CN210693764U - 图腾柱电路、大功率半导体器件及新能源汽车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种图腾柱电路、大功率半导体器件及新能源汽车，图腾柱电路包括NPN三极管、门极开通电阻、门极关断电阻、PNP三极管、第一钳位二极管及限流电阻；NPN三级管的集电极连接正供电电压，NPN三极管的基极连接第一钳位二极管的阴极，NPN三极管的发射极连接第一钳位二极管的阳极及门极开通电阻的一端；PNP三级管的集电极连接负供电电压，PNP三极管的基极连接限流电阻的一端，PNP三极管的发射极连接门极关断电阻的一端；限流电阻的另一端连接电平输入端，门极开通电阻与门极关断电阻的另一端均连接电平输出端。本实用新型在节约成本又保证图腾柱电路驱动能力时，确保三极管安全，降低半导体器件的风险。

Description

图腾柱电路、大功率半导体器件及新能源汽车

技术领域

本实用新型涉及电机控制器领域，特别涉及一种图腾柱电路、大功率半导体器件及新能源汽车。

背景技术

市场中的现有产品包括：车载电机控制器、工业变频器和伺服电机控制等所有用到大功率半导体产品。在大功率的电子电力产品中会使用大功率半导体器件(IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、Mosfet(金氧半场效晶体管)、SCR(可控硅整流元件)等)，驱动和控制芯片因为驱动能力小无法直接驱动大功率半导体器件，要通过驱动图腾柱电路增强驱动能力，一般的驱动图腾柱电路中的三极管b(基)极与e(发射)极存在会被反压击穿风险和存在无法可靠关断风险，如果要保证三极管安全和区分门极开通关断速度则会带来复杂的电路设计和成本增加。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中图腾柱电路中的三极管中的基极与发射极易被反压击穿的风险，从而使得整体电路不可靠的缺陷，提供一种图腾柱电路、大功率半导体器件及新能源汽车。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本实用新型提供了一种图腾柱电路，其包括NPN(一种电流从基极和集电极流入从发射极流出的三极管)三极管、门极开通电阻、门极关断电阻、PNP(一种电流从发射极流入后从基极和集电极流出的三极管)三极管、第一钳位二极管及限流电阻；

所述NPN三级管的集电极连接正供电电压，所述NPN三极管的基极连接所述限流电阻的一端以及所述第一钳位二极管的阴极，所述NPN三极管的发射极连接所述第一钳位二极管的阳极以及所述门极开通电阻的一端；

所述PNP三级管的集电极连接正供电电压，所述PNP三极管的基极连接所述限流电阻的一端，所述PNP三极管的发射极连接所述门极关断电阻的一端；

所述限流电阻的另一端连接电平输入端，所述门极开通电阻与所述门极关断电阻的另一端均连接电平输出端。

本实用新型中的图腾柱电路不仅能够增强驱动电流，确保大功率半导体器件开通和关断的速度，并且通过在NPN三极管的基极与发射极之间添加第一钳位二极管从而可以在没有驱动大功率半导体器件的情况下，避免由于电平输出端有电压，而导致大功率半导体器件开通的不必要的风险，也进一步使得反向电压在可控的范围内，确保大功率半导体门极电荷安全可靠地泄放。

较佳地，所述图腾柱电路还包括第二钳位二极管，所述PNP三极管的基极连接所述限流电阻的一端以及所述第二钳位二极管的阳极，所述PNP三极管的发射极连接所述第二钳位二极管的阴极以及所述门极关断电阻的一端。

