CN116470895A - 固态接触器的组件和三相固态接触器 - Google Patents

固态接触器的组件和三相固态接触器 Download PDF

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CN116470895A CN202210030622.3A CN202210030622A CN116470895A CN 116470895 A CN116470895 A CN 116470895A CN 202210030622 A CN202210030622 A CN 202210030622A CN 116470895 A CN116470895 A CN 116470895A
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陈加敏
秦雪茹
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Abstract

提供了一种固态接触器，固态接触器包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET作为第一电力电子开关；栅极驱动电路，用于向第一MOSFET的栅极提供第一驱动电压；以及短路保护电路，包括：第一电压采集电路，用于采集与第一MOSFET的源极‑漏极压降相关联的第一电压；短路检测电路，用于基于所采集的第一电压和参考电压进行比较判断第一MOSFET连接的负载是否发生短路；以及驱动电压调节电路，用于在短路检测电路判断第一MOSFET发生短路时调节第一驱动电压以断开第一MOSFET。还提供了一种三相固态接触器。

Description

固态接触器的组件和三相固态接触器
技术领域
本公开涉及固态接触器的组件和三相固态接触器，尤其涉及具有短路保护的固态接触器的组件和三相固态接触器。
背景技术
目前的功率半导体在低压配电和控制领域的主要应用包括固态接触器、电机启动器、固态断路器等。传统的固态方案一般采用晶闸管。其存在的最大问题是短路保护，只能通过可替换的熔丝实现，但该过程会损坏用于短路保护的设备自身而且很有可能损坏作为负载的外接设备，以致这些设备无法使用。在新型的固态接触器或电机启动器中，已经尝试将金属氧化物半导体场效应晶体管(下文也称为MOSFET)作为主要的开关功率器件。在应用MOSFET的场景中，传统的过流或者短路保护方案包括电流互感或者霍尔检测，热磁等技术原理通常存在响应速度慢，易于损坏负载的问题。但是在如MOSFET的功率器件应用中，需要非常快的响应速度以消除在短路情况外接设备和短路保护设备本身的损坏。
发明内容
本公开涉及一种能够在极短时间内关断驱动MOSFET的栅极电压的固态接触器的组件及三相固态接触器。
根据本公开的一方面，提供了一种固态接触器的组件，所述固态接触器的组件包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET作为第一电力电子开关；栅极驱动电路，用于向所述第一MOSFET的栅极提供第一驱动电压；以及短路保护电路，包括：第一电压采集电路，用于采集与所述第一MOSFET的源极-漏极压降相关联的第一电压；短路检测电路，用于基于所采集的第一电压和参考电压进行比较判断所述第一MOSFET连接的负载是否发生短路；以及驱动电压调节电路，用于在所述短路检测电路判断所述第一MOSFET发生短路时调节所述第一驱动电压以断开所述第一MOSFET。
根据本公开的另一方面，提供了一种三相固态接触器，所述三相固态接触器包括三个前述固态接触器，每个固态接触器连接于电网的一相上。
根据本公开的实施例，采集MOSFET的源漏极压降来判断与第一MOSFET连接的负载电路中的负载是否发生短路，并且一旦检测到发生短路，则可以调节驱动电压以断开MOSFET，从而实现对MOSFET的快速关断，因此对短路的响应速度块，可以避免毁坏包含MOSFET的接触器本身以及外界负载。这些优点通过检测源漏极压降而利用非传统的电流互感、热磁、霍尔效应等原理来实现。而且，相较于传统的保护短路电路，本公开的实施例还具有结构简单，成本低等优点。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：
图1示出根据本公开的具有一个MOSFET的固态接触器的组件的一实施例的示意电路结构图；
图2示出根据本公开的具有一个MOSFET的固态接触器的组件的另一实施例的示意电路结构图；
图3示出根据本公开的固态接触器的组件中的第一电压采集电路的一实施例的示意电路图；
图4示出根据本公开的固态接触器的组件中的第一电压采集电路的另一实施例的示意电路图；
图5示出根据本公开的具有一个MOSFET的固态接触器的组件的再一实施例的示意电路结构图；
图6示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件的一实施例的示意电路结构图；
