用于保护可控开关的保护电路和保护方法与流程

本发明的实施例涉及用于保护可控开关的保护电路和保护方法。

背景技术：

可控开关，例如：绝缘栅双极型晶体管(igbt)和金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，在工作过程中经常会产生过压的问题。现有技术中通常通过有源电压钳位(avc)电路来解决上述问题，有源电压钳位电路的实质是对可控开关两端的电压进行闭环控制。然而，在实际应用中，可控开关的延迟效应会对该闭环控制产生负面影响，从而引起不想要的电压振荡。

图1为现有技术中的用于igbt的保护电路600的示意图。保护电路600包括avc电路620和门极驱动器610。avc电路620耦合在该igbt的集电极和门极之间，用于对集电极和发射极之间的第一电压vce进行钳位。门极驱动器610耦合在igbt的门极和发射极之间。图2示出了在igbt关断期间第一电压vce的波形810，及门极和发射极之间的第二电压vge的波形820。参见图2，第一、第二电压的波形810、820均呈现出剧烈的振荡，可能会导致igbt的损坏。

因此，有必要提供一种新的用于保护可控开关的保护电路和保护方法来解决上述问题。

技术实现要素：

一种用于保护可控开关的保护电路，其中，该可控开关包括控制端、第一端和第二端，且该可控开关的该第二端的电势低于该第一端的电势。该保护电路包括有源钳位模块和阻尼模块。有源钳位模块耦合在所述可控开关的该第一端和该控制端之间，用于对该第一端和该第二端之间的第一电压进行钳位。阻尼模块耦合在所述有源钳位模块的输出端，且用于抑制该控制端和该第二端之间的第二电压的振荡。

一种用于保护可控开关的保护方法，其中，该可控开关包括控制端、第一端和第二端，且该第二端的电势低于该第一端的电势，该保护方法包括：通过耦合在所述可控开关的该第一端和该控制端之间的有源钳位模块，对所述第一端和所述第二端之间的第一电压进行钳位；及通过耦合在所述有源钳位模块的输出端的阻尼模块，抑制该控制端和该第二端之间的第二电压的振荡。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1为现有技术中的保护电路的示意图；

图2示出了在可控开关关断期间第一、第二电压的波形图，其中，该可控开关由图1中所示的保护电路保护；

图3为根据本发明一具体实施例的保护电路的示意图；

图4为根据本发明另一具体实施例的保护电路的示意图；

图5示出了可控开关关断期间的第一、第二电压的波形图，其中，该可控开关由图4中所示的保护电路保护；

图6为根据本发明另一具体实施例的保护电路的示意图；

图7为根据本发明另一具体实施例的保护电路的示意图；及

图8为根据本发明另一具体实施例的保护电路的示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本发明的具体实施例涉及用于保护可控开关的保护电路，该保护电路可以防止可控开关产生过压现象，具有良好的钳位性能。

图3为根据本发明一具体实施例的保护电路100的示意图。保护电路100耦合于可控开关200且用于保护可控开关200。可控开关200包括控制端201、第一端203和第二端205，其中，第二端205的电势低于第一端203。

可控开关200可能包括绝缘栅双极型晶体管(igbt)及金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)中的至少一个。在一些实施例中，可控开关200包括igbt，该控制端201、第一端203、第二端205分别为igbt的门极、集电极和发射极。在另一些实施例中，可控开关200包括mosfet，该控制端201、第一端203、第二端205分别为mosfet的门极、漏极和源极。

参见图3，保护电路100包括门极驱动器110、有源钳位模块120、阻尼模块130和二极管140。

门极驱动器110耦合于可控开关200的控制端201，用于通过向控制端201发送控制信号来驱动可控开关200。

有源钳位模块120耦合在可控开关200的第一端203和控制端201之间，用于对第一端203和第二端205之间的第一电压进行钳位。在一些实施例中，有源钳位模块120包括至少一个瞬态抑制二极管(tvs)。

阻尼模块130耦合于有源钳位模块120的输出端，用于抑制控制端201和第二端205之间的第二电压的振荡。在一些实施例中，阻尼模块130包括滤波器，例如：带通滤波器或低通滤波器。

二极管140耦合于阻尼模块130的输出端和可控开关200的控制端201之间，用于允许电流从阻尼模块130流向控制端201，防止电流从控制端201流向阻尼模块130。在一些实施例中，二极管140具有与可控开关200的控制端201耦合的负极及与阻尼模块130输出端耦合的正极。

图4为根据本发明另一具体实施例的保护电路300的示意图。保护电路300包括门极驱动器310、有源钳位模块320、阻尼模块330和二极管340。

门极驱动器310耦合在控制端201和第二端105之间，且其包括电压源311和与该电压源311串联耦合的关断电阻r3。

耦合在第一端203和控制端201之间的有源钳位模块320包括tvs或齐纳二极管，其包括与可控开关200的第一端203耦合的负极，及与阻尼模块330的输入端耦合的正极。有源钳位模块320用于对第一端203和第二端205之间的第一电压进行钳位。

阻尼模块包括低通滤波器330，用于滤除来自有源钳位模块320的高频信号，从而抑制控制端201和第二端205之间的第二电压的振荡。具体地，低通滤波器330包括第一电阻r1和第一电容c1。第一电阻r1耦合在可控开关200的第一端203和控制端201之间，且与有源钳位模块320串联。第一电容c1耦合在可控开关200的控制端201和第二端205之间。

在图4所示的实施例中，第一电阻r1具有耦合于tvs320正极的第一端和经由二极管340耦合于控制端201的第二端。第一电容c1具有第一端和第二端，该第一电容的第一端耦合于第一电阻r1的第二端，该第一电容的第二端耦合于可控开关200的第二端205。二极管340的正极耦合于第一电阻r1和第一电容c1之间的节点，二极管340的负极耦合于可控开关200的控制端201。

