CN202034896U - 一种开关器件电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关器件电路，包括：N个通过源极和漏极相串联的开关管，及N-1个二极管与稳压器件；第1开关管的栅极为该电路的第一输入端，源极为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端；第N开关管的漏极为该电路的第一输出端；第i二极管的阴极与第i稳压器件的阴极耦合至第i+1开关管的栅极处，第i二极管的阳极连接于电源正极；第i+1开关管的源极与第i开关管的漏极连接，第i+1开关管的漏极与第i+2开关管的源极连接。通过上述采用多个较低耐压的开关管串联，并在某一开关管导通时，直接由电路电源直接提供该开关管的驱动电压，因此不会产生额外的损耗，能够实现降低损耗、提高整个电路可靠性和高效性的目的。

Description

一种开关器件电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，更具体的说是涉及一种开关器件电路。

背景技术

在现行的电网中，对于电网电压较高的场合需要使用耐压为1000V以上的高耐压晶体管作为开关器件，但是，由于耐压1000V以上的晶体管属于相对比较特殊的器件，采购周期长、价格高。因此，现有技术中一般采用提高耐压的电路替代高耐压晶体管进行使用，现有技术中主要有以下三种电路。

其一，由两个MOS管Q1和Q2串联构成提高器件耐压的电路。如图1所示，下管Q1受PWM控制电路的直接驱动，当Q1由从导通变为关断时，Q1的漏极和源极两端电压随之升高，当Q1的漏极和源极两端电压接近稳压管ZD1电压时，此时上管Q2的栅极和源极电压低于导通门槛电压，Q2进入关断状态。当Q1、Q2都关断时，Q1分担的电压由稳压管ZD1的稳压值决定。其中，当Q1由关断转为导通时DS两端电压下降，此时，电阻R1将为Q2提供驱动电流，以使Q2也导通，但是，在该电路中由于R1受自身功耗的限制，不能在Q2导通时提供较大的驱动电流，致使Q2的导通速度慢，以及造成较大的Q2开关损耗和导通损耗，因此该电路效率低，通常只适用于功率很小的场合。

其二，为专利(申请号为200810028422.4)中提供的提高器件耐压的电路，如图2所示，主要基于其一的现有技术，采用在稳压管D4上并联一电容C2，通过Q2导通时C2的放电来改善Q1的驱动，并在开关管Q1门极和源极之间采用电阻和二极管串联代替图1中的稳压管ZD1；但是，采用该电路虽然C2的放电能提高Q1的驱动能力，不受R1自身功耗的限制，但C2充放电过程中本身会产生较大的损耗。因此该电路和图1虽然可适用于更大功率等级的应用，但效率仍然较低。

其三：为解决图1中，上管Q1驱动能力不足的问题，采用如图3所示的电路，当上管SW2导通时，所需的较大驱动电流由CB1提供；当上管SW2和下管SW1关断时，其电压分配由CB1、CB2的电压决定，而CB1和CB2的分压则由绕组NP1和NP2的变比决定，但是，该电路较为复杂，虽然加强了上管SW2的驱动能力，但是在SW2的驱动过程，以及在维持电容CB1和CB2电压的平衡的过程仍然会产生较大的损耗，造成整个电路的效率降低。

有上述可知，无论采用现有技术中的哪种提高器件耐压的电路，都会存在电路中的器件损耗过大，因而降低整个电路效率的问题，因此，迫切的需要一种新的提高器件耐压的电路。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种开关器件电路，以克服现有技术中在提高器件耐压过程中产生损耗过大，造成降低整个电路的可靠性和效率的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种开关器件电路，包括：N个通过源极和漏极相串联的开关管，及N-1个二极管与稳压器件；

第1开关管的栅极为该电路的第一输入端，源极为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端，源极与该电路的电源负极连接；第N开关管的漏极为该电路的第一输出端；