图7示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件的另一实施例的示意电路结构图；
图8示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件的再一实施例的示意电路结构图；
图9示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件的又一实施例的示意电路结构图；
图10示出根据本公开的三相固态接触器的一实施例的示意电路图；以及
图11示出根据本公开的三相固态接触器的另一实施例的示意电路图。
具体实施方式
下面将参考本公开的示例性实施例对本公开进行详细描述。然而，本公开不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本公开的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“耦接”、“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
对传统的电流互感或者霍尔取样的电流保护方法、以及热磁式电流保护方法而言，通常需要很长时间的响应，例如ms量级或数十ms以上。然而这些常规过流保护或短路保护的技术方案难以适用于固态接触器的，在该响应时间量级下，固态接触器一旦发生短路很容易由于进入退饱和区后在ms量级内持续增大的电压或电流而致使其本身造成不可逆的损坏。
虽然采用第三代宽禁带半导体的固态接触器或者断路器具有高电压、大电流、纯半导体、低损耗等优点，但是在应用于电力保护系统中时，固态接触器必须在负载发生短路的情况下能够及时断开，并且确保接触器本身没有损坏。
本公开的目的提出一种适用于第三代宽禁带半导体的固态接触器的快速短路保护方案，可以在微秒级断开固态接触器，保证在短路负载短路的情况下，及时断开主回路并且不损坏固态接触器。
图1示出根据本公开的具有一个MOSFET Q1的固态接触器的组件100的一实施例的示意电路结构图。固态接触器的组件100包括一个MOSFET Q1、栅极驱动电路120和短路保护电路130。具体地，如图1虚线所示的短路保护电路130包括第一电压采集电路132、短路检测电路134和驱动电压调节电路136。固态接触器的组件100可以用于在交流或直流电力系统中对电网、输出端的负载进行控制。在示例中，负载可以包括在图1所示的负载电路150中。
MOSFET Q1可以作为电力电子开关110，以用于对电力系统中的负载电路150进行通断控制。在一个示例中，MOSFET Q1的漏极和源极可以连接到负载电路150。在一个示例中，MOSFET Q1可以选自以下中的一个：SiC MOSFET，Si MOSFET、GaN MOSFET以及其他宽禁带半导体器件。优选地，SiC MOSFET可以配置为固态接触器的组件100的电力电子开关110，因为SIC MOSFET相较于Si MOSFET具有更高的耐压，更高的耐温，更低的开关损耗的优点。
栅极驱动电路120可以被配置为向MOSFET Q1的栅极提供第一驱动电压VG1。在一个示例中，栅极驱动电路120可以包括或者连接到用于驱动MOSFET Q1的驱动电源(图中未示出)，例如恒定直流电压源。此外，栅极驱动电路120可以包括用于放大该驱动电源的功率的功放电路，以用于根据MOSFET Q1的规格参数将驱动电源电压的功率放大至具有MOSFET Q1栅极所需的驱动功率，以向MOSFET Q1的栅极提供能够驱动MOSFET Q1的第一驱动电压VG1，以实现对MOSFET Q1的通断控制。例如，栅极驱动电路120中的功放电路可以包括至少两个发射极相连的双极型晶体管。本公开的栅极驱动电路120的示例性实施例将在下面具体解释。
短路保护电路130可以配置为由第一电压采集电路132在MOSFET Q1的漏极采集MOSFET Q1的源极-漏极压降VD1相关联的第一电压V1。第一电压V1可以是源极-漏极压降VD1本身或者是反映源极-漏极压降VD1的其他电压，例如与VD1具有换算关系。第一电压采集电路132将采集的第一电压V1输入到短路检测电路134。在该示例中，短路保护电路130可以配置为由短路检测电路134基于所采集的第一电压V1和参考电压Vref进行比较来判断MOSFETQ1连接的负载电路150是否发生短路。例如，参考电压可以用于判断负载是否发生短路并且是根据需要由使用者预先设置的电压，该参考电压的设置可以取决于电路中的关键元件的参数。此外，短路检测电路134将该判断是否短路的结果输入到驱动电压调节电路136中。在该示例中，短路保护电路130可以配置为由驱动电压调节电路在短路检测电路134判断MOSFET Q1发生短路时调节第一驱动电压VG1以断开MOSFET Q1。在本实施例中，第一电压采集电路132对源极-漏极压降VD1进行检测，代替采用传统的电流取样或采用电阻来测流经的电流值，这可以在发生短路的情况下快速提高响应速度，从而实现对MOSFET的快速关断。第一电压采集电路132、短路检测电路134和驱动电压调节电路136的具体电路的实施例将在下文详细描述。
