一种化合物半导体晶体管功率电子模块的制作方法

本实用新型涉及一种功率电子开关模块。

背景技术：

功率电子开关模块被广泛应用到电力电子、电源中，是目前直流/直流、交流/直流转换中基础的功能模块。传统的固态功率电子开关模块采用硅材料实现。其性能由于硅材料基本性质的约束，在模块效率、散热、速度等方面已经接近了提高的极限。采用化合物半导体材料，如氮化镓，来构建功率电子开关模块已经是电力电子业界的发展趋势。这是由于化合物半导体材料具有高耐压、低电阻、低电容的特点，比硅有成百上千倍的性能提高潜力。

化合物半导体功率电子模块面临一个硅材料模块中没有的挑战——即常闭型的化合半导体功率晶体管难获得。大部分化合物半导体晶体管是常开型器件。仅使用常开型化合物半导体器件构建功率模块的缺点是，模块安全性得不到保障。具体来说，就是对常开型器件，需要给控制端提供负电压，才能保证器件关断。在系统尚未通电的自然状态，常开型器件是导通的。这就导致，在负电压控制模块失效的情况下，存在常开型器件不能阻断高压，提供了一个从高压到地极的通路，可能造成系统短路烧毁等危险情况。

为解决这一问题，一种解决方案是制造常闭型化合物半导体晶体管。化合物半导体器件公司，都在极力尝试这一途径。例如，美国发明专利US8193562B2，描述了一种采用P型栅技术达到常闭型化合物半导体功率晶体管的结构。然而目前的常闭型化合物半导体晶体管的性能，和常开型化合物半导体晶体管的性能相比，存在不小差距；并且由于能够得到的导通控制电压正值离零电平距离小（如0 – 1伏之间）。所以尚不能完全解决短路烧毁风险。

本实用新型描述一种在电路级别解决使用常开型化合物半导体晶体管的问题，避免潜在短路烧毁风险。

技术实现要素：

为了克服现有技术中，使用常开型化合物半导体晶体管构建功率电子模块时，存在的短路烧毁风险，本使用新型提供一种采用常开型化合物半导体晶体管与继电器串联，并通过集成电路控制，对两者协调驱动的功率电子模块，使用直流继电器实现短路保护，并充分发挥化合物半导体晶体管在功率电子应用中的性能优势。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种功率电子模块，使用一个常开型化合物半导体晶体管、一个继电器、一个时序控制集成电路和一个继电器控制电路，晶体管的漏端与继电器一端欧姆接触相连，继电器另一端欧姆接触与高压输入相连，时序控制集成电路输出第一控制信号到上述晶体管的栅极，继电器控制电路输出第二控制信号到继电器的控制端。

上述功率电子模块，所述继电器直接受第二控制信号控制，在第二控制信号无输出或者输出为低电平的状态下——断开，在第二控制信号为高电平的状态下——导通；所述化合物半导体晶体管栅极直接受第一控制信号控制，在第一控制信号比晶体管自身的阈值电压更负时——关断，在第一控制信号比晶体管自身的阈值电压更正时——导通。

上述晶体管的阈值电压小于0，即晶体管为常开型晶体管。

上述继电器控制电路，在所述时序控制电路开始通电正常工作之前，保证所述继电器处于关断状态。

上述继电器在所述继电器控制电路断电的状态下，处于关断状态。

上述时序控制电路，使用脉冲调制电路控制晶体管的输出。

上述控制集成电路保证所述晶体管和所述继电器的串联通路，在由断开到导通的过程中，先关断所述晶体管，然后导通继电器，最后再导通晶体管，具体控制信号顺序为，先设置控制信号一至小于所述晶体管阈值电压的负值，然后设置控制信号二为继电器导通值，最后设置控制信号一至大于所述晶体管阈值电压的值。

上述控制集成电路保证所述晶体管和所述继电器的串联通路，在由导通到关断的过程中，先关断所述晶体管，再关断所述继电器，具体控制信号顺序为，先设置控制信号一为小于所述晶体管阈值电压的负值，然后设置控制信号而为继电器关断值。