图5示出了可控开关关断期间的第一电压的波形910和第二电压的波形920，其中，该可控开关由图4中所示的保护电路保护。参见图5，第二电压的波形920一开始呈现振荡，然后趋于稳定。第一电压的波形910在可控开关200关断期间大致保持稳定。与图2中的波形相比较可知，阻尼模块有效抑制了电压振荡，从而降低了可控开关的损坏风险。

图6为根据本发明另一具体实施例的保护电路的示意图。保护电路400包括门极驱动器410、有源钳位模块420、阻尼模块430和二极管440。

有源钳位模块420包括多个耦合在可控开关200的第一端203和控制端201之间的tvs，每个tvs具有击穿电压。相比于由单个tvs构成的有源钳位模块，例如：图4中所示的有源钳位模块320，图6中的有源钳位模块420能够提供更高的钳位阈值，这是因为有源钳位模块420的钳位阈值等于所有tvs的击穿电压的总和。当第一电压超过钳位阈值时，该多个tvs同时开始工作对第一电压进行钳位。

门极驱动器410、阻尼模块430和二极管440可能分别与保护电路100、300中的对应元件相类似，此处不再赘述。

图7为根据本发明另一具体实施例的保护电路500的示意图。保护电路500包括门极驱动器510、有源钳位模块520、阻尼模块530、二极管540和旁路模块550。

有源钳位模块520包括多个耦合在可控开关200的第一端203和控制端201之间的tvs。

旁路模块550与该多个tvs中的至少一个并联耦合，且其用于在第一电压的上升速率超过一预设的旁路阈值时，使该至少一个tvs(以下简称“第一部分tvs”)旁路，这样，一旦第一电压超过第一钳位阈值时，其他未被旁路的tvs(以下简称“第二部分tvs”)会首先开始工作，其中，该第一钳位阈值等于第二部分tvs的击穿电压的总和，所以该第一钳位阈值小于在所有tvs都工作时的第二钳位阈值(所有tvs击穿电压的总和)。当第二部分tvs开始对第一电源进行钳位，第一电压的上升速率会减小。然后，旁路模块550将不再对第一部分tvs进行旁路，第一部分tvs将开始工作，和第二部分tvs一起对第一电压进行钳位。

在图6所示的实施例中，有源钳位模块420上没有与之耦合的旁路模块，所以当第一电压超过钳位阈值(所有tvs击穿电压的总和)时，所有tvs同时开始工作。然而，在图7所示的实施例中，有源钳位模块520的一部分tvs(第二部分tvs)在第一电压超过钳位阈值(所有tvs击穿电压的总和)之前就开始工作。这样，有源钳位模块520会比图6中的有源钳位模块420更早地启动，也就是说，通过旁路模块550可以加速有源钳位模块520的启动过程。

在图7所示的实施例中，有源钳位模块520包括第一tvs521和第二tvs522。旁路模块550并联耦合于第一tvs521，且旁路模块550包括第二电容c2；旁路阈值取决于第二电容c2的参数。当第一电压以超过该旁路阈值的速率上升时，第一tvs521将会被旁路模块520旁路，第二tvs522会在第一电压上升至第二tvs522的击穿电压时对第一电压进行钳位。然后，当第一电压的上升速率降低后，第一tvs521也开始工作和第二tvs522一起对第一电压进行钳位。

门极驱动器510、阻尼模块530和二极管540可能与保护电路100、300中的相应元器件相类似，此处不再赘述。

图8为根据本发明另一具体实施例的保护电路700的示意图。保护电路700包括门极驱动器710、包括两个tvs721、722的有源钳位模块720、阻尼模块730、二极管740、旁路模块750和限压器760。

门极驱动器710、有源钳位模块720、阻尼模块730和二极管740分别与保护电路500中的对应元器件相类似，此处不再赘述。

旁路模块750包括第二电容c2及与第二电容c2串联的第二电阻r2。第二电容c2用于在第一电压的上升速率超过预设的旁路阈值时，使有源钳位模块720中的一部分tvs旁路。第二电阻r2用于限制流过第二电容c2和第二电阻r2的电流。

限压器760耦合在可控开关200的控制端201和第二端205之间，且用于将控制端201和第二端205之间的第二电压限制在一预设的范围内。当第二电压上升至超出该预设范围的值时，限压器开始工作对该第二电压进行钳位。

在一些实施例中，限压器包括双向齐纳二极管760，其耦合在可控开关200的控制端201和第二端205之间。双向齐纳二极管760用于在可控开关的开通期间使旁路模块750中的第二电容c2复位。

当可控开关处于正常工作状态时，其被多次地、交替地开通及关断。在关断期间，第二电阻r2被充电以使tvs旁路，然后当可控开关开通时，会使第二电容c2放电，以使之在下一个关断期间到来前复位。第二电容c2经由第二电阻r2、可控开关200、双向齐纳二极管760、第一电阻r1和tvs722放电。在放电完成后，第二电容c2两端的电压被恢复到初始值，该初始值取决于双向齐纳二极管760的击穿电压，为一个固定值。这样，在每次放电结束之后且在下一个关断期间到来之前，第二电容c2两端的电压均相同，这有助于保证旁路模块每一次工作时在性能上保持一致。

本发明的实施例还涉及用于保护可控开关的保护方法，其中，该可控开关包括控制端、第一端和第二端，该第二端的电势低于该第一端。

该方法包括通过耦合在可控开关的该第一端和该控制端之间的有源钳位模块，对所述第一端和所述第二端之间的第一电压进行钳位；及通过耦合在有源钳位模块的输出端的阻尼模块，抑制该控制端和该第二端之间的第二电压的振荡。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。