本实用新型中的图腾柱电路在开通时，通过第一钳位二极管将NPN三极管发射极的部分电压释放，从而避免NPN三极管被反压击穿的风险，提高了电路的可靠性。

本实用新型中的图腾柱电路在关断时，通过第二钳位二极管将PNP三极管集电极的部分电压释放，从而避免PNP三极管被反压击穿的风险，提高了电路的可靠性。

较佳地，所述第一钳位二极管的耐压等级大于1.2倍所述正供电电压，且所述第一钳位二极管的峰值浪涌电流大于1.2倍所述门极开通电阻的峰值浪涌电流；

和/或，

所述第二钳位二极管的耐压等级大于1.2倍所述正供电电压，且所述第一钳位二极管的峰值浪涌电流大于1.2倍所述门极关断电阻的峰值浪涌电流。

较佳地，所述第一钳位二极管包括快恢复二极管、肖特基二极管、开关二极管中的任意一种；

和/或，

所述第二钳位二极管包括快恢复二极管、肖特基二极管、开关二极管中的至少一种。

本实用新型所选用的钳位二极管成本低，参数指标要求不高，选型简单，因此，可以在大大节约成本又保证图腾柱电路的驱动能力的同时，确保三极管安全，大大降低大功率半导体器件的风险。

较佳地，所述门极开通电阻及所述门极关断电阻包括金属膜电阻及线绕无感电阻中的任意一种。

较佳地，所述电平输入端用于连接驱动芯片的驱动端，所述电平输出端连接大功率半导体器件的门极。

其中，所述驱动芯片用于驱动大功率半导体器件，所述图腾柱电路用于增强所述驱动芯片的驱动能力。

本实用新型在有效避免了三极管被反压击穿、提高整体电路的可靠性的同时，也增强了驱动电流，增强了驱动能力。

本实用新型还提供了一种大功率半导体器件，所述功率半导体器件包括上述的图腾柱电路。

较佳地，所述大功率半导体器件的门极连接所述图腾柱电路中的电平输入端。

本实用新型中的大功率半导体器件，通过连接图腾柱电路中的电平输入端，从而可以使其能够被驱动芯片驱动，并且其设计简单，也有效地节约了成本。

较佳地，所述大功率半导体器件包括MCT(金属氧化半导体控制晶闸管)、IGCT(成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强栅晶体管)、IPEM(集成电力电子模块)、PEBB(电力电子集成系统)、超大功率晶闸管、脉冲功率闭合开关晶闸管、集成门极换流晶闸管、IGBT(绝缘栅门极晶体管)、IEGT(注入增强栅晶体管)、MOS(金属氧化半导体)门控晶闸管、砷化镓二极管、碳化硅与碳化硅功率器件中的任意一种。

本实用新型还提供了一种新能源汽车，所述新能源汽车包括上述大功率半导体器件。

本实用新型中，通过在新能源汽车中应用包括上述图腾柱电路的大功率半导体器件，从而在增强新能源汽车的驱动力的同时也避免了电路中存在三极管被反压击穿，以及在大功率半导体器件没有驱动时被反向驱动的风险，也避免了复杂的电路设计，有效地降低了成本。

本实用新型的积极进步效果在于：本实用新型中的图腾柱电路不仅能够增强驱动电流，确保大功率半导体器件开通和关断的速度，并且通过NPN三极管与PNP三极管的通过在NPN三极管的b极与e极之间添加第一钳位二极管从而可以在没有驱动大功率半导体器件的情况下，避免由于电平输出端有电压，而导致大功率半导体器件开通的不必要的风险，也进一步使得反向电压在可控的范围内，确保大功率半导体门极电荷安全可靠地泄放，并且，本实用新型所选用的钳位二极管成本低，参数指标要求不高，选型简单，因此，可以在大大节约成本又保证图腾柱电路的驱动能力的同时，确保三极管安全，大大降低大功率半导体器件的风险。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的图腾柱电路的电路示意图。

图2为本实用新型实施例2的图腾柱电路的电路示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

实施例1

本实施例提供了一种图腾柱电路，如图1所示，包括NPN三极管11、门极开通电阻12、门极关断电阻13、PNP三极管14、第一钳位二极管15及限流电阻17。

其中，NPN三级管11的集电极连接正供电电压+VCC，NPN三极管11的基极连接限流电阻17的一端以及第一钳位二极管15的阴极，NPN三极管11的发射极连接第一钳位二极管15的阳极以及门极开通电阻12的一端。

其中，PNP三级管14的集电极连接负供电电压-VCC，PNP三极管14的基极连接限流电阻17的一端，PNP三极管14的发射极连接门极关断电阻13的一端；

其中，限流电阻17的另一端用于接入外部驱动芯片的电平输入端18，门极开通电阻12与门极关断电阻13的另一端均连接电平输出端19，本实施例中，通过PWM(脉冲宽度调制)来实现电平输入端18的电平的控制。

