一种t型三电平电路及其芯片与模块的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型涉及一种T型三电平电路及其芯片与模块。
【背景技术】
[0002] 近几年，宽禁带材料及宽禁带半导体越来越多地得到了人们的关注，如碳化硅 Mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管）、碳化硅二极管、氮化镓晶体管等，他们的开关 速度非常快，导通阻抗也不大。由于宽禁带材料的引入，带来了半导体器件耐压和导通能力 上相比传统材料半导体革命性的提高，为电力电子产品的高频化、高功率密度化的发展，提 供了很好的支撑。但受制于封装水平及工艺的限制，宽禁带半导体还不能完全发挥优势取 代传统的IGBT或MOSFET，另一方面，宽禁带半导体的成本还处于较高水平。
[0003] 目前的1200V的碳化娃Mosfet，单管Rds(on)可以做到25niQ，.Rds(on)指场效应管 FET漏极D与源极S之间导通时D、S之间的电阻。开通和关断时间可达30ns左右，开关损耗非 常小，在运行温度范围内Eon(开通的能量)和Eoff (关断的能量)随节温变化较小，如图1。但 Rds(on)随节温变化巨大，150°C节温下的Rds(on)是25°C节温下的1.7倍左右，如图2。而 1200V同样等级的IGBT (绝缘栅双极型晶体管），Vce (Sat)(发射极与集电极之间的饱和电 压）受节温的影响较小，如图3。以上分析说明，虽然碳化硅Mosfet的开关速度比IGBT快很 多，开关损耗优势明显，但在节温较高或电流较大时，碳化娃Mosfet导通压降较大，导通性 能反而不如IGBT。 【实用新型内容】
[0004] 为了解决以上不足，本实用新型提出一种T型三电平电路及其芯片与模块，其所要 解决的问题是：碳化硅Mosfet在节温较高或电流较大时的导通压降较大，导通性能不如 IGBT，但开关性能比IGBT优越很多。采用同样电流容量时碳化硅Mosfet器件，使得成本较 高，采用全窄禁带材料IGBT，使得高开关频率时，损耗较大，效率低。
[0005] 本实用新型的解决方案是：一种T型三电平电路，其包括电容C1~C2、二极管Da~ Db、宽禁带半导体器件Q1~Q4、窄禁带半导体器件T1~T2;其中，
[0006] 电容C1~C2串联后并联在直流母线电压Vdc的正负两端之间，两个电容的连接点 为直流母线的中点〇;宽禁带半导体器件Q1、宽禁带半导体器件Q4串联起来共同承担直流母 线电压Vdc，宽禁带半导体器件Q1、宽禁带半导体器件Q4的串接点为三电平电路的交流输出 立而A;
[0007] 窄禁带半导体器件T1的集电极、发射机分别连接宽禁带半导体器件Q2的漏极、源 极构成并联单元一；窄禁带半导体器件T2的集电极、发射机分别连接宽禁带半导体器件Q3 的漏极、源极构成并联单元二；二极管Da串联并联单元一，二极管Db串联并联单元二，且二 极管Da、二极管Db通过共阴极连接或共阳极连接使二极管Da、二极管Db、并联单元一、并联 单元二形成处于中点0与交流输出端A之间的桥接电路。
[0008] 作为上述方案的进一步改进，二极管Da、二极管Db共阴极连接时，即二极管Da的阴 极与二极管Db的阴极连接时，二极管Da的阴极还连接宽禁带半导体器件Q2的漏极、窄禁带 半导体器件T1的集电极，宽禁带半导体器件Q2的源极、窄禁带半导体器件T1的发射极均连 接交流输出端A，二极管Da的阳极连接中点0;二极管Db的阴极还连接宽禁带半导体器件Q3 的漏极、窄禁带半导体器件T2的集电极，宽禁带半导体器件Q3的源极、窄禁带半导体器件T2 的发射极均连接中点〇，二极管Db的阳极连接交流输出端A。
[0009] 作为上述方案的进一步改进，二极管Da、二极管Db共阳极连接时，二极管Db的阳极 还连接宽禁带半导体器件Q3的源极、窄禁带半导体器件T2的发射极，宽禁带半导体器件Q3 的漏极、窄禁带半导体器件T2的集电极均连接交流输出端A，二极管Db的阴极连接中点0;二 极管Da的阳极还连接宽禁带半导体器件Q2的源极、窄禁带半导体器件T1的发射极，宽禁带 半导体器件Q2的漏极、窄禁带半导体器件T1的发射极均连接中点0,二极管Da的阴极连接交 流输出端A。
[0010] 作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体器件为碳化硅金属-氧化物半导体场 效应晶体管、或者氮化镓晶体管、或者绝缘栅双极型晶体管。
[0011] 作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体器件Q2、窄禁带半导体器件T1、宽禁带 半导体器件Q3、窄禁带半导体器件T2各采用一个驱动单元实现相应半导体器件的导通与截 止。
[0012] 作为上述方案的进一步改进，宽禁带半导体器件Q2与窄禁带半导体器件T1采用同 一个驱动单元一;宽禁带半导体器件Q3与窄禁带半导体器件T2采用同一个驱动单元二。
