一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件，包括依次串联的m个主功率开关管，其中m为大于2的正整数，其中，第1层主功率开关管Q1的源极连接负极母线N，主功率开关管Q1的栅极连接PWM信号，并通过电阻R1分别连接主功率开关管Q1源极和均压电阻R13输出端，电阻R13输入端连接第2层主功率开关管Q2的驱动电路中的二极管D21的负极，电阻R13两端连接有电容C1；本实用新型专利技术有效降低了第一只开关管与最后一只开关管导通或关断的时间差，从而实现多只开关管的顺序导通方式的串联，从而达到若干只开关管串联的目的。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及静止无功发生器、柔性直流输电等需要高压开关器件应用场合，是一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件。
技术介绍
在电力系统及高电压电力电子技术应用中，为了在获取更大的系统容量的同时，有效的降低系统损耗，通常采用提高系统电压等级、降低其对应电流的方法来降低损耗，从而达到此种目的。为了满足高压场合的应用要求，传统上可以采用以下两种措施：(1)使用高电压等级的开关器件和无源器件(电阻电容等)，从而满足高压大电流的应用需求，此技术的难点在于：目前开关特性较为理想的开关器件都难以满足在高电压的情况下的电流容量要求。(2)使用多个低电压等级变换器单元进行级联，提高总电压等级，从而实现高压大电流的应用需求，此技术的难点在于：通过开关管串联形式形成的高压开关组增加的系统的复杂程度，从而降低了系统的可靠性，在实现高压开关功能的同时，引入了变换器单元间的均压控制问题。 (3)使用开关管进行串联，从而实现高压场合的应用，目前的顺序导通主要为采用多只开关管，利用开关管的一个一个依顺序导通的方式，实现开关管串联，目前的顺序导通能够实现2只开关管的串联，开关管的串联数量大于2时，由于开关管较多，会出现第一个开关管与最后一个开关管的开通或关断延时较大，从而出现无法均压的技术问题。目前，在国家电力系统应用领域亟需应用新的电力电子技术解决传统电网的共性问题的需求下，高压开关芯片还未实现突破的前提下，通过低压器件串联构成的高压开关组技术成为高压场合应用问题解决方法的发展方向。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术提出一种由开关器件、电阻、电容、TVS(瞬态抑制器) 等构成串联高压开关组，有效的解决了开关器件的导通、关断需要外部供电及多路PWM控制信号进行单独控制的问题。为了实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件，包括依次串联的m个主功率开关管，其中m为大于等于2的正整数，其中，第1层主功率开关管Q1的源极连接负极母线N，主功率开关管Q1的栅极连接PWM信号，并通过电阻R1分别连接主功率开关管Q1源极和电阻R13一端，电阻R13另一端连接第2层主功率开关管Q2的驱动电路中的二极管D21的负极，电阻R13两端连接有电容C1；第n层主功率开关管Qn的栅极与源极之间连接有稳压管Dn3，其中，m≥n≥2，n为正整数，主功率开关管Qn的源极连接辅助开关管Qn1的漏极，辅助开关管Qn1的源极通过电阻Rn2分别与主功率开关管Qn的栅极以及二极管Dn2的负极连接，辅助开关管Qn1的栅极分别与二极管Dn1和二极管Dn2的正极连接，同时，辅助开关管Qn1的栅极通过电阻Rn1分别连接二极管Dn1的负极和均压电阻Rn3输出端，均压电阻Rn3输出端连接上一层主功率开关管Qn-1控制电路中的均压电阻R(n-1)3的输入端，所述均压电阻Rn3的两端连接有电容Cn；第m层主功率开关管Qm的漏极与均压电阻Rm3的输入端连接至正极母线P。所述每个主功率开关管的源极和漏极之间均连接有开关管均压电阻。所述均压电阻Rn3均采用阻值相同的电阻。所述PWM信号通过隔离驱动电路(Driver)接入第1层主功率开关管Q1的栅极。所述稳压管采用瞬态抑制器。本技术高压开关的开通顺序如下：当隔离驱动电路(Driver)的输入PWM信号由低电平转换为高电平时，主功率开关管Q1的栅源电压从低电平转换为高电平，主功率开关管Q1开始导通，节点dQ1处电压开始快速下降，主功率开关管Q1的下层主功率开关管Q2的栅源电容受到由电阻R21和二极管D22组成的回路充电而升高，当主功率开关管Q2栅源电压达到开通门限电压，则主功率开关管Q2导通， 主功率开关管Q2栅源电压最大值受到瞬态抑制器D23钳位保护；主功率开关管Q3和Q4的导通原理与此相同，上层主功率开关管导通则下层主功率开关管的栅源电容开始充电，当其栅源电压达到门限电压后主功率开关管导通；综上所述，主功率开关管Q1由隔离驱动电路(Driver)驱动导通后，主功率开关管Q2、Q3和Q4依次导通，不需另加隔离驱动电路。