CN118041332A - 功率半导体开关的门极驱动电路、功率半导体器件和设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种功率半导体开关的门极驱动电路、功率半导体器件和电子设备。该门极驱动电路包括：触发电路、保护电路、控制电路、第一供电电路和第二供电电路；其中，第一供电电路包括：依次连接的感应线圈、整流电路和第一稳压电路，感应线圈用于套设在交流电线外侧，整流电路用于对感应线圈两端的交流电压进行整流，第一稳压电路用于将整流电路整流后的电压进行稳压后为控制电路、触发电路和保护电路供电；第二供电电路用于提取功率半导体开关的阴极和阳极之间的电压，对提取的电压进行分压和稳压后控制电路、触发电路和保护电路供电。
Description
技术领域
本公开属于电子电路技术领域，具体涉及一种功率半导体开关的门极驱动电路、功率半导体器件和设备。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
功率半导体开关例如是集成门极换流晶闸管(IGCT)、晶闸管、发射机关断晶闸管(ETO)、门极可关断晶闸管(GTO)、门极换流晶闸管(GCT)等。功率半导体开关的门极驱动电路的设计直接影响功率半导体开关的性能。
发明内容
本公开提供一种功率半导体开关的门极驱动电路、功率半导体器件和电子设备。
本公开采用如下技术方案：一种功率半导体开关的门极驱动电路，包括：触发电路、保护电路、控制电路、第一供电电路和第二供电电路；
所述触发电路连接所述功率半导体开关的门极和阴极，以向所述功率半导体开关的门极和阴极之间施加交流触发信号；
所述保护电路连接所述功率半导体开关的门极和阴极，以闭合所述功率半导体开关的门极和阴极；
所述控制电路用于为所述触发电路和所述保护电路提供控制信号；
所述第一供电电路包括：依次连接的感应线圈、整流电路和第一稳压电路，所述感应线圈用于套设在交流电线外侧，所述整流电路用于对所述感应线圈两端的交流电压进行整流，所述第一稳压电路用于将所述整流电路整流后的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电；
所述第二供电电路用于提取所述功率半导体开关的阴极和阳极之间的电压，对提取的电压进行分压和稳压后所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
在一些实施例中，所述第二供电电路包括：第一电阻、第一电容、第二电容、第二稳压电路，所述第一电阻、所述第一电容和所述第二电容依次串接在所述功率半导体开关的阳极和阴极之间，所述第一电阻的一端连接述功率半导体开关的阳极；所述第二稳压电路用于将所述第二电容两端的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
在一些实施例中，所述第二供电电路还包括连接在所述功率半导体开关的阴极和阳极之间的第二电阻。
在一些实施例中，所述控制电路包括：逻辑电路和光纤接收器，所述光纤接收器用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号，所述逻辑电路用于将从所述光纤接收器接收到的电信号转换为提供给所述触发电路和所述保护电路的控制信号。
在一些实施例中，所述触发电路包括：第三电容和第一MOSFET，所述第一MOSFET的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第一MOSFET的第一极连接所述功率半导体开关的门极，所述第一MOSFET的第二极连接所述第三电容的第一极，所述第三电容的第二极连接所述功率半导体开关的阴极。
在一些实施例中，所述保护电路包括：第三电阻和第二MOSFET，所述第二MOSFET的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第二MOSFET的第一极连接所述功率半导体开关的门极，所述第二MOSFET的第二极连接所述第三电阻的第一极，所述第三电阻的第二极连接所述功率半导体开关的阴极。
在一些实施例中，所述保护电路还包括：连接在所述功率半导体开关的阴极和门极之间的第四电阻。
本公开采用如下技术方案：一种功率半导体器件，包括功率半导体开关以及前述的门极驱动电路。
本公开采用如下技术方案：一种电子设备，包括前述的功率半导体器件。
附图说明
图1是本公开实施例的功率半导体开关的门极驱动电路的电路图。
其中，附图标记为：1、感应线圈；2、整流电路；3、第一稳压电路；4、逻辑电路；5、第一MOSFET；6、第三电容；7、第二MOSFET；8、第三电阻；9、第四电阻；10、功率半导体开关；11、第二电容；12、第一电阻；13、第一电容；14、第二电阻；15、光纤接收器；16、光纤。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本公开作进一步说明。
参考图1，本公开的实施例提供一种功率半导体开关10的门极驱动电路，包括：触发电路、保护电路、控制电路、第一供电电路和第二供电电路。
