二稳压管以及第一三极管，其中，

所述第二稳压管的阴极与第一三极管的集电极连接，所述第二稳压管的阳极与第一三极管的基极连接。

18.根据权利要求1-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述稳压电路包括第三稳压管以及第二三极管，其中，

所述第三稳压管的阴极与第二三极管的基极连接，所述第三稳压管的阳极与第二三极管的集电极连接。

19.根据权利要求1-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述稳压电路包括第四稳压管以及MOS管，其中，

所述第四稳压管的阴极与MOS管的漏极连接，所述第四稳压管的阳极与MOS管的栅极连接。

20.根据权利要求1-4任一项所述的一种功率器件高位取能模块，其特征在于，所述稳压电路包括第五稳压管以及第二晶闸管，其中，

所述第五稳压管的阴极与第二晶闸管的阳极连接，所述第五稳压管的阳极与第二晶闸管的门极连接。

21.一种功率器件高位取能方法，其特征在于，所述方法包括：

利用缓冲电路限制功率器件向低位输出电流的大小；

利用储能电路储存经缓冲电路输出的电能；

利用整流电路控制输入到储能电路的电流方向；

利用稳压电路限制经储能电路输出电压的最大值。

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