CN116232095A - 高电位取能电路及半导体器件控制单元 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高电位取能电路及半导体器件控制单元。高电位取能电路包括功率单元，全桥整流电路，电压限幅单元，第一二极管，第一储能电容，直直隔离单元，第二储能电容，其中：功率单元包括第二阻尼电容、取能电容，第二阻尼电容与取能电容串联形成串联支路；全桥整流电路包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与串联支路的一端，第二输入端与串联支路的另一端连接；第一二极管的阳极与全桥整流电路的正极性输出端连接，阴极与第一储能电容的一端连接，第一储能电容的另一端与全桥整流电路的负极性输出端连接；第二储能电容与直直隔离单元的输出端并联，作为高电位取能电路的正输出端和负输出端，负输出端与串联支路的另一端连接。

Description

高电位取能电路及半导体器件控制单元

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种高电位取能电路及半导体器件控制单元。

背景技术

近年来，为解决直流输电工程逆变侧换相失败问题，一些专家学者提出基于晶闸管、IGCT、IGBT等功率半导体器件混合串联的电网换相换流阀，使电网换相换流阀具备强制换相能力。

为解决功率半导体器件高电压应用场景，通常将晶闸管、IGCT、IGBT等功率半导体器件串联或混合串联使用，而串联应用时，驱动模块的高电位在线取能是一大难点，尤其是IGCT驱动时需要更大的驱动能量。

因此，需要提出一种高电位取能电路，解决功率器件串联应用时出现的高电位自取能问题。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它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

为了解决上述问题，本申请提出一种高电位取能电路及半导体器件控制单元。

根据本申请的第一方面，提出一种高电位取能电路，所述高电位取能电路包括功率单元，全桥整流电路，电压限幅单元，第一二极管，第一储能电容，直直隔离单元，第二储能电容，其中：

所述功率单元包括第二阻尼电容、取能电容，所述第二阻尼电容与所述取能电容串联形成串联支路；

所述全桥整流电路包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述串联支路的一端连接，所述第二输入端与所述串联支路的另一端连接；

所述电压限幅单元与所述全桥整流电路并联；

所述第一二极管的阳极与所述全桥整流电路的正极性输出端连接，阴极与所述第一储能电容的一端连接，所述第一储能电容的另一端与所述全桥整流电路的负极性输出端连接；

所述直直隔离单元与所述第一储能电容并联；

所述第二储能电容与所述直直隔离单元的输出端并联，作为所述高电位取能电路的正输出端和负输出端，所述负输出端与所述串联支路的另一端连接。

根据一些实施例，所述功率单元还包括第二阻尼电阻，连接于所述串联支路中。

根据一些实施例，所述全桥整流电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关与所述第三开关串联后，与所述电压限幅单元并联连接，所述第一开关与所述第三开关的串联中点为所述第一输入端；

所述第二开关与所述第四开关串联后，与所述电压限幅单元并联连接，所述第二开关与所述第四开关的串联中点为所述第二输入端；

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET中的至少一种。

根据一些实施例，所述电压限幅单元包括稳压管和晶闸管，其中：

所述晶闸管与所述全桥整流电路并联；

所述稳压管的阴极连接所述全桥整流电路的正极性输出端，阳极连接所述晶闸管的门极控制端。

根据一些实施例，所述直直隔离单元包括第五开关、第六开关、第三二极管、第四二极管、变压器、第五二极管，其中：

所述第五开关与所述第三二极管串联后，与所述第一储能电容并联，

所述第四二极管与所述第六开关串联后，与所述第一储能电容并联；

所述第五开关与所述第三二极管的串联中点连接所述变压器初级线圈的一端，所述第四二极管与所述第六开关的串联中点连接所述变压器初级线圈的另一端；

所述变压器次级线圈的一端与所述第五二极管的阳极连接；

所述第二储能电容的一端与所述第五二极管的阴极连接，另一端与所述变压器次级线圈的另一端连接。

根据一些实施例，所述第五开关和所述第六开关中的任一者包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括IGBT、MOSFET中的至少一种。