[0013] 本实用新型还提供一种T型三电平电路芯片，其采用上述任意T型三电平电路，所 述芯片具有多个功率引脚，直流输入正端、直流输入负端、交流输出端各连接一个功率引 脚;所述芯片还具有用于驱动宽禁带半导体器件Q1~Q4、窄禁带半导体器件T1~T2导通与 截止的多个信号引脚。
[0014]本实用新型还提供一种T型三电平电路模块，其采用上述任意T型三电平电路，所 述模块具有多个功率接线端，直流输入正端、直流输入负端、交流输出端各连接一个功率接 线端;所述模块还具有用于驱动宽禁带半导体器件Q1~Q4、窄禁带半导体器件T1~T2导通 与截止的多个信号接线端。
[0015] 本实用新型的有益效果为:采用宽禁带器件和窄禁带器件的开关管并联组合，与 采用单一性能特点的器件对比，开关特性和导通特性均更优越，且会降低单纯使用宽禁带 器件的成本;根据电路工作的特点，来对并联的两种器件进行独立控制，进一步降低损耗， 提尚系统效率。
【附图说明】
[0016] 图1是目前碳化娃Mosfet在温度范围内Eon/Eoff随节温变化的曲线图。
[0017]图2是目前碳化硅Mosfet在温度范围内Rds(on)随节温变化的曲线图。
[0018]图3是目前IGBT在运行温度范围内Vce (sat)随节温变化的曲线图。
[0019]图4是本实用新型实施例1提供的T型三电平电路的电路示意图。
[0020]图5是交流输出电流iL、桥臂输出电压Uao和调制波Uref的波形图。
[0021]图6是本实用新型实施例2提供的T型三电平电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0023] 实施例1
[0024]请参阅图4，T型三电平电路包括电容C1~C2、二极管Da~Db、宽禁带半导体器件Q1 ~Q4、窄禁带半导体器件T1~T2。宽禁带半导体器件Q1~Q4、窄禁带半导体器件T1~T2均可 设置有驱动相应半导体器件导通与截止的驱动电路即驱动单元，这样，宽禁带半导体器件 Q1~Q4和窄禁带半导体器件T1~T2可分别由各自独立的驱动单元控制其导通和关断。 [0025]电容C1~C2串联后并联在直流母线电压Vdc的正负两端之间，两个电容的连接点 为直流母线的中点0。宽禁带半导体器件Q1、宽禁带半导体器件Q4串联起来共同承担直流母 线电压Vdc，宽禁带半导体器件Q1、宽禁带半导体器件Q4的串接点为三电平电路的交流输出 端A〇
[0026]窄禁带半导体器件T1的集电极、发射机分别连接宽禁带半导体器件Q2的漏极、源 极构成并联单元一。窄禁带半导体器件T2的集电极、发射机分别连接宽禁带半导体器件Q3 的漏极、源极构成并联单元二。二极管Da串联并联单元一，二极管Db串联并联单元二，且二 极管Da、二极管Db通过共阴极连接或共阳极连接使二极管Da、二极管Db、并联单元一、并联 单元二形成处于中点0与交流输出端A之间的桥接电路。
[0027]在本实施例中，二极管Da、二极管Db共阴极连接，二极管Da的阴极还连接宽禁带半 导体器件Q2的漏极、窄禁带半导体器件T1的集电极，宽禁带半导体器件Q2的源极、窄禁带半 导体器件T1的发射极均连接交流输出端A，二极管Da的阳极连接中点0。二极管Db的阴极还 连接宽禁带半导体器件Q3的漏极、窄禁带半导体器件T2的集电极，宽禁带半导体器件Q3的 源极、窄禁带半导体器件T2的漏极均连接中点0,二极管Db的阳极连接交流输出端A。
[0028]请再次参阅图4,宽禁带半导体器件Q1~Q4为快速型开关管，它可以是宽禁带器 件，如碳化娃Mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管）、氮化镓晶体管，它开关速度较快。 窄禁带半导体器件T1和T2是导通压降较小的开关管，如IGBT(绝缘栅双极型晶体管）。二极 管Da和Db也是碳化硅二极管。图4中直流母线Vdc，0点为直流母线的中点。宽禁带半导体器 件Q1和Q4为竖管形式，竖管Q1和Q4串联起来共同承担直流母线电压Vdc。宽禁带半导体器件 Q1的漏极连接直流母线的正端，宽禁带半导体器件Q1的源极连接交流输出端A和宽禁带半 导体器件Q4的漏极。宽禁带半导体器件Q4的源极与直流母线的负端连接。
[0029]宽禁带半导体器件Q2和Q3为横管形式，横管有两个支路，连接直流母线的中点0与 交流输出端A。一条支路由0点连接二极管Da的阳极，二极管Da的阴极连接宽禁带半导体器 件Q2的漏极，宽禁带半导体器件Q2的源极连接A点，T1的集电极与宽禁带半导体器件Q2的漏 极连接，窄禁带半导体器件T1的发射极与宽禁带半导体器件Q2的源极连接，即宽禁带半导 体器件Q2与窄禁带半导体器件T1组成一个并联单元一。另一条支路由0点连接宽禁带半导 体器件Q3的源极，宽禁带半导体器件Q3的源极连接二极管Db的阴极，二极管Db的阴极与交 流输出点〇连接。窄禁带半导体器件T2的集电极与宽禁带半导体器件Q3的漏极连接，窄禁带 半导体器件T2的发射极与Q3的源极连接，即宽禁带半导体器件Q3与窄禁带半导体器件T2组 成一个并联单元二。二极管Da和Db的阴极连接在一起。