所述触发电路连接所述功率半导体开关10的门极和阴极，以向所述功率半导体开关10的门极和阴极之间施加交流触发信号。
所述保护电路连接所述功率半导体开关10的门极和阴极，以闭合所述功率半导体开关10的门极和阴极。
所述控制电路用于为所述触发电路和所述保护电路提供控制信号。
所述第一供电电路包括：依次连接的感应线圈1、整流电路2和第一稳压电路3，所述感应线圈1用于套设在交流电线外侧，所述整流电路2用于对所述感应线圈1两端的交流电压进行整流，所述第一稳压电路3用于将所述整流电路2整流后的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
感应线圈1例如是CT感应线圈1，由前级低压高频感应电源(未示出)提供高频电流信号。通过调整感应线圈1的匝数来控制第一供电电路的输入电压以及电流范围。保证第一供电电路接收到合适的输入功率的同时实现低压供电电源与高压的功率半导体开关10一侧的电气隔离在10KV以上。
整流电路2例如是二极管整流桥。
所述第二供电电路用于提取所述功率半导体开关10的阴极和阳极之间的电压，对提取的电压进行分压和稳压后所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
本公开实施例中设计2套供电电路。2套供电电路共同为控制电路、触发电路和保护电路供电。可以增加供电效率并降低整体门极驱动电路的体积和成本。
具体地，第一供电电路和第二供电电路的对应的输出端可以直接短接或者经过二极管后短接。本申请对2套供电电路为同一电路供电的连接方式不做限定。
在一些实施例中，所述第二供电电路包括：第一电阻12、第一电容13、第二电容11、第二稳压电路，所述第一电阻12、所述第一电容13和所述第二电容11依次串接在所述功率半导体开关10的阳极和阴极之间，所述第一电阻12的一端连接述功率半导体开关10的阳极；所述第二稳压电路用于将所述第二电容11两端的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
第一电容13和第二电容11的容抗通常是远大于功率半导体开关10导通状态时正阴极之间的电阻。当多个功率半导体开关10串联时，即使各功率半导体开关10的性能参数略有不同，各功率半导体开关10所连接的第一电荷第二电容11的容抗的一致性以及第一电阻12的阻值的一致性可以远大于功率半导体开关10性能参数的一致性。这使得各个功率半导体开关10实际接收到的正阴极电压的一致性能够得到适当地提升。
第一电阻12、第一电容13和第二电容11用于动态均压。
在另一些实施例中，第二供电电路也可以先对功率半导体开关10的正阴极电压进行稳压后分压。
在一些实施例中，所述第二供电电路还包括连接在所述功率半导体开关10的阴极和阳极之间的第二电阻14。
第二电阻14用于静态均压。在一些实施例中，第二电阻14的阻值小于功率半导体开关10导通状态时阴极和阳极之间的体电阻的十分之一。
第二电阻14的作用也是使得串联连接的各个功率半导体开关10实际接收到的正阴极电压的一致性能够得到适当地提升，提高功率半导体开关10的可靠性。
在一些实施例中，所述控制电路包括：逻辑电路4和光纤接收器15，所述光纤接收器15用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号，所述逻辑电路4用于将从所述光纤接收器15接收到的电信号转换为提供给所述触发电路和所述保护电路的控制信号。
通过光纤16为控制电路提供信号，可有效实现远程控制端与门极驱动电路之间的高压隔离，并且光纤16远距离传输信号具有很强的抗干扰特性。
在一些实施例中，所述触发电路包括：第三电容6和第一MOSFET5，所述第一MOSFET5的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第一MOSFET5的第一极连接所述功率半导体开关10的门极，所述第一MOSFET5的第二极连接所述第三电容6的第一极，所述第三电容6的第二极连接所述功率半导体开关10的阴极。
第三电容6例如是低感、低损耗、高di/dt耐量、高dv/dt耐量的MKT电容。
具体地，可以由多个图1所示的触发电路并联连接，从而提高门极驱动电路的杂散参数，使门极触发能力达到di/dt>1000A/us，电流峰值Ip>1000A。同时利用其高di/dt与高dv/dt耐量的特点实现门极驱动满足以上单次触发能力的同时重复触发能力大于100Hz。
在一些实施例中，所述保护电路包括：第三电阻8和第二MOSET7，所述第二MOSET7的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第二MOSET7的第一极连接所述功率半导体开关10的门极，所述第二MOSET7的第二极连接所述第三电阻8的第一极，所述第三电阻8的第二极连接所述功率半导体开关10的阴极。
第二MOSET7接收到使其关闭的控制信号后，功率半导体开关10的门极和阴极之间解除短路状态。同时第一MOSFET5接收到使其导通的控制信号，第三电容6放电形成高di/dt，大电流的门阴触发信号，触发功率半导体开关10导通。