根据一些实施例，包括：

所述高电位取能电路可作为附加装置接入原阻尼电路，所述原阻尼电路包括串联连接的功率器件、第一阻尼电阻和第一阻尼电容，

所述功率器件、第一阻尼电阻和第一阻尼电容串联后，与所述第二阻尼电容并联，以接入所述高电位取能电路。

根据一些实施例，所述功率器件包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。

根据一些实施例，所述第一阻尼电阻包括：

至少一个电阻，或者

至少一个电阻与二极管并联的组合。

根据一些实施例，所述电压限幅单元的限制电压设置为10V至100V。

根据一些实施例，所述正输出端和所述负输出端的电压范围为10V至50V。

根据本申请的第二方面，提出一种半导体器件控制单元，包括：

如第一方面中任一项所述的高电位取能电路；

驱动模块，与所述高电位取能电路的正输出端和负输出端连接，以实现高电位在线取能。

本申请提出一种高电位取能电路及半导体器件控制单元，采用三分支电容实现功率器件的动态均压和高电位取能电路的解耦，通过全桥整流、电压限幅、直直隔离的方式，串联于功率器件的取能分支回路中，不需要外加取能设备，经济性高，电路设计简单，容易实现，能够实现晶闸管、IGBT、IGCT等功率器件串联应用时的高电位自取能。并且在原阻尼电容未采用三分支电容时，也可通过在高电位取能电路输入端增加附加阻尼电容和取能电容实现简易接入。

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的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，而不是对本申请的限制。

图1示出一示例性实施例的高电位取能电路示意图；

图2示出示例性的功率单元示意图的又一实施例；

图3示出示例性的功率单元示意图的又一实施例；

图4示出一示例性实施例的高电位取能电路接入原阻尼回路的示意图；

图5示出一示例性实施例的半导体器件控制单元。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在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。

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例中。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例的充分理解。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没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

图1示出一示例性实施例的高电位取能电路示意图。

参见图1，高电位取能电路包括：功率单元11，全桥整流电路12，电压限幅单元13，第一二极管14，第一储能电容15，直直隔离单元16，第二储能电容17，其中：

功率单元11包括第二阻尼电容114、取能电容115；第二阻尼电容114与取能电容115串联形成串联支路。

根据一些实施例，功率单元11还包括功率器件111、第一阻尼电阻112、第一阻尼电容113，功率器件111、第一阻尼电阻112、第一阻尼电容113串联连接后与第二阻尼电容114并联。

根据一些实施例，功率器件111包括至少一级功率半导体器件，功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。

根据示例实施例，第一阻尼电阻112包括至少一个电阻；或者至少一个电阻与二极管116并联的组合，如图2所示。

根据示例实施例，全桥整流电路12包括第一输入端1201和第二输入端1202，第一输入端1201与串联支路的一端连接，第二输入端1202与串联支路的另一端连接。

根据示例实施例，全桥整流电路12包括第一开关121、第二开关122、第三开关123和第四开关124，其中：第一开关121与第三开关123串联后，与电压限幅单元13并联连接，第一开关121与第三开关123的串联中点为第一输入端1201；第二开关122与第四开关124串联后，与电压限幅单元13并联连接，第二开关122与第四开关124的串联中点为第二输入端1202。

根据一些实施例，第一开关121、第二开关122、第三开关123和第四开关124包括至少一级功率半导体器件，功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET中的至少一种。

根据示例实施例，电压限幅单元13与全桥整流电路12并联；电压限幅单元13包括稳压管131和晶闸管132，其中：晶闸管132与全桥整流电路12并联；稳压管131的阴极连接全桥整流电路12的正极性输出端，阳极连接晶闸管132的门极控制端。

根据示例实施例，第一二极管14的阳极与全桥整流电路12的正极性输出端连接，阴极与第一储能电容15的一端连接，第一储能电容15的另一端与全桥整流电路12的负极性输出端连接。

