过电压保护电路系统的制作方法

1.本发明涉及过电压保护电路系统领域。更具体地，本发明涉及具有减少的能量损失的用于保护敏感晶体管诸如gan hemt(氮化镓高电子迁移率晶体管)免受过电压影响的电路和方法。


背景技术：

2.缓冲器(snubber)是一种用于抑制(“缓冲”)电气系统中的电压瞬变的设备。缓冲器经常用于具有感应负载的电气系统，其中电流的突然中断导致电流切换设备上的电压急剧上升。这种瞬变可能是其他电路中的电磁干扰(emi)源。此外，如果设备上产生的电压超出设备预期容许的范围，则该电压可能会损坏或毁坏该设备。缓冲器在电流切换设备周围提供了短期的交流电流路径，使得感应元件可以安全地放电。
3.mosfet晶体管，并且特别是在转换器中用作电流切换设备的较快的氮化镓(gan)晶体管，对过电压非常敏感，并且如果它们没有得到适当的保护则很容易烧毁。
4.现今，mosfet晶体管用于高频率和高功率电路。当晶体管关闭且没有电流流过时，电压上升，并且当电压上升到一定阈值以上时，晶体管可能会烧毁。图1(现有技术)示出了晶体管的v
ds
在从导通切换到截止后的瞬态响应。
5.现今，mosfet晶体管的常见用途是用于实现“半桥”，如图2所示(现有技术)。“半桥”使用两个晶体管q1和q2。因为每个晶体管是一种“芯片”，它被封装在具有外部端口(“腿部”)的封装件中，用于连接到pcb和/或其他部件。与芯片的连接是使用薄的键合线进行的，键合线中的每条键合线将有一些电感ls。线越薄、越细、越长，其电感就越高。此外，mosfet晶体管彼此的互连以及晶体管与总线的互连也具有杂散电感。当晶体管停止导通时，杂散电感中的电流突然停止流动，导致由于以下关系而在漏源上产生高电压vpk：
[0006][0007]
其中v是产生的电压，l是电感，并且di/dt是电流变化的速率。fet晶体管诸如gan mosfet具有非常快的关断时间，因此di/dt会非常高。特别地，当晶体管关断时，比如图2中的q1，通过晶体管的电流快速关断，并且电流经由ls1被旁路到晶体管的输出电容器coss1。
[0008]
ls1和coss1的串联连接形成谐振电路，其中初始高电流引起过冲，并且可能导致晶体管烧毁。最大值可以通过以下关系来近似
[0009][0010]
其中ιo是初始电流，vcmax是晶体管上的增加电压。或者
[0011][0012]
由此足见，突然关断的快速晶体管与晶体管的杂散电感和输出电容的谐振效应的组合可能产生可能损毁晶体管的高电压。这在本领域中是众所周知的。
[0013]
图3a(现有技术)例示了解决该问题的常用方式。通过添加具有高电容、可以吸收
能量的电容器csn来对高压进行斩波。当q1关断时，电流i
ls
不能流过晶体管q1，而是流过正在充电的电容器csn。如果csn足够大，它会吸收能量并且电压v
ds
中的过冲被消除(根据上面的等式3，其中coss1现在与非常大的电容器并联)，如图3b(现有技术)所示。但是，当电容器csn充电时，下一次它将被进一步充电，并且下一次它将充电更多，所以该电容器上的电压vc
sn
继续上升，直到电容器csn必须放电。
[0014]
有两种方法来使电容器放电：
[0015]
在第一种方法中，电容器完全放电。该方法是有问题的，因为有大量的能量需要一次又一次地放电和充电。由于循环电流，这会导致额外的功率损失。
[0016]
在此处通过半桥配置展示的第二种方法中，有两个晶体管，上部晶体管q1和下部晶体管q2，如图3c所示。当上部晶体管q1导通时，通过它的电流继续到下部晶体管。当上部晶体管q1关断时，通过ls1的电流继续流到输出电容器csn1并经由d1对该电容器充电，然后csn1经由电阻器rsn1放电至接地。该过程被重复，同时每次csn1被充电和放电。由于电容器csn1需要快速放电，使用小电阻器rsn1，且因此时间常数将较小。
[0017]
然而，这种方法的问题是当使电容器放电时的能量损失，而不管电阻器rsn1的值如何。当电容器放电时会损失一半的能量。当电容器经由能量源充电或放电时，总能量为cv2，该总能量的一半损失并浪费在电阻器rsn1上。当电阻器rsn1大时电流小，但处理花费较长的时间，且当电阻器小时电流非常大，但处理花费较短的时间。所以损失的总能量是相同的，为能量的量的一半(1/2cv2)。
[0018]
传统解决方案的另一问题是放电电阻器消耗的能量的热耗散问题。根据转换器的功率水平，耗散的功率可能达到数十瓦，因此，放电电阻器必须在物理上很大，以防止过热。
[0019]
图3d(现有技术)例示了用于解决此类型问题的另一种电路系统，使用线圈和二极管来减少能量损失。在该方案中，当开关s1停止导通时，电容器c1通过线圈l1和二极管d12的串联连接来充电和然后放电，以减少损失。d12用于防止振荡，因为在放电路径中没有阻尼元件。该解决方案的缺点是其相对昂贵，因为这两个元件需要承载高峰电流。此外，由于电感器和电容器形成谐振网络，因此将发生高频率振荡，从而产生不希望的电磁干扰(emi)并增加rms电流，从而增加损失。
[0020]
当电流含有大量高频率成分时，能量损失较大。电流越平滑且越接近直流，平均值与rms值之间的比率将等于1，且因此能量损失会更小。通过使用线圈l1和二极管d12，可以降低rms电流，从而减少能量损失。但是，该方法的缺点是必须使用物理上很大的线圈，即使它的电感较小并且需要承受高峰电流。此外，二极管应当较快，因为缓慢的反向恢复将导致振荡和额外的emi。而且，这样的实现方式是昂贵的。
[0021]
因此，本发明的一个目的是提供一种便宜且易于实现的用于保护晶体管免受过电压影响的保护电路系统。
[0022]
本发明的另一目的是减少保护电路系统上的能量损失。
[0023]
随着描述的进行，本发明的其他目的和优点将变得明显。