第二MOSET7接收到使其导通的控制信号后，功率半导体开关10的门极和阴极短路。
在一些实施例中，所述保护电路还包括：连接在所述功率半导体开关10的阴极和门极之间的第四电阻9。
具体地，功率半导体开关10的阴极所连接的节点接收负的电源电压。
本公开的实施例提供一种功率半导体器件，包括功率半导体开关10以及前述的门极驱动电路。
功率半导体器件例如是变频器、变压器、变流器等。
本公开的实施例提供一种电子设备，包括前述的功率半导体器件。
电子设备例如是充电桩、电动汽车、轨道交通车辆、发电机等。
本公开中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本公开的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变形而不脱离本公开的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本公开权利要求及其等同技术的范围，则本公开的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (9)
1.一种功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，包括：触发电路、保护电路、控制电路、第一供电电路和第二供电电路；
所述触发电路连接所述功率半导体开关的门极和阴极，以向所述功率半导体开关的门极和阴极之间施加交流触发信号；
所述保护电路连接所述功率半导体开关的门极和阴极，以闭合所述功率半导体开关的门极和阴极；
所述控制电路用于为所述触发电路和所述保护电路提供控制信号；
所述第一供电电路包括：依次连接的感应线圈、整流电路和第一稳压电路，所述感应线圈用于套设在交流电线外侧，所述整流电路用于对所述感应线圈两端的交流电压进行整流，所述第一稳压电路用于将所述整流电路整流后的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电；
所述第二供电电路用于提取所述功率半导体开关的阴极和阳极之间的电压，对提取的电压进行分压和稳压后所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
2.根据权利要求1所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述第二供电电路包括：第一电阻、第一电容、第二电容、第二稳压电路，所述第一电阻、所述第一电容和所述第二电容依次串接在所述功率半导体开关的阳极和阴极之间，所述第一电阻的一端连接述功率半导体开关的阳极；所述第二稳压电路用于将所述第二电容两端的电压进行稳压后为所述控制电路、所述触发电路和所述保护电路供电。
3.根据权利要求2所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述第二供电电路还包括连接在所述功率半导体开关的阴极和阳极之间的第二电阻。
4.根据权利要求1所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括：逻辑电路和光纤接收器，所述光纤接收器用于接收光信号并将接收到的光信号转换为电信号，所述逻辑电路用于将从所述光纤接收器接收到的电信号转换为提供给所述触发电路和所述保护电路的控制信号。
5.根据权利要求1所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述触发电路包括：第三电容和第一MOSFET，所述第一MOSFET的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第一MOSFET的第一极连接所述功率半导体开关的门极，所述第一MOSFET的第二极连接所述第三电容的第一极，所述第三电容的第二极连接所述功率半导体开关的阴极。
6.根据权利要求1所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述保护电路包括：第三电阻和第二MOSFET，所述第二MOSFET的栅极从所述控制电路接收控制信号，所述第二MOSFET的第一极连接所述功率半导体开关的门极，所述第二MOSFET的第二极连接所述第三电阻的第一极，所述第三电阻的第二极连接所述功率半导体开关的阴极。
7.根据权利要求6所述的功率半导体开关的门极驱动电路，其特征在于，所述保护电路还包括：连接在所述功率半导体开关的阴极和门极之间的第四电阻。
8.一种功率半导体器件，其特征在于，包括功率半导体开关以及根据权利要求1至7中任一项所述的门极驱动电路。
9.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求8所述的功率半导体器件。
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