其中，门极开通电阻12及门极关断电阻13的具体阻值需要根据实际中对开通及关断速度的具体需求进行设置，具体设置方法为现有技术，在此不再赘述。

为了更好的理解本实施例，下面对本实施例的原理做进一步的说明：

本实施例中的图腾柱电路，电平输入端18通过同一信号驱动NPN三极管11及PNP三极管14的两个b极，具体而言，当驱动信号为高时，NPN三极管11导通；当驱动信号为低时，PNP三极管14导通。利用两个三极管来构成推挽输出。而在没有驱动大功率半导体器件的情况下，若电平输出端19有电压会导致电路接通，从而使得大功率半导体器件开通，由此会造成不必要的风险，而通过在NPN三极管11的b极及e极之间接一钳位二极管15可以将电平输出端19多余的电荷通过图1中的门极开通电阻12、第一钳位二极管15、限流电阻17所在的路径泄放掉，从而可以防止大功率半导体器件在不需要驱动时的被误驱动的状况，由此也可以降低风险。

本实施例中的图腾柱电路不仅能够增强驱动电流，确保大功率半导体器件开通和关断的速度，并且通过在NPN三极管的基极与发射极之间添加第一钳位二极管从而可以在没有驱动大功率半导体器件的情况下，避免由于电平输出端有电压，而导致大功率半导体器件开通的不必要的风险，也进一步使得反向电压在可控的范围内，确保大功率半导体门极电荷安全可靠地泄放。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上所做出的进一步改进，如图2所示，本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例在PNP三极管14的b极及c极之间添加了第二钳位二极管16，具体而言，PNP三极管14的基极连接限流电阻17的一端以及第二钳位二极管16的阳极，PNP三极管14的发射极连接第二钳位二极管16的阴极以及门极关断电阻13的一端。

其中，本实施例中所使用的第一钳位二极管15及第二钳位二极管16的成本低，参数指标要求不高，选型简单，其选型遵循以下三点原则：

(1)耐压等级要大于1.2倍VCC；

(2)峰值浪涌电流IFM(surge)(峰值涌浪电流)要大于1.2*VCC/R，R表示电阻的阻值，其中对于第一钳位二极管15，其峰值浪涌电流IFM(surge)要大于1.2倍的电路电压除以门极开通电阻12的阻值，对于第二钳位二极管16，其峰值浪涌电流IFM(surge)要大于1.2倍的电路电压除以门极关断电阻13的阻值；

(3)反向恢复时间短，开通特性硬。

具体而言，第一钳位二极管15及第二钳位二极管16可以为快恢复二极管、肖特基二极管、开关二极管中的任意一种。

其中，本实施例中所使用的门极开通电阻12及门极关断电阻13的选型原则为抗浪涌能力强，低温度系数，高精度，无感的电阻，比如金属膜电阻、线绕无感电阻，具体型号需要基于驱动对象去具体确认，在此不再赘述。

本实施例中，电平输入端18用于连接驱动芯片的驱动端，电平输出端19连接大功率半导体器件的门极。其中，驱动芯片用于驱动大功率半导体器件，图腾柱电路设置于驱动芯片和大功率半导体器件之间，用于增强驱动芯片的驱动能力。

为了更好的理解本实施例，下面对本实施例的原理做进一步的说明：

在大功率半导体器件接通开通时，电流从NPN三极管11的c极流向e极，由于e极电压比c极高，可以通过第一钳位二极管15将部分反向电压释放，如图2所示，其泄放路径依次为NPN三极管11、第一钳位二极管15、限流电阻17；在大功率半导体器件关断时，PNP三极管14的c极比e极电压高，因此，可以通过第二钳位二极管16将c极的部分反向电压释放，其泄放路径依次为限流电阻17、第二钳位二极管16、门极关断电阻13。本实施例，通过第一钳位二极管15及第二钳位二极管16将反向电压的释放，从而避免图腾柱电路的三极管b极与c极被反压击穿的风险及无法可靠关断的风险。

