一种基于低压开关器件串联的新型高压开关组件的制作方法

本实用新型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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型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，本实用新型采用的技术方案是：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Q_n的栅极与源极之间连接有稳压管D_n3，其中，m≥n≥2，n为正整数，主功率开关管Q_n的源极连接辅助开关管Q_n1的漏极，辅助开关管Q_n1的源极通过电阻R_n2分别与主功率开关管Q_n的栅极以及二极管D_n2的负极连接，辅助开关管Q_n1的栅极分别与二极管D_n1和二极管D_n2的正极连接，同时，辅助开关管Q_n1的栅极通过电阻R_n1分别连接二极管D_n1的负极和均压电阻R_n3输出端，均压电阻R_n3输出端连接上一层主功率开关管Q_n-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R_n3的两端连接有电容C_n；第m层主功率开关管Q_m的漏极与均压电阻R_m3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R_n3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。

本实用新型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d_Q1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。

本实用新型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，d_Q1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，本实用新型至少具有以下有益效果，本实用新型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实用新型进行详细说明。

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Q_n+1是Q_n的下层，Q_n是Q_n+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C_x和均压电阻R_x3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D_x1，D_x2，D_x3，R_x1，R_x2和Q_x1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层主功率开关管Q₃的栅极与源极之间连接有瞬态抑制器D₃₃，主功率开关管Q₃的源极连接辅助开关管Q₃₁的漏极，辅助开关管Q₃₁的源极通过电阻R₃₂分别与主功率开关管Q₃的栅极以及二极管D₃₂的负极连接，辅助开关管Q₃₁的栅极分别与二极管D₃₁和二极管D₃₂的正极连接，同时，辅助开关管Q₃₁的栅极通过电阻R₃₁分别连接二极管D₃₁的负极和均压电阻R₃₃输出端，均压电阻R₃₃输出端连接上一层主功率开关管Q₂控制电路中的均压电阻R₂₃的输 入端，所述均压电阻R₃₃的两端连接有电容C₃；

第4层主功率开关管Q₄的栅极与源极之间连接有瞬态抑制器D₄₃，主功率开关管Q₄的源极连接辅助开关管Q₄₁的漏极，辅助开关管Q₄₁的源极通过电阻R₄₂分别与主功率开关管Q₄的栅极以及二极管D₄₂的负极连接，辅助开关管Q₄₁的栅极分别与二极管D₄₁和二极管D₄₂的正极连接，同时，辅助开关管Q₄₁的栅极通过电阻R₄₁分别连接二极管D₄₁的正极和均压电阻R₄₃输出端，均压电阻R₄₃输出端连接上一层主功率开关管Q₃控制电路中的均压电阻R₃₃的一输入端，所述均压电阻R₄₃的两端连接有电容C₄，第4层主功率开关管Q₄的漏极和均压电阻R₄₃的输入端连接至正极母线P。

作为优选实施例的，均压电阻R₁₃、R₂₃、R3₃和R₄₃阻值相同。

本实用新型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d_Q1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。

本实用新型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，d_Q1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。

通过本实用新型提供技术方案，有效减小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；本实用新型为开关管的高压场合使用，提供了一种可行的方式，有效的解决了开关管顺序导通方式串联时的技术难题，以上仅为本实用新型的优选实施例，本实用新型可以根据使用需求，串联更多的主功率开关管进行驱动，同样能够解决目前开关管的串联数量大于2时，出现的第一个开关管与最后一个开关管开通或关断延时较大，无法均压的技术问题。