图2示出根据本公开的具有一个MOSFET Q1的固态接触器的组件200的另一实施例的示意电路结构图。图2所示的固态接触器的组件200中的电子电力开关210、栅极驱动电路220、短路保护电路230、第一电压采集电路232、短路检测电路234和驱动电压调节电路236与图1所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，在此不再赘述。
在如图2所示的固态接触器的组件200中，第一电压采集电路232的第一输入端与MOSFET Q1的漏极连接，第一电压采集电路232的第二输入端与第一MOSFET Q1的栅极连接，第一电压采集电路232的输出端与短路检测电路234的输入端连接。换言之，由第一电压采集电路232可以检测Q1漏极处的源极-漏极压降VD1关联的电压并且使用栅极处的第一驱动电压VG1来检测。在MOSFET正常工作的情况下，源极处检测的源极-漏极压降VD1比第一驱动电压VG1小得多。例如，源极-漏极压降VD1可以是1V，而第一驱动电压VG1可以是15V。但是，当与MOSFET连接的负载电路250发生短路时，短路时的源极-漏极压降VD1迅速增大，并且在短路的瞬间VD1可能伴随产生尖峰电压。这些尖峰电压如果不加以抑制则可能会损坏第一采集电路232后续的其他电路中的各个元件，从而毁坏整个固态接触器的组件200。因此，本实施例中代替直接采集源极-漏极压降VD1，而是使用第一驱动电压VG1作为控制源信号来采集与源极-漏极压降VD1相关联的第一电压V1，以实现对外界尖峰电压或者浪涌的强抗干扰能力。
下面，图3和图4的电路图具体解释图2中的固态接触器的组件100、200如何基于第一驱动电压VG1来采集与源极-漏极压降VD1相关联的第一电压V1。
图3示出根据本公开的固态接触器的组件100、200中的第一电压采集电路332的一实施例的示意电路图。
在该实施例的固态接触器的组件中，第一电压采集电路332可以包括第一二极管D1、第一稳压二极管ZD1、第二二极管D2和第一电容C1。具体地，第一二极管D1的阴极可以作为第一电压采集电路332的第一输入端与如图1和图2中的MOSFET Q1的漏极连接。例如，第一二极管D1可以是高压二极管，例如该高压二极管的击穿电压可以是1200V或以上。在此，第一二极管D1可以在发生短路时避免漏极处的信号输入。
此外，第一稳压二极管ZD1的阳极与第一二极管D1的阳极连接。稳压二极管可以对源极-漏极压降VD1进行稳压处理，以减少甚至消除其尖峰电压。本领域技术人员可以根据应用的具体需求设置期望的稳压值。
第二二极管D2的阳极作为第一电压采集电路332的第二输入端与MOSFET Q1的栅极连接，且第二二极管D2的阴极通过限流电阻R1与第一稳压二极管ZD1的阴极连接。另外，第一电容C1的一端通过限流电阻R1连接到第二二极管D2的阴极，即第一电容C1的一端连接至第一稳压二极管ZD1的阴极，第一电容C1的另一端接地。例如，第一电容C1连接到第一稳压二极管ZD1的阴极的那一端可以作为第一电压电路332的输出端。在一个示例中，第一电容C1的电容值很小，例如百pF的量级、甚至更小。这可以实现对第一电容快速充放电。该第二二极管D2可以用于导通第一驱动电压VG1来对第一电容C1进行充电以获得电容电压Vcs1。并且电容电压Vcs1.通过第一二极管D1、第一稳压二极管ZD1进行稳压处理，并且取决于第一二极管D1、第一稳压二极管ZD1和源极-漏极压降VD1。例如，电容电压Vcs1.的值与第一二极管D1的导通电压、第一稳压二极管ZD1的稳压值和源极-漏极压降VD1的总和保持一致。在电路的不同模式下，电容电压Vcs1.与源极-漏极压降VD1总是保持动态平衡。
下面将简单阐述MOSFET通断情况下第一电压采集电路332的工作情况。在MOSFETQ1开启或负载正常工作时，第一驱动电压VG1对第一电容C1进行预充电/充电。由于第一电容的电容值很小，能够在极端的时间内完成充电来达到稳定的电容电压Vcs1。此时的电容电压Vcs1在检测到负载发生短路时，由于源极-漏极压降VD1的增加，因而第一驱动电压VG1可以对第一电容C1继续充电，直到该电容电压的值抬升至第一二极管D1的导通电压、第一稳压二极管ZD1的稳压值和已增加的源极-漏极压降VD1的总和。完成该电容充电过程所需的响应时间通常非常短，该电容充电响应时间主要取决于第一电容C1和限流电阻R1的值。发明人研究发现，该电容充电的响应时间是固态接触器的组件对负载电路短路保护响应时间的十分之一或者更低，优选地电容充电的响应时间约为100ns甚至更低。在该情况下，已增加的电容电压Vcs1可以输入到后续电路提供并与参考电压进行比较最终关断MOSFET Q1，由于MOSFET Q1的栅极没有驱动电压，使得栅极的驱动电压停止对第一电容C1充电。因此第一电容C1自行放电，从而第一电压采集电路停止采集漏极信号。这可以实现在短路刚开始发生时立刻关断MOSFET并且快速隔断外接负载的进一步影响。第一电压采集电路332可以确保电路快速采集与源极-漏极压降VD1的第一电压并且保护其以及后续连接电路不被浪涌、尖峰电压等所损坏。