实施例3

本实施例提供了一种大功率半导体器件，该大功率半导体器件的门极连接实施例1或实施例2中的图腾柱电路中的电平输出端，该大功率半导体器件可以为MCT、IGCT、IEGT、IPEM、PEBB、超大功率晶闸管、脉冲功率闭合开关晶闸管、集成门极换流晶闸管、IGBT、IEGT、MOS门控晶闸管、砷化镓二极管、碳化硅与碳化硅功率器件中的任意一种。

本实施例中的大功率半导体器件，通过连接图腾柱电路中的电平输入端，从而可以使其能够被驱动芯片驱动，并且其设计简单，也有效地节约了成本。

实施例4

本实施例提供了一种新能源汽车，该新能源汽车包括实施例3中的大功率半导体器件。

本实施例中，通过在新能源汽车中应用包括实施例1或实施例2中的图腾柱电路的大功率半导体器件，从而在增强新能源汽车的驱动力的同时也避免了电路中存在三极管被反压击穿，以及在大功率半导体器件没有驱动时被反向驱动的风险，也避免了复杂的电路设计，有效地降低了成本。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种图腾柱电路，其特征在于，包括NPN三极管、门极开通电阻、门极关断电阻、PNP三极管、第一钳位二极管及限流电阻；

所述NPN三级管的集电极连接正供电电压，所述NPN三极管的基极连接所述限流电阻的一端以及所述第一钳位二极管的阴极，所述NPN三极管的发射极连接所述第一钳位二极管的阳极以及所述门极开通电阻的一端；

所述PNP三级管的集电极连接负供电电压，所述PNP三极管的基极连接所述限流电阻的一端，所述PNP三极管的发射极连接所述门极关断电阻的一端；

所述限流电阻的另一端连接电平输入端，所述门极开通电阻与所述门极关断电阻的另一端均连接电平输出端。

2.如权利要求1所述的图腾柱电路，其特征在于，所述图腾柱电路还包括第二钳位二极管，所述PNP三极管的基极连接所述限流电阻的一端以及所述第二钳位二极管的阳极，所述PNP三极管的发射极连接所述第二钳位二极管的阴极以及所述门极关断电阻的一端。

3.如权利要求2所述的图腾柱电路，其特征在于，所述第一钳位二极管的耐压等级大于1.2倍所述正供电电压，且所述第一钳位二极管的峰值浪涌电流大于1.2倍所述门极开通电阻的峰值浪涌电流；

和/或，

所述第二钳位二极管的耐压等级大于1.2倍所述供电端的正供电电压，且所述第一钳位二极管的峰值浪涌电流大于1.2倍所述门极关断电阻的峰值浪涌电流。

4.如权利要求2所述的图腾柱电路，其特征在于，所述第一钳位二极管包括快恢复二极管、肖特基二极管、开关二极管中的任意一种；

和/或，

所述第二钳位二极管包括快恢复二极管、肖特基二极管、开关二极管中的至少一种。

5.如权利要求1或2所述的图腾柱电路，其特征在于，所述门极开通电阻及所述门极关断电阻包括金属膜电阻及线绕无感电阻中的任意一种。

6.如权利要求1或2所述的图腾柱电路，其特征在于，所述电平输入端用于连接驱动芯片的驱动端，所述电平输出端用于连接大功率半导体器件的门极。

7.一种大功率半导体器件，其特征在于，所述大功率半导体器件包括如权利要求1-6中任意一项所述的图腾柱电路。

8.如权利要求7所述的大功率半导体器件，其特征在于，所述大功率半导体器件的门极连接所述图腾柱电路的电平输入端。

9.如权利要求7所述的大功率半导体器件，其特征在于，所述大功率半导体器件包括MCT、IGCT、IEGT、IPEM、PEBB、超大功率晶闸管、脉冲功率闭合开关晶闸管、集成门极换流晶闸管、IGBT、IEGT、MOS门控晶闸管、砷化镓二极管、碳化硅与碳化硅功率器件中的任意一种。

10.一种新能源汽车，其特征在于，所述新能源汽车包括如权利要求7-9中任意一项所述的大功率半导体器件。

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