根据示例实施例，直直隔离单元16与第一储能电容15并联；直直隔离单元16包括第五开关161、第六开关162、第三二极管163、第四二极管164、变压器165、第五二极管166，其中：第五开关161与第三二极管163串联后，与第一储能电容15并联，第四二极管162与第六开关164串联后，与第一储能电容并联15；第五开关161与第三二极管163的串联中点连接变压器165初级线圈的一端，第四二极管164与第六开关162的串联中点连接变压器165初级线圈的另一端；变压器165次级线圈的一端与第五二极管166的阳极连接。

根据一些实施例，第五开关161和第六开关162中的任一者包括至少一级功率半导体器件，功率半导体器件包括IGBT、MOSFET中的至少一种。

根据示例实施例，第二储能电容17的一端与第五二极管166的阴极连接，另一端与变压器165次级线圈的另一端连接。

根据示例实施例，本申请中高电位取能电路的工作原理为：功率单元11通过设置第一阻尼电容113、第二阻尼电容114及取能电容115的电容值的比例关系，设置高电位取能电路的输入电压Uin；在全桥整流电路12采用不控整流电路时，第一开关121、第二开关122、第三开关123和第四开关124为二极管器件，全桥整流电路12通过功率单元11的电流给第一储能电容15充电；直直隔离单元16用于实现第一储能电容15给第二储能电容17充电：通过第五开关161和第六开关162的开通和关断，和变压器165可实现第一储能电容15向第二储能电容17充电；第二储能电容17作为高电位取能电路的输出侧，通过充电输出高电位。

根据一些实施例，高电位取能电路的正输出端和负输出端的电压范围Uout可以为10V至50V。

根据一些实施例，第一阻尼电容113、第二阻尼电容114、取能电容115组成分支取能电路，高电位取能电路是通过分支取能电路的电流来实现高电位自取能，由于分支取能电路的存在，实现了功率单元11中阻尼回路与取能回路的解耦，其中阻尼回路即功率器件111、阻尼电阻112、第一阻尼电容113、第二阻尼电容114组成的回路。

根据示例实施例，当全桥整流电路12输出电压大于设置的电压门槛值时，稳压管131反向击穿，产生晶闸管132的门极触发信号，实现电压限幅，第一储能电容15储能停止充电；例如设置电压门槛值为30V。

根据一些实施例，电压限幅单元13的限制电压可以设置为10V至100V。

根据示例实施例，第一二极管14用于防止第一储能电容15反向放电。

根据一些实施例，选择与第五开关161串联的第三二极管163、与第六开关162串联的第四二极管164的电路，可以降低单个开关器件的耐压；且在第五开关161和第六开关162关断期间，通过第三二极管163、第四二极管164可以将变压器165原边漏电感能量回收至第一储能电容15，进一步提高能量转换效率。

本申请提出一种高电位取能电路，采用三分支电容实现功率器件的动态均压和高电位取能电路的解耦，通过全桥整流、电压限幅、直直隔离的方式，串联于功率器件的取能分支回路中，不需要外加取能设备，经济性高，电路设计简单，容易实现，能够实现晶闸管、IGBT、IGCT等功率器件串联应用时的高电位自取能。

图3示出示例性的功率单元示意图的又一实施例。

如图3所示，图3所示的电路与图2所示的电路基本相同，区别仅在于：功率单元11还包括第二阻尼电阻117，串联于第二阻尼电容114与取能电容115组成的串联支路中。

根据一些实施例，在工程应用时，阻尼电阻通常包括112和117两个，这样可以降低单个电阻的耐压要求。

图4示出一示例性实施例的高电位取能电路接入原阻尼回路的示意图。

如图4所示，原阻尼回路100包括功率器件111、阻尼电阻112、第一阻尼电容113，将本申请的高电位取能电路作为附加装置接入原阻尼回路100中，只需要在原阻尼回路100输入端增加第二阻尼电容126、取能电容125，全桥整流电路12，电压限幅单元13，第一二极管14，第一储能电容15，直直隔离单元16，第二储能电容17，实现高电位取能电路的接入。其中：电压限幅单元13，第一二极管14，第一储能电容15，直直隔离单元16，第二储能电容17连接方式如图1所示，图3中未示出，该接入方式不影响原电路阻尼特性，易于实现。