第i二极管的阴极与第i稳压器件的阴极耦合至第i+1开关管的栅极处，所述第i二极管的阳极连接于电源正极；

所述第i+1开关管的源极与第i开关管的漏极连接，所述第i+1开关管的漏极与第i+2开关管的源极连接；

其中，所述N的取值为大于等于3的正整数，i的取值范围为1～(N-1)。

优选的，所述第i稳压器件的阳极连接于第1开关管至第i开关管中任一开关管的栅极处或源极处。

优选的，还包括，至少并联于一个所述稳压器件上的电容Ci。

优选的，还包括，至少并联于一个所述二极管上的电容Cj。

优选的，还包括，连接于所述电路的电源正极与负极之间的第一电容C1。

优选的，还包括，分别并联于N个开关管的栅极与源极之间的N个箝位保护模块；

所述箝位保护模块包括：稳压管，或瞬变电压抑制二极管TVS。

优选的，所述N-1个稳压器件包括：稳压管，或瞬变电压抑制二极管TVS。

优选的，所述N个开关管包括：

N沟道型MOS管NMOS，或绝缘栅双极型晶体管IGBT，或大功率三极管；

所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极对应所述漏极，发射极对应所述源极；

所述大功率三极管的集电极对应所述漏极，发射极对应所述源极，基极对应所述栅极。

优选的，所述电路作为降压式变换电路BUCK中的开关管，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

优选的，所述电路作为升压电路BOOST电路中的开关管，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

优选的，所述电路作为反激电路中的开关管，所述第N开关管的漏极与所述反激电路的原边绕组相连。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种开关器件电路，主要通过N个通过源极和漏极相串联的开关管，以及N-1个二极管与稳压器件构成；其中，第1开关管的栅极为该电路的第一输入端，源极为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端，且该源极还与电路电源负极相连接；第N开关管的漏极为该电路的第一输出端；第i二极管的阴极与第i稳压器件的阴极耦合至第i+1开关管的栅极处，第i二极管的阳极连接于电源正极；第i+1开关管的源极与第i开关管的漏极连接，第i+1开关管的漏极与第i+2开关管的源极连接。通过上述采用多个较低耐压的开关管串联，并在某一开关管导通时，直接由电路电源直接提供该开关管的驱动电压，不需要任何转换电路，因此不会产生额外的损耗，能够实现降低损耗、提高整个电路可靠性和高效性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种开关器件电路示意图；

图2为现有技术中的另一种开关器件电路示意图；

图3为现有技术中的另一种开关器件电路示意图；

图4为本实用新型实施例一公开的一种开关器件电路示意图；

图5为本实用新型实施例一公开的另一种开关器件电路示意图；

图6为本实用新型实施例二公开的一种开关器件电路示意图；

图7为本实用新型实施例三公开的一种开关器件电路示意图；

图8为本实用新型实施例作为反激电路中的开关管时的电路示意图；

图9为本实用新型实施例作为BUCK电路中的开关管时的电路示意图；

图10为本实用新型实施例作为BOOST电路中的开关管时的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

由背景技术可知，现有技术中的提高器件耐压的电路，在向开关管提供驱动电压时，都会受到电路中电阻或电容的影响，造成开关管的驱动过程以及在维持整个电路的平衡过程中都会产生较大的损耗，从而影响整个电路的可靠性和高效性。因此，本实用新型实施例公开了一种新的开关器件的电路，主要通过N个通过源极和漏极相串联的开关管，及N-1个二极管与稳压器件构成；本实用新型的电路包括输入端和输出端，输入端包括两个端子，分别为第一输入端和第二输入端，输出端包括两个端子，分别为第二输入端和第二输出端；其中，将第1开关管的栅极作为该电路的第一输入端，源极作为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端，且该源极还与该电路的电源负极连接；对于第N开关管，则将其漏极作为该电路的第一输出端。

上述N个开关管与N-1个二极管和稳压器件的连接关系为：第i二极管的阴极与第i稳压器件的阴极耦合至第i+1开关管的栅极处，所述第i二极管的阳极连接于电源正极；所述第i+1开关管的源极与第i开关管的漏极连接，所述第i+1开关管的漏极与第i+2开关管的源极连接；其中，所述N的取值为大于等于3的正整数，i的取值范围为1～(N-1)。

通过上述采用多个较低耐压的开关管串联，并在某一开关管导通时，直接由电路电源直接提供该开关管的驱动电压，不需要任何转换电路，因此不会产生额外的损耗，能够实现降低损耗、提高整个电路可靠性和高效性的目的。具体过程通过以下实施例进行说明。

实施例一

如图4所示，为本实用新型实施例公开的一种开关器件电路示意图，主要包括：N个开关管，以及N-1个二极管和稳压器件。

图4中所示开关管的第一端子为源级，第二端子为漏极，第三端子为栅极。所有开关管通过源级和漏极相串联，连接的过程具体为：

第i开关管Qi的漏极连接第i+1开关管Q(i+1)的源极，该第i+1开关管Q(i+1)的漏极连接第i+2开关管Q(i+2)的源级。

第i稳压器件ZDi和第i二极管Di的阴极相连接，并耦合到第i+1开关管Q(i+1)的栅极，即第i二极管Di的阴极连接第i+1开关管Q(i+1)的栅极，此时，第i二极管Di的阳极则连接电路电源的正极，第i+1开关管Q(i+1)的栅极通过第i稳压器件ZDi接第1开关管Q1的源级，第1开关管Q1的源级则连接电路电源的负极。需要说明的是，在公开的该实施例中，所有开关管的栅极都通过其连接的稳压器件与第1开关管Q1的源级相连接，即所有稳压器件的阳极都连接于第1开关管的源极处。

