本发明专利技术提供了一种基于SiC MOSFET的电压钳位子模块、固态开关，属于高压固态开关技术领域，子模块包括两个SiC MOSFET开关管，三个钳位二极管，一个电容和两个电阻。其中一个钳位二极管的存在，使子模块导通状态时缓冲电容的电压维持在稳态值，提升了关断时子模块的电压上升速度。关断时尖峰电压会被吸收，削弱了尖峰部分的电压震荡，加快了关断暂态过程，提升电压过载能力，使得本发明专利技术应用范围更加广泛；两个桥臂同时导通时，可以均分电流，提升载流能力，进一步拓展了电压钳位子模块的使用场景；在负载因其他故障出现反向电流时，可以等效为缓冲电容的充电回路，从而把故障电流的能量转移到中储存起来，抑制反向电流，增加了系统的可靠性。统的可靠性。统的可靠性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于SiC MOSFET的电压钳位子模块、固态开关
[0001]本专利技术属于高压固态开关
，更具体地，涉及一种基于SiC MOSFET的电压钳位子模块、固态开关。
技术介绍
[0002]电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)是核聚变相关实验的重要辅助加热方式，然而，ECRH系统的核心部件电子回旋管非常脆弱，当发生过压、过流、打火等故障时回旋管将承受大量能量，可能会损坏，因此需迅速切断其供电电源，限制涌向负载的能量。为了保护负载和提高实验效率，需要在高压电源和负载之间设计一个高压开关装置，在10微秒内关断故障电流并将关断能量限制在几焦耳之内。
[0003]高压开关根据自身特性可分为机械开关、固态开关和混合式开关三类。半导体固态开关的开关速度可以达到纳秒至微秒级别，而且开关频率高、使用寿命长、无开断电弧，适用于高电压、高功率场合，广泛应用于高压辅助电源、高压脉冲发生器、X线机等。相较于其他方案，半导体固态开关优势较大。
[0004]目前广泛使用的基于Si基器件的高压固态开关由于存在拖尾效应，其关断能量和关断时间等参数很难满足要求。新型宽禁带半导体器件碳化硅(SiC)MOSFET以其载流大、耐高压、开关速度快等优势很适合应用于高压固态开关领域。由于单个SiC MOSFET的电压限制，串联SiC MOSFET是阻挡较高电压的一种合适的解决方案。然而，SiC MOSFET器件串联时容易产生电压不平衡。较高的开关速度也会导致较大的过电压，并需要较低的驱动器时延。为了解决这些问题，目前的解决方案分为两类，即栅极侧技术和漏
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源侧技术。栅极侧技术使用辅助电路来调整集电极
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发射极电压的上升率或使用瞬态电压抑制二极管来钳位集电极
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栅极电压。然而由于SiC MOSFET具有更高的开关速度，而这些方法的响应时间太长，因此这些方法大多用于IGBT，不适用于SiC MOSFET。电阻
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电容
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二极管(RCD)电路是无源吸收电路中应用广泛且易于实现的电路。但电容会降低开关速度，增加功率损耗。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提出一种基于SiC MOSFET的电压钳位子模块、固态开关，旨在解决高压固态开关领域开关速度慢、过载能力弱、响应时间长等技术问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于SiC MOSFET的固态开关电压钳位子模块。该电压钳位子模块电路由两个SiC MOSFET开关管T1和T2，三个钳位二极管D1、D2、D2，一个电容C1和两个电阻R1和R2组成。
[0007]进一步地，T1和D2相连构成第一桥臂，T2和D1相连构成第二桥臂，T1的源极与D2的正极相连，T1的漏极与D1的正极相连，T2的漏极与D1的负极相连，T2的源极与D2的负极相连，两个桥臂共用一个电压钳位电路，R1和D3并联，R2和C1并联，R1的一端和D3的正极与D1的负极(T2的漏极)相连，R1的另一端和D3的负极与R2的一端和C1的正极相连，R2的另一端和C1的负极与
D2的正极(T1的源极)相连，通过开断T1、T2使模块对外呈现开关特性。
[0008]更进一步地，电路的工作过程为：首先T1、T2关断，电源端输出高压或者由单独的充电电源为缓冲电容C1充电，稳态后T1、T2、C1两端电压均等于整个模块承受电压。当导通信号发出时，假设T1导通，整个子开关模块呈导通状态。放电结束或者出现短路时，关断信号发出，T1关断，整个子开关模块呈关断状态。如果短路电流过大，T2先导通一个极短的时间，使两个桥臂均分短路电流后，T1、T2再一起关断。至此，一次完整的放电过程结束。