图4示出根据本公开的固态接触器的组件中的第一电压采集电路432的另一实施例的示意电路图。图4所示的第一电压采集电路432除了第三二极管D3以外与图3所示的第一电压采集电路332在构造上实质相同。
在图4所示的固态接触器的组件中，第一电压采集电路432还包括第三二极管D3。第三二极管D3的阳极与第一稳压二极管ZD1的阴极连接，并且第三二极管D3的阴极作为第一电压采集电路432的输出端以用于提供所采集的第一电压V1。例如，第三二极管D3的阴极可以通过接地电阻(图4中未示出)接地。具体地，第三二极管D3可以用于选择性地导通第一电压V1，例如大于第三二极管D3的标称导通电压的第一电压V1。这在交流电的应用场景下是特别有利的，因为第三二极管D3可以实现负向电压的截止。
图5示出根据本公开的具有一个MOSFET的固态接触器的组件500的再一实施例的示意电路结构图。图5所示的固态接触器的组件500中的电子电力开关510、栅极驱动电路520、短路保护电路530、第一电压采集电路532、短路检测电路534和驱动电压调节电路536与图2所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，并且第一电压采集电路532可以与图4所示的第一电压采集电路432的对应组件相同，在此不再赘述。
在如图5所示的固态接触器的组件500中，短路检测电路534可以包括比较器CP。比较器CP的正输入端与第一电压采集电路532的输出端连接，且比较器CP的负输入端连接到参考电压Vref，比较器CP的输出端连接到驱动电压调节电路536的输入端。本领域技术人员可以根据具体应用场景来选择所需比较器。具体地，参考电压可以根据第一二极管D1的导通电压、第一稳压二极管ZD1的稳压值和源极-漏极压降VD1的总和分别在负载发生短路和不发生短路两种情况之间的中间数值进行设置。参考电压可以选择为恒定的直流电压源。例如，在稳压二极管的稳压值为5V的情况下，在恒定直流电压源的参考电压的数值可以设置为9V。
上面图1-图5详细阐述了具有一个MOSFET的固态接触器的组件的具体实施例。但是在交流电力系统的应用中诸如正负向电压在两个方向发生变化的情况下，单个MOSFET难以快速响应两个方向上的短路保护。针对交流电力系统的应用场景，本公开还提出了具有两个MOSFET的固态接触器的组件，并且通过图6-图9进行详细阐述。
图6示出根据本公开的具有两个MOSFET Q1和Q2的固态接触器的组件600的一实施例的示意电路结构图。图6所示的固态接触器的组件600中的栅极驱动电路620、短路保护电路630、第一电压采集电路632、短路检测电路634和驱动电压调节电路636与图1所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，在此不再赘述。
在如图6所示的固态接触器的组件600的示例性实施例中，固态接触器的组件600还包括作为第二MOSFET Q2；用于向第二MOSFET Q2的栅极提供第二驱动电压VG2的栅极驱动电路620；用于采集与第二MOSFET Q2的源极-漏极压降相关联VD2的第二电压V2的第二电压采集电路638。在该示例中，作为第二电力电子开关614的第二MOSFET Q2的源极与作为第二电力电子开关612的第一MOSFET Q1的源极连接。两者的连接点可以接地。由于两个MOSFET的源极相接可以分别检测相反方向的电信号，这特别有利于正反向的交流电系统。该连接方式特别地有利于检测正反向变化的交流电力系统。在该示例中，短路检测电路634还可以用于基于所采集的第二电压V2和前述相同的参考电压Vref进行比较判断负载650是否发生短路。驱动电压调节电路636还可以用于在所述短路检测电路634判断发生短路时调节第一驱动电压VG1和第二驱动电压VG2以断开第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2。
优选地，第二MOSFET Q2的选择、用于提供第二驱动电压VG2的栅极驱动电路620以及用于采集第二电压V2的第二电压采集电路638与图1中的MOSFET Q1、用于提供第一驱动电压VG1的栅极驱动电路120以及第一电压采集电路138在布置方式上实质相同，在此不再赘述。特别地，第二MOSFET需要选择与MOSFET Q1实质相同的MOSFET构造，以保证可以实现同时开启或关断的控制。值得注意的是，短路检测电路634可以同时检测第一电压V1、第二电压V2。响应于所检测到的电压中的任一项与参考电压的比较结果已经确定负载650发生短路时，驱动电压调节电路636可以立即且同时地关断第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2，从而实现快速的短路保护。