本实用新型的有益效果是，本实用新型功率电子模块采用继电器串联常开型化合物半导体晶体管，有效地避免了常开型晶体管用于功率电子模块的短路安全问题，提供了使用常开型化合物半导体晶体管作为功率电子的结构。通过采用时序控制集成电路和继电器控制电路，控制所述继电器和晶体管导通与关断的时序，保证了只有在所述晶体管的时序控制电路正常工作时，高电压才能通过继电器，加载到化合物半导体晶体管上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型示意图；

图中1.继电器，2.常开型化合物半导体晶体管，3.晶体管控制信号输出端，4.继电器控制信号输出端，5.控制集成电路，6.高压输入端，7.接地端，8.化合物半导体晶体管源端，9.化合物半导体晶体管漏端，10.化合物半导体晶体管栅极，11.继电器控制端。

图2为本使用新型中控制信号一和控制信号二的电位时序图；

图中21.继电器导通电位，22.零电平，23.可使晶体管导通的电位， 25. 可关断晶体管的电位，26.继电器导通前的延时，27.晶体管导通前的延时，28.晶体管控制信号输入端电压恢复零电位前的延时，29.控制信号二波形图，30.控制信号一波形图。

图3为常开型化合物半导体晶体管电流随控制信号一变化曲线；

图中31.y轴，标记电流大小，32.x轴，标记控制信号一电压，33.原点，电流为零，电压为零，34.常开型化合物半导体晶体管电流受控制信号一变化曲线，35.常开型化合物晶体管阈值电压，36.晶体管导通电位，其数值与图2中23电位相同，37.晶体管关断电位，其数值与图2中25电位相同。

图4为继电器电流随控制信号二变化曲线；

图中41.y轴，标记电流大小，42.x轴，标记控制信号二电压，43.原点，电流为零，电压为零，44.继电器电流随控制信号二变化曲线，45.继电器开通电位，其数值与图二中21电位相同。

具体实施方式

【实施例1】

化合物功率电子开关模块包括化合物半导体功率晶体管2、继电器1、控制信号模块5、高压输入端口6、接地端7，控制信号模块5输出两个控制信号，第一控制信号从控制端3输出到晶体管2的栅极，第二信号由控制端4输出到继电器1的控制极，高电压通过端口6输入，加在继电器1一端，继电器1另一端连接化合物半导体晶体管2的漏极，化合物半导体晶体管2的源极连接接地端7。

如图2所示，控制信号一波形图30和控制信号二波形图29分别表示化合物晶体管2和继电器1受控制的方式，在晶体管2栅极为零电平22时，继电器1的控制端也处于零电平22，将继电器关断；当晶体管2栅极电压变化至小于晶体管2阈值电压的负电平25后，经过第一段延时26，控制信号二变化至正电平，将继电器1导通，高压输入端6与晶体管2漏极联通；在控制信号二完全达到继电器开通电位21后，经过第二段延时27，控制信号一开始输出电压脉冲，脉冲周期和占空比可以由控制模块5调整，控制晶体管2按一定频率开关；当模块工作需要停止，控制信号二变化至零电平22，控制信号一不再输出任何脉冲波形，而是保持在晶体管关断电位26；经过第四段延时28，控制信号一恢复到零电平22。

如图3所示，化合物半导体晶体管2的源端8和漏端9之间的电流随着控制信号一的电平变化而变化，当控制信号一位于电平37，负于化合物半导体晶体管阈值电压35时，晶体管2的源端8和漏端9之间不导通电流，当控制信号一位于电平36，正于化合物半导体晶体管阈值电压35时，晶体管2的源端8和漏端9之间导通电流，常开型化合物半导体晶体管要求阈值电压35为负值。

如图4所示，继电器1的控制端11电压为导通电压45时，继电器导通电流，控制端11电压为零电平22时，继电器1不导通电流。