第1开关管Q1的栅极和源极作为该电路的第一输入端和第二输入端；第N开关管QN的源级和第1开关管Q1的源极作为该电路的第一输出端和第二输出端；其中，第1开关管Q1的源极作为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端子。

针对上述描述需要说明的是，有关该电路中的开关管、二极管和稳压器件的个数，其中，N的取值为大于等于3的正整数，i的取值范围则为1～(N-1)。

需要说明的是，在稳压管ZDi上还可以并联有电容Ci，该电容加速了开关管的开通和关断。可以在每个稳压管ZDi上都并联电容，也可以在一个或部分稳压管上并联电容Ci。另外，在二极管Di上也可以并联有电容Cj，该电容同样可以加速开关管的通断，可以在每个二极管上都并联电容Cj，也可以在一个或部分二极管上并联电容Cj。所述电容Ci和Cj还可以是二极管或稳压管的寄生电容。

上述本实用新型公开的实施例的具体工作过程为：

第1开关管Q1通过第一输入端和第一输出端，接收脉冲驱动信号的直接驱动，由电路结构可知，当开关管Q(i-1)的导通，连接于开关管Qi栅极处的二极管D(i-1)导通，此时，Vcc通过该二极管D(i-1)为开关管Qi的栅极充电，直至Qi导通。因此，当开关管Q1由脉冲驱动信号驱动导通后，Q2至QN则依次导通。

当开关管Q1在脉冲驱动信号的控制下关断，此时，由于开关管Q(i-1)的关断，该开关管的漏极和源极的电压上升，当上升至Vcc时，连接于开关管Qi栅极处的二极管D(i-1)截止，此时，开关管Qi的栅极电压降低，直至该开关管Qi关断。因此，由于开关管Q1由脉冲驱动信号控制下关断后，Q2至QN则依次关断。

由上可知，本实用新型提供的电路中串联有多个具有较低耐压值的开关管，并且提供给第i开关管的驱动电压直接来自于电路的电源，因此不需任何转换电路。其中，当第i开关管导通时，电源只需提供第i开关管栅极导通时所需要的驱动能量，不会产生其它损耗；当从第i+1至第N开关管关断时，电路中的第i二极管将电源与第i稳压器件分开，此时也不会产生额外的损耗，因此，本实用新型提供了一种在提高器件耐压的同时，还能降低电路损耗，以及提高整个电路可靠性和高效性的电路结构，并且本实用新型所提供的电路还可以替代需要一个高耐压值的开关管的电路场合。

此外，在上述本实用新型公开的实施例的基础上，如图5所示，该电路中还包括：连接于所述电路的电源正极与负极之间的第一电容C1。

如图5所示，该电路中还包括：分别并联于N个开关管的栅极与源极之间的N个箝位保护模块，该箝位保护模块可以为稳压管，也可以为瞬变电压抑制二极管TVS。

实施例二

如图6所示，本实用新型还公开了一种开关器件电路，主要包括：N个开关管，以及N-1个二极管和稳压器件。

图6中所示开关管的第一端子为源级，第二端子为漏极，第三端子为栅极。所有开关管通过源级和漏极相串联，连接的过程具体为：

第i开关管Qi的漏极连接第i+1开关管Q(i+1)的源极，该第i+1开关管Q(i+1)的漏极连接第i+2开关管Q(i+2)的源级。

第i稳压器件ZDi和第i二极管Di的阴极相连接，并耦合到第i+1开关管的栅极，即第i二极管Di的阴极连接第i+1开关管Q(i+1)的栅极，此时，第i二极管Di的阳极则连接电路电源的正极，第i+1开关管Q(i+1)的栅极通过第i稳压器件ZDi连接于第i开关管Qi的栅极。

实施例三

如图7所示，本实用新型还公开了一种开关器件电路，主要包括：N个开关管，以及N-1个二极管和稳压器件。

图7中所示开关管的第一端子为源级，第二端子为漏极，第三端子为栅极。所有开关管通过源级和漏极相串联，连接的过程具体为：

第i开关管Qi的漏极连接第i+1开关管Q(i+1)的源极，该第i+1开关管Q(i+1)的漏极连接第i+2开关管Q(i+2)的源级。

第i稳压器件ZDi和第i二极管Di的阴极相连接，并耦合到第i+1开关管的栅极，即第i二极管Di的阴极连接第i+1开关管Q(i+1)的栅极，此时，第i二极管Di的阳极则连接电路电源的正极，第i+1开关管Q(i+1)的栅极通过第i稳压器件ZDi连接于第i开关管Qi的源极。