图7示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件700的另一实施例的示意电路结构图。图7所示的固态接触器的组件700中的栅极驱动电路720、短路保护电路730、第一电压采集电路732、短路检测电路734、驱动电压调节电路736、第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2以及第二电压采集电路738与图6所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，在此不再赘述。
在如图7所示的固态接触器的组件700中，第一电压采集电路732和第二电压采集电路734的第一输入端分别与第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2的漏极连接，第一电压采集电路732和第二电压采集电路734的第二输入端分别与第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2的栅极连接，第一电压采集电路732和第二电压采集电路738的输出端与短路检测电路734的输入端连接。第一电压采集电路732和第二电压采集电路738的具体设置可以参见前述关于图2的相关描述，在此不再赘述。
图8示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件800的再一实施例的示意电路结构图。图8所示的固态接触器的组件800中的栅极驱动电路820、短路保护电路830、第一电压采集电路832、短路检测电路834、驱动电压调节电路836、第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2、第二电压采集电路838与图7所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，并且图8所示的第一电压采集短路832与图3、图4所示的第一电压采集短路332、432相同，在此不再赘述。另外，第二电压采集短路838也可以采用与图3、图4所示的第一电压采集短路332、432相同的结构。
在如图8所示的固态接触器的组件800中，第二电压采集电路838可以包括第四二极管D4、第二稳压二极管ZD2、第五二极管D5以及第二电容C2。示例中，第四二极管D4的阴极作为第二电压采集电路838的第一输入端与第二MOSFET Q2的漏极连接。第二稳压二极管ZD2的阳极与第四二极管D4的阳极连接。第五二极管D5的阳极作为第二电压采集电路838的第二输入端与第二MOSFET Q2的栅极连接，且所述第五二极管的阴极通过限流电阻R2与第二稳压二极管ZD2的阴极连接。第二电容C2的一端通过限流电阻R2连接到第五二极管D5的阴极，即第二电容C2的一端连接到第二稳压二极管ZD2的阴极，第二电容C2的另一端接地。优选地，第二电压采集电路838中的第四二极管D4、第二稳压二极管ZD2、第五二极管D5以及第二电容C2依次与第一电压采集电路834中的第一二极管D1、第一稳压二极管ZD1、第二二极管D2以及第一电容C2实质相同。
如图8所示，第二电压采集电路838还可以包括第六二极管D6。第六二极管D6的阳极与第二稳压二极管ZD2的阴极连接，第六二极管D6的阴极作为第二电压采集电路738的输出端以用于提供所采集的第二电压。例如，第六二极管D6的阴极可以通过接地电阻R3接地。优选地，第六二极管D6与第三二极管D3实质上相同并且都起到选择性导通电容电压Vcs2的作用。通过图8可以看出采集到的第一电压和第二电压Vx相接并且共同连接到短路检测电路834的输入端。图8中的第二电压采集电路838也可以实现如图3和4所示的第一电压采集电路332、432的阐述的技术效果。
图9示出根据本公开的具有两个MOSFET的固态接触器的组件900的又一实施例的示意电路结构图。图9所示的固态接触器的组件900中的栅极驱动电路920、短路保护电路930、第一电压采集电路932、驱动电压调节电路936、第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2以及第二电压采集电路938与图8所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，在此不再赘述。
根据如图9所示的固态接触器的组件900中，短路检测电路934包括比较器CP。比较器CP的正输入端与第一电压采集电路932和第二电压采集电路938的输出端连接，且比较器CP的负输入端连接到参考电压Vref，比较器CP的输出端连接到驱动电压调节电路936的输入端。在此，比较器CP通过将采集到的电压与参考电压进行比较来判断是否短路。具体地，在负载发生短路的情况下，比较器CP通常会输出高电平以关断MOSFET Q1，否则输出低电平。本领域技术人员可以根据具体应用场景来选择所需比较器。具体地，参考电压可以根据第四二极管D4的导通电压、第二稳压二极管ZD2的稳压值和源极-漏极压降VD2的总和分别在负载发生短路和不发生短路两种情况之间的中间数值进行设置。参考电压可以选择为如前所述进行设置。特别是，针对两个MOSFET所采集的不同电压通过同一个比较器来实现对两个MOSFET的同时通断控制。这类共享比较器的设置可以进一步降低电路的成本，也有利于同时对多个MOSFET的情况进行通断控制。