本申请提出一种高电位取能电路，在原阻尼电容未采用三分支电容时，也可通过在高电位取能电路输入端增加附加阻尼电容和取能电容实现简易接入。

图5示出一示例性实施例的半导体器件控制单元。

如图5所示，半导体器件控制单元包括高电位取能电路401和驱动模块403，其中：

高电位取能电路401的电路结构如图1所示，驱动模块403与所述高电位取能电路401的正输出端和负输出端连接，以实现驱动模块的高电位在线取能。

应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (12)

1.一种高电位取能电路，其特征在于，所述高电位取能电路包括功率单元，全桥整流电路，电压限幅单元，第一二极管，第一储能电容，直直隔离单元，第二储能电容，其中：

所述功率单元包括第二阻尼电容、取能电容，所述第二阻尼电容与所述取能电容串联形成串联支路；

所述全桥整流电路包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述串联支路的一端连接，所述第二输入端与所述串联支路的另一端连接；

所述电压限幅单元与所述全桥整流电路并联；

所述第一二极管的阳极与所述全桥整流电路的正极性输出端连接，阴极与所述第一储能电容的一端连接，所述第一储能电容的另一端与所述全桥整流电路的负极性输出端连接；

所述直直隔离单元与所述第一储能电容并联；

所述第二储能电容与所述直直隔离单元的输出端并联，作为所述高电位取能电路的正输出端和负输出端，所述负输出端与所述串联支路的另一端连接。

2.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述功率单元还包括第二阻尼电阻，连接于所述串联支路。

3.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述全桥整流电路包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关与所述第三开关串联后，与所述电压限幅单元并联连接，所述第一开关与所述第三开关的串联中点为所述第一输入端；

所述第二开关与所述第四开关串联后，与所述电压限幅单元并联连接，所述第二开关与所述第四开关的串联中点为所述第二输入端；

所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET中的至少一种。

4.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述电压限幅单元包括稳压管和晶闸管，其中：

所述晶闸管与所述全桥整流电路并联；

所述稳压管的阴极连接所述全桥整流电路的正极性输出端，阳极连接所述晶闸管的门极控制端。

5.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述直直隔离单元包括第五开关、第六开关、第三二极管、第四二极管、变压器、第五二极管，其中：

所述第五开关与所述第三二极管串联后，与所述第一储能电容并联，

所述第四二极管与所述第六开关串联后，与所述第一储能电容并联；

所述第五开关与所述第三二极管的串联中点连接所述变压器初级线圈的一端，所述第四二极管与所述第六开关的串联中点连接所述变压器初级线圈的另一端；

所述变压器次级线圈的一端与所述第五二极管的阳极连接；

所述第二储能电容的一端与所述第五二极管的阴极连接，另一端与所述变压器次级线圈的另一端连接。

6.如权利要求5所述的高电位取能电路，其特征在于，所述第五开关和所述第六开关中的任一者包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括IGBT、MOSFET中的至少一种。

7.如权利要求1-6中任一项所述的高电位取能电路，其特征在于，包括：

所述高电位取能电路可作为附加装置接入原阻尼电路，所述原阻尼电路包括串联连接的功率器件、第一阻尼电阻和第一阻尼电容，

所述功率器件、第一阻尼电阻和第一阻尼电容串联后，与所述第二阻尼电容并联，以接入所述高电位取能电路。

8.如权利要求7所述的高电位取能电路，其特征在于，所述功率器件包括至少一级功率半导体器件，所述功率半导体器件包括二极管、晶闸管、IGBT、IEGT、IGCT、GTO、MOSFET、BJT、GTR中的至少一种。

9.如权利要求7所述的高电位取能电路，其特征在于，所述第一阻尼电阻包括：

至少一个电阻，或者

至少一个电阻与二极管并联的组合。

10.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述电压限幅单元的限制电压设置为10V至100V。

11.如权利要求1所述的高电位取能电路，其特征在于，所述正输出端和所述负输出端的电压范围为10V至50V。

12.一种半导体器件控制单元，其特征在于，包括：

如权利要求1-11中任一项所述的高电位取能电路；

驱动模块，与所述高电位取能电路的正输出端和负输出端连接，以实现高电位在线取能。

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