在实施例二和实施例三中，与实施例一中不同的是稳压器件的连接方式，因此，对于MOS管而言，至少一个稳压器件的阴极连接Qi的栅极即可，而所连接的稳压器件的阳极则可以连接第1开关管Q1至第i开关管Qi中任一开关管的栅极处，如图6中为ZDi连接到Qi的栅极；或第1开关管Q1至第i开关管Qi中任一开关管的源级处，如图7中为ZDi连接到Qi的源极。其所改变的只是稳压管的取值不同而已，并不会影响整个电路的工作过程。如图4中的每个稳压器件ZDi的取值与开关管Q1至开关管Qi的所有耐压值相关，而在图5中，稳压器件ZDi的取值至于对应的开关管Qi的耐压值相关。

上述公开的实施例，同样采用串联有多个具有较低耐压值的开关管的方式，并且提供给第i开关管的驱动电压也直接来自于电路的电源，因此不需任何转换电路。能够实现降低损耗、提高整个电路可靠性和高效性的目的。

需要说明的是，在上述本实用新型公开的实施例中，所述N-1个稳压器件可以为稳压管，也可以为瞬变电压抑制二极管TVS；所述N个开关管可以为N沟道型MOS管NMOS，也可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT，也可以为大功率三极管。其中，当开关管为IGBT时，根据其工作原理，其集电极即对应实施例中的漏极，发射极对应源极；当开关管为大功率三极管时，根据其工作原理，其集电极对应实施例中的漏极，发射极对应源极，基极则对应栅极。

需要说明的是，图4、图6和图7所示的实施例可以组合使用，即阴极连接在开关管栅极的所有稳压管中，一部分稳压管ZDi的阳极连接第一开关管Q1的源极，一部分稳压管ZDi的阳极连接开关管Qi的栅极，另一部分稳压管ZDi的阳极连接开关管Q1到Qi的任一开关管的源极。

此外，上述本实用新型所公开的实施例中的电路，可以封装成一个包括四个管脚或引脚的独立半导体器件，所述四个管脚或引脚分别为所述第一输入端、第一输出端、电源正端、和第二输入端第二输出端的公共端。

当封装好的上述电路作为反激电路中的开关管时，如图8所示，所述第N开关管的漏极与所述反激电路的原边绕组相连。

当封装好的上述电路作为降压式变换电路BUCK中的开关管时，如图9所示，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

当封装好的上述电路作为升压电路BOOST电路中的开关管时，如图10所示，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

综上所述

通过上述本实用新型实施例中所公开的提高耐压器件的电路，采用串联有多个具有较低耐压值的开关管替代高耐压晶体管，并在某一开关管导通时，直接由电路电源直接提供该开关管的驱动电压，不需要任何转换电路，因此不会产生额外的损耗，能够实现降低损耗、提高整个电路可靠性和高效性的目的。并且本实用新型所提供的电路还可以替代需要一个高耐压值的开关管的电路场合。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种开关器件电路，其特征在于，包括：N个通过源极和漏极相串联的开关管，及N-1个二极管与稳压器件；

第1开关管的栅极为该电路的第一输入端，源极为该电路的第二输入端和第二输出端的公共端，源极与该电路的电源负极连接；第N开关管的漏极为该电路的第一输出端；

第i二极管的阴极与第i稳压器件的阴极耦合至第i+1开关管的栅极处，所述第i二极管的阳极连接于电源正极；

所述第i+1开关管的源极与第i开关管的漏极连接，所述第i+1开关管的漏极与第i+2开关管的源极连接；

其中，所述N的取值为大于等于3的正整数，i的取值范围为1～N-1。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第i稳压器件的阳极连接于第1开关管至第i开关管中任一开关管的栅极处或源极处。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括，至少并联于一个所述稳压器件上的电容Ci。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括，至少并联于一个所述二极管上的电容Cj。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括，连接于所述电路的电源正极与负极之间的第一电容C1。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括，分别并联于N个开关管的栅极与源极之间的N个箝位保护模块；

所述箝位保护模块包括：稳压管，或瞬变电压抑制二极管TVS。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述N-1个稳压器件包括：稳压管，或瞬变电压抑制二极管TVS。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述N个开关管包括：

N沟道型MOS管NMOS，或绝缘栅双极型晶体管IGBT，或大功率三极管；

所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极对应所述漏极，发射极对应所述源极； 

所述大功率三极管的集电极对应所述漏极，发射极对应所述源极，基极对应所述栅极。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路作为降压式变换电路BUCK中的开关管时，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路作为升压电路BOOST电路中的开关管时，所述第N开关管的漏极连接于所述BUCK电路中的二极管的阳极。

11.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路作为反激电路中的开关管时，所述第N开关管的漏极与所述反激电路的原边绕组相连。 

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