在如图9所示的固态接触器的组件900中，短路检测电路934还可以包括第七二极管D7。第七二极管D7的阳极与比较器CP的输出端连接，第七二极管D7的阴极与比较器CP的正输入端连接。在此，第七二极管D7可以用于锁存输出信号。具体地，在发生短路时，由于比较器CP的输出端为高电平，第七二极管D7被导通并且将该高电平输入到比较器CP的正输入端，该高电平的值大于短路时正输入端的第一电压/第二电压Vx，并且显然大于比较器CP的参考电压。因此，在锁存的情况下，比较器CP所用的参考电压以及稳压电压的选取还可以由该比较器CP输出端的高电平值来进一步限定。在锁存模式下，即使正输入端的电压不满足比较器翻转的情况，仍然可以持续输出高电平以同时将两个MOSFET保持关断，以便于由技术人员手动地或经由控制系统自动地进行诊断。在另一示例中，可以与第七二极管D7串联一个开关(未示出)。该开关可以选择性地断开第七二极管D7与比较器的连接，从而当短路排除等正常情况时，可以以控制地方式恢复短路检测功能。在其他示例中，还可以省略第七二极管D7，以用于需要实现自动恢复的电力系统中，以便快速恢复电力系统的正常工作。本领域技术人员可以根据实际应用来选择性地设置第七二极管D7。
回到图5，虽然图5示出了一种可以自动恢复的比较器的电路图，但是图5所示的比较器CP中也可以包括上述用于实现锁存的第七二极管。
在其他示例性实施例中，根据图9所示的固态接触器的组件900，驱动电压调节电路936可以包括第一开关晶体管S1和第二开关晶体管S2。具体地，第一开关晶体管S1和第二开关晶体管S2的栅极连接到短路检测电路934的输出端。第一开关晶体管S1的漏极连接到用于向第一MOSFET Q1提供第一驱动电压VG1的栅极驱动电路的第一输入端T1。并且，第二开关晶体管S2的漏极连接到用于向第二MOSFET Q2提供第二驱动电压VG2的栅极驱动电路的第二输入端T1，并且第一开关晶体管S1和第二开关晶体管S2的源极接地。例如，第一输入端T1和第二输入端T2还可以连接到于第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2对应的驱动电源。具体地，在负载发生短路的情况下，比较器CP通常会输出高电平，该高电平使得第一开关晶体管S1和第二开关晶体管S2导通，使得与第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2对应的驱动电源仅输入到已导通的第一开关晶体管S1和第二开关晶体管S2，而不是向第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2提供对应的驱动电压，从而实现第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2的同时快速的关断。
在常规电网的三相交流电力系统中，通过设置由三相桥臂来提供不同相位的交流电。下面将基于图10和图11简单阐述本公开的三相固态接触器的具体实施例。
图10示出根据本公开的三相固态接触器1000的一实施例的示意电路图。
如图10所示的三相固态接触器1000包括三个前述的固态接触器的组件1010、1020、1030，每个固态接触器的组件连接于电网的一相上。此外，三个固态接触器的组件1010、1020、1030实质相同。以图10的固态接触器的组件1010为例，固态接触器的组件1010中的第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2源极相接并且漏极分别与L1桥臂上的电源和负载相连接。另外，固态接触器的组件1010中的第一MOSFET Q1和第二MOSFET Q2、栅极驱动电路20、第一电压采集电路32、驱动电压调节电路36以及第二电压采集电路38与图9所示的具有相同后两位的附图标记的对应组件相同，在此不再赘述。
根据图10所示的三相固态接触器1000可以实现对每一相上的电网端或负载端的短路情况进行检测，并且通过固态接触器的组件1010、1020、1030来实现在发生短路时立刻关断MOSFET。在示例中，MOSFET Q1或Q3或Q5可以配置为在输入端采集电压，用于当分别检测到相应L1、L2、L3桥臂上的短路时立即关断MOSFET。替代地，MOSFET Q2或Q4或Q6可以被配置为在输出端采集电压，特别是当检测到负载短路时立即关断MOSFET。