[0009]第一种导通放电模式为T1、T2关断，电源缓慢升压通过D1、D3为缓冲电容C1充电，并通过均压电阻R2均压，T1、T2和C1两端电压均达到稳态值V1后即准备好进行一次脉冲放电，放电开始T1导通，T1、D2桥臂的电流升高、电压降低，C1进行放电。
[0010]第二种过流关断模式为放电结束后，T1接收到关断信号关断，子模块开始截流。由于C1两端电压仍然维持在V1，故可提高子模块电压上升速度从而加快关断速度，由杂散电感和器件寄生电容震荡导致的关断过压通过D1和D3向C1充电，因此吸收了电压尖峰，降低开关关断过压。
[0011]第三种过流均流模式为当负载(电子回旋管)发生短路或电源故障导致子模块电流上升到40A及以上时，一个桥臂已经无法持续承受这么大的电流。此时T2导通，第一桥臂的电流均流到第二桥臂，第二桥臂电压下降、电流上升，直到两个桥臂均分短路电流。然后T1、T2同时关断，此时两个桥臂电压上升、电流下降，直到子模块完全关断。
[0012]优选地，SiC MOSFET器件选择CREE的分立式封装SiC MOSFET C2M0080170P，额定电压为1700V，额定电流为40A。
[0013]优选地，二极管器件选择IXYS的分立式快恢复肖特基Si基整流二极管DSI45
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16A，额定电压为1600V，额定电流为48A。
[0014]优选地，考虑C2M0080170P的阻断电阻和R2的泄漏电流，R2阻值选择100kΩ，考虑缓冲电容的短暂放电、杂散电感以及安全裕度，电阻R2选择RTP无感厚膜电阻，持续耗散功率值35W，TO
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247封装。
[0015]优选地，R1取与R2相同型号的RTP无感厚膜100kΩ电阻，持续耗散功率值35W，TO
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247封装。
[0016]优选地，缓冲电容C1选择EACO STC
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1500
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1.8
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6G，耐压1500V、电容值1.8μF。
[0017]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0018](1)与相关技术相比，本专利技术中钳位二极管D2的存在，使子模块导通状态时缓冲电容C1的电压维持在之前的稳态值，使得缓冲电容一直保持带电状态，因此提升了关断时子模块的电压上升速度。杂散电感导致的关断尖峰电压也会被C1吸收，从而削弱了尖峰部分的电压震荡，加快了关断暂态过程，使得本专利技术应用范围更加广泛。
[0019](2)本专利技术中缓冲电容C1在关断时可以吸收过压，提升电压过载能力，并且两路桥臂同时导通时，可以均分电流，使载流能力提升一倍，可以用于短路电流过大的工况，进一步拓展了固态开关电压钳位子模块的使用场景。
[0020](3)本专利技术解决了相关技术中的开关速度慢、过载能力弱、响应时间长等技术问题。并可以在负载因其他故障出现反向电流时，等效为缓冲电容C1的充电回路，从而把故障电流的能量转移到C1中储存起来，对反向电流进行抑制，增加了系统的可靠性。
导通，第一桥臂的电流均流到T2桥臂，第二桥臂电压下降、电流上升，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于SiC MOSFET的电压钳位子模块，其特征在于，包括两个SiC MOSFET开关管T1和T2，三个钳位二极管D1、D2、D2，一个电容C1和两个电阻R1和R2；T1和D2相连构成第一桥臂，T2和D1相连构成第二桥臂，T1的源极与D2的正极相连，T1的漏极与D1的正极相连，T2的漏极与D1的负极相连，T2的源极与D2的负极相连，两个桥臂共用一个电压钳位电路，R1和D3并联，R2和C1并联，R1的一端和D3的正极与D1的负极相连，R1的另一端和D3的负极与R2的一端和C1的正极相连，R2的另一端和C1的负极与D2的正极相连，通过开断T1、T2使模块对外呈现开关特性。2.根据权利要求1所述的电压钳位子模块，其特征在于，所述子模块包括3种开关模式，具体为：导通放电模式：T1、T2关断，电源通过D1、D3为C1充电，T1、T2和C1两端电压均达到稳态值V1后，T1导通，第一桥臂的电流升高、电压降低，C1进行放电；过流关断模式：放电结束或者出现短路时，T1关断，产生的关断过压通过D1和D3向C1充电；过流均流模式：负载发生短路或者电源故障过流时，T2导通，第一桥臂的电流均流到第...
【专利技术属性】
技术研发人员：马少翔，李志恒，朱帮友，张明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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