本技术高压开关的关断顺序如下：当隔离驱动电路(Driver)的输入PWM信号由高电平转换为低电平时，主功率开关管Q1的栅源电压从高电平转换为低电平，主功率开关管Q1开始关断，dQ1电压开始快速上升，主功率开关管Q1的下层主功率开关管Q2的栅源电容经过二极管D21、辅助开关管Q21与电阻R22组成的回路放电而下降，当主功率开关管Q2栅源电压达到开通门限电压，则主功率开关管Q2关断，主功率开关管Q2栅源电压最小值受到瞬态抑制器D23正向导通压降钳位，主功率开关管Q3和Q4的关断原理与此相同，上层主功率开关管关断则下层主功率开关管栅源电容开始放电，当其栅源电压下降到门限电压后主功率开关管关断，综上所述，主功率开关管Q1由隔离驱动电路驱动关断后，主功率开关管Q2、Q3和Q4依次关断，不需另加外部由弱电控制的驱动电路。与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果，本技术通过对高压开关的开通和关断顺序进行优化和调整，调整了其开通和关断的时刻，实现了驱动、供电电路的统一，有效的解决了开关器件的导通、关断需要外部供电及多路PWM控制信号进行单独控制的问题，实现了单一PWM控制信号控制多只开关器件的功能。附图说明图1为四只主功率开关管(MOSFET)串联顺序导通的电路结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术进行详细说明。如图1所示，图中，包括依次串联的主功率开关管(主功率MOSFET)Q1、Q2、Q3和 Q4，其中称Qn+1是Qn的下层，Qn是Qn+1的上层；隔离驱动电路Driver为主功率开关管Q1提供门极驱动脉冲；电容Cx和均压电阻Rx3并联(其中x＝2，3，4)，分别为主功率开关管Q2，Q3和Q4栅极的开通或关断提供电源；三路顺序开关自驱动电路由Dx1，Dx2，Dx3，Rx1，Rx2和Qx1组成(其中x＝2，3，4)，这三路驱动电路结构相同，该电路不受PWM信号直接控制，而是受下层主功率开关管(主功率MOSFET)漏极电压控制，三路顺序开关自驱动电路分别为对应的主功率开关管Q2，Q3和Q4提供栅极驱动脉冲；图1中，依次串联4个主功率开关管，其中，第1层主功率开关管Q1的源极连接负极母线N，PWM信号通过隔离驱动电路(Driver)接入第1层主功率开关管Q1的栅极，主功率开关管Q1的栅极通过电阻R1分别连接主功率开关管Q1源极和均压电阻R13输出端，均压电阻R13输入端连接第2层主功率开关管Q2的驱动电路中的二极管D21的负极，均压电阻R13两端连接有电容C1；第2层主功率开关管Q2的栅极与源极之间连接有瞬态抑制器D23，主功率开关管Q2的源极连接辅助开关管Q21的漏极，辅助开关管Q21的源极通过电阻R22分别与主功率开关管Q2的栅极以及二极管D22的负极连接，辅助开关管Q21的栅极分别与二极管D21和二极管D22的正极连接，同时，辅助开关管Q21的栅极通过电阻R21分别连接二极管D21的负极和均压电阻R23输出端，均压电阻R23输出端连接上一层主功率开关管Q1控制电路中的均压电阻R13的输入端，所述均压电阻R23的两端连接有电容C2；第3层主功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件，其特征在于，包括依次串联的m个主功率开关管，其中m为大于等于2的正整数，其中，第1层主功率开关管Q1的源极连接负极母线N，主功率开关管Q1的栅极连接PWM信号，并通过电阻R1分别连接主功率开关管Q1源极和电阻R13一端，电阻R13另一端连接第2层主功率开关管Q2的驱动电路中的二极管D21的负极，电阻R13两端连接有电容C1；第n层主功率开关管Qn的栅极与源极之间连接有稳压管Dn3，其中，m≥n≥2，n为正整数，主功率开关管Qn的源极连接辅助开关管Qn1的漏极，辅助开关管Qn1的源极通过电阻Rn2分别与主功率开关管Qn的栅极以及二极管Dn2的负极连接，辅助开关管Qn1的栅极分别与二极管Dn1和二极管Dn2的正极连接，同时，辅助开关管Qn1的栅极通过电阻Rn1分别连接二极管Dn1的负极和均压电阻Rn3输出端，均压电阻Rn3输出端连接上一层主功率开关管Qn‑1控制电路中的均压电阻R(n‑1)3的输入端，所述均压电阻Rn3的两端连接有电容Cn；第m层主功率开关管Qm的漏极与均压电阻Rm3的输入端连接至正极母线P。

【技术特征摘要】
1.一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件，其特征在于，包括依次串联的m个主功率开关管，其中m为大于等于2的正整数，其中，第1层主功率开关管Q1的源极连接负极母线N，主功率开关管Q1的栅极连接PWM信号，并通过电阻R1分别连接主功率开关管Q1源极和电阻R13一端，电阻R13另一端连接第2层主功率开关管Q2的驱动电路中的二极管D21的负极，电阻R13两端连接有电容C1；第n层主功率开关管Qn的栅极与源极之间连接有稳压管Dn3，其中，m≥n≥2，n为正整数，主功率开关管Qn的源极连接辅助开关管Qn1的漏极，辅助开关管Qn1的源极通过电阻Rn2分别与主功率开关管Qn的栅极以及二极管Dn2的负极连接，辅助开关管Qn1的栅极分别与二极管Dn1和二极管Dn2的正极连接，同时，辅助开关管Qn1的栅极通过电阻Rn1分别连接二极管Dn1的负极和均压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鑫，李翔，高礼，韩亚强，
申请(专利权)人：特变电工新疆新能源股份有限公司，特变电工西安柔性输配电有限公司，
类型：新型
国别省市：新疆;65