在此示出了栅极驱动电路20的电路结构的一个示例性实施例。如图所示，栅极驱动电路120分别连接第一驱动电源PWM1和第二驱动电源PWM2，并且可以包括用于放大第一驱动电源PWM1和第二驱动电源PWM2的功率的功放电路。根据对应的MOSFET Q1/Q2的规格参数将与其对应的MOSFET相关联的驱动电源电压的功率放大至对应的MOSFET Q1/Q2的栅极所需的驱动功率，以向对应的MOSFET Q1/Q2的栅极提供能够驱动对应的MOSFET Q1/Q2的驱动电压VG1或VG2，其中驱动电压VG1或VG2实现对对应的MOSFET Q1/Q2的通断控制。特别地，第一MOSFET Q1与第二MOSFET Q2设置完全相同。如图10所示，栅极驱动电路20中的对应的MOSFET Q1/Q2的功放电路可以包括两个发射极相连的双极型晶体管。具体地，以第一MOSFET Q1为例，两个双极性晶体管的基极接收驱动电源信号并且从相互连接的发射极将放大的驱动信号输出到第一MOSFET Q1的栅极。在一个示例中，两个双极型晶体管的集电极可以分别连接相反极性且数值相等的电压。此外，两个双极型晶体管可以互为不同的结构类型。在一个示例中，两个双极型晶体管的第一个可以是NPN型的结构类型并且第二个可以是PNP型的结构类型，且上下布置。但是，本公开涉及的栅极驱动电路20不限于此，只要能够实现快速驱动MOSFET的作用即可。
虽然图10仅示出了具有两个MOSFET的固态接触器的组件的三相固态接触器1000，但是三相固态接触器1000也可以使用如前述图1-图5所描述的具有一个MOSFET的固态接触器的组件，本发明在此不再赘述。
图11示出根据本公开的三相固态接触器1100的另一实施例的示意电路图。为了简化电路图，图11中省略了图10的固态接触器的组件1010-1030的具体电路图，仅在每个相上用固态接触器的组件1010-1030中的第一、第二和第三电力电子开关1112、1114、1116来表示。在固态接触器的组件具有一个MOSFET的情况下，电力电子开关1112、1114、1116分别具有单个MOSFET。在固态接触器的组件具有两个MOSFET的情况下，第一、第二和第三电力电子开关1112、1114、1116分别具有两个源极连接的MOSFET(Q1，Q2；Q3，Q4；Q5，Q6)。三相固态接触器1100还包括在每个固态接触器的组件的两端并联感性能量吸收电路。如图11所示，感性能量吸收电路1120、1130、1140分别并联连接在电力电子开关1112、1114、1116的两端。在一个示例中，如图11由虚线框表示的感性能量吸收电路1120、1130、1140包括位于输入端的第一、第二和第三感性能量吸收元件M1、M2、M3，以及位于输出端的第四、第五和第六感性能量吸收元件M4、M5、M6。具体而言，感性能量吸收元件M1、M2、M3可以用于吸收输入端感性能量，同时作为雷击或浪涌的保护器件。感性能量吸收元件M4、M5、M6可以被配置为吸收输出端感性能量，特别是当负载短路时或者在MOSFET关断保护的时期。特别地，第一和第四能量吸收元件M1和M4的电路可以用于抑制L1桥臂于第一电力电子开关1112两端出现的电压尖峰。同样地，第二和第五能量吸收元件M2和M5的电路可以用于抑制L2桥臂于第二电力电子开关1114两端出现的电压尖峰。另外，第三和第六能量吸收元件M2和M5的电路可以用于抑制L3桥臂于第三电力电子开关1116两端出现的电压尖峰。图11中涉及的能量吸收元件可以是本领域技术人员常用的能量吸收器。
本公开所描述的硬件计算装置的整体或其部件可以通过各种合适的硬件手段实现，包括但不限于FPGA、ASIC、SoC、离散门或晶体管逻辑、离散的硬件组件、或它们之间的任意组合。
本公开中涉及的电路、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。
本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本公开的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本公开所要保护的权利范围。

Claims (15)

1.一种固态接触器的组件，包括：
第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET作为第一电力电子开关；
栅极驱动电路，用于向所述第一MOSFET的栅极提供第一驱动电压；以及
短路保护电路，包括：
第一电压采集电路，用于采集与所述第一MOSFET的源极-漏极压降相关联的第一电压；
短路检测电路，用于基于所采集的第一电压和参考电压进行比较判断所述第一MOSFET连接的负载是否发生短路；以及
驱动电压调节电路，用于在所述短路检测电路判断所述第一MOSFET发生短路时调节所述第一驱动电压以断开所述第一MOSFET。
2.根据权利要求1所述的固态接触器的组件，其中，
所述固态接触器的组件还包括第二MOSFET作为第二电力电子开关；
所述第二MOSFET的源极与所述第一MOSFET的源极连接；
所述栅极驱动电路还用于向所述第二MOSFET的栅极提供第二驱动电压；
所述短路保护电路还包括第二电压采集电路，用于采集与所述第二MOSFET的源极-漏极压降相关联的第二电压；
所述短路检测电路还用于基于所采集的第二电压和所述参考电压进行比较判断所述负载是否发生短路；以及
所述驱动电压调节电路还用于在所述短路检测电路判断所述短路时调节所述第一驱动电压和所述第二驱动电压以断开所述第一MOSFET和所述第二MOSFET。
3.根据权利要求1所述的固态接触器的组件，其中，
所述第一电压采集电路的第一输入端与所述第一MOSFET的漏极连接，所述第一电压采集电路的第二输入端与所述第一MOSFET的栅极连接，所述第一电压采集电路的输出端与所述短路检测电路的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的固态接触器的组件，其中，
所述第一电压采集电路和所述第二电压采集电路的第一输入端分别与对应的MOSFET的漏极连接，所述第一电压采集电路和所述第二电压采集电路的第二输入端分别与所述对应的MOSFET的栅极连接，所述第一电压采集电路和所述第二电压采集电路的输出端与所述短路检测电路的输入端连接。
5.根据权利要求3所述的固态接触器的组件，所述第一电压采集电路包括：
第一二极管，所述第一二极管的阴极作为所述第一电压采集电路的第一输入端与所述第一MOSFET的漏极连接；
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阳极与所述第一二极管的阳极连接；
第二二极管，所述第二二极管的阳极作为所述第一电压采集电路的第二输入端与所述第一MOSFET的栅极连接，且所述第二二极管的阴极通过限流电阻与所述第一稳压二极管的阴极连接；以及
第一电容，所述第一电容的一端连接到所述第一稳压二极管的阴极且所述第一电容的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的固态接触器的组件，其中，所述第一电压采集电路还包括第三二极管，所述第三二极管的阳极与所述第一稳压二极管的阴极连接，所述第三二极管的阴极作为所述第一电压采集电路的输出端以用于提供所采集的第一电压。
7.根据权利要求4所述的固态接触器的组件，所述第二电压采集电路包括：
第四二极管，所述第四二极管的阴极作为所述第二电压采集电路的第一输入端与所述第二MOSFET的漏极连接；
第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的阳极与所述第四二极管的阳极连接；
第五二极管，所述第五二极管的阳极作为所述第二电压采集电路的第二输入端与所述第二MOSFET的栅极连接，且所述第五二极管的阴极通过限流电阻与所述第二稳压二极管的阴极连接；以及
第二电容，所述第二电容的一端连接到所述第二稳压二极管的阴极且所述第二电容的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的固态接触器的组件，其中，所述第二电压采集电路还包括第六二极管，所述第六二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阴极连接，所述第六二极管的阴极作为所述第二电压采集电路的输出端以用于提供所采集的第二电压。
9.根据权利要求1所述的固态接触器的组件，其中，所述短路检测电路包括比较器，所述比较器的正输入端与所述第一电压采集电路的输出端连接，且所述比较器的负输入端连接到所述参考电压，所述比较器的输出端连接到所述驱动电压调节电路的输入端。
10.根据权利要求2所述的固态接触器的组件，其中，所述短路检测电路包括比较器，所述比较器的正输入端与所述第一电压采集电路和第二电压采集电路的输出端连接，且所述比较器的负输入端连接到所述参考电压，所述比较器的输出端连接到所述驱动电压调节电路的输入端。
11.根据权利要求9或10所述的固态接触器的组件，其中，所述短路检测电路还包括第七二极管，所述第七二极管的阳极与所述比较器的输出端连接，所述第七二极管的阴极与所述比较器的正输入端连接。
12.根据权利要求2所述的固态接触器的组件，其中，所述驱动电压调节电路包括第一开关晶体管和第二开关晶体管，所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的栅极连接到所述短路检测电路的输出端，所述第一开关晶体管的漏极连接到所述栅极驱动电路中用于驱动所述第一MOSFET的第一输入端且所述第二开关晶体管的漏极连接到所述栅极驱动电路中用于驱动所述第二MOSFET的第二输入端，并且所述第一开关晶体管和所述第二开关晶体管的源极接地。
13.根据权利要求2所述的固态接触器的组件，其中，所述第一MOSFET和所述第二MOSFET选自以下中的一个：SiC MOSFET，SiMOSFET和GaN MOSFET。
14.一种三相固态接触器，包括三个如权利要求1-13所述的固态接触器的组件，每个组件连接于电网的一相上。
15.根据权利要求14所述的三相固态接触器，还包括在每个组件的两端并联感性能量吸收电路。
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