技术实现要素：

[0024]
一种用于减少用于保护电流切换设备免受过电压影响的缓冲器电路的能量损失的方法，该方法包括以下步骤：
[0025]
a)提供切换单元，该切换单元包括具有交替相反的导通状态的开关，该开关经由一个接触部串联地连接到第一二极管，该开关包括固有输出电容，该开关经由第一杂散电感连接在电源的一个端口与输出电感器之间，该输出电感器对负载进行馈电，并且第一二极管经由第二杂散电感连接在电源的另一端口与输出电感器之间，使得每当开关从导通状态转变到非导通状态时，它的固有输出电容由来自第一杂散电感的电流脉冲充电；以及
[0026]
b)在开关的另一接触部与另一端口之间连接缓冲器电路，该缓冲器电路包括铁氧体磁珠、缓冲器电容器和第二二极管，以经由另一端口将开关的固有输出电容上的电荷的至少一部分放电到缓冲器电容器。
[0027]
铁氧体磁珠由杂散电容器、频率相关的电感器与频率相关的电阻器的并联连接表示，所述并联连接之后是串联的恒定电阻。
[0028]
在一个方面，铁氧体磁珠使输出电容的放电电流平滑。
[0029]
频率相关的电阻器的峰电阻可以在1kω至10kω的范围内。
[0030]
开关可以由fet晶体管或功率gan晶体管实现。
[0031]
用于减少用于保护电流切换设备免受过电压影响的缓冲器电路的能量损失的电路系统，该方法包括：
[0032]
a.切换单元，该切换单元包括具有交替相反的导通状态的开关，该开关经由一个接触部串联地连接到第一二极管，该开关包括固有输出电容，该开关经由第一杂散电感)连接在电源的一个端口与输出电感器之间，该输出电感器对负载进行馈电，并且第一二极管经由第二杂散电感连接在电源的另一端口与输出电感器之间，使得每当开关从导通状态转变到非导通状态时，它的固有输出电容由来自第一杂散电感的电流脉冲充电；以及
[0033]
b.缓冲器电路，该缓冲器电路包括铁氧体磁珠、缓冲器电容器和第二二极，该缓冲器电路连接在开关的另一接触部与另一端口之间，以经由另一端口将开关的固有输出电容上的电荷的至少一部分放电到缓冲器电容器。
[0034]
一种用于减少用于保护电流切换设备免受过电压影响的缓冲器电路的能量损失的半桥电路系统，该系统包括：
[0035]
a.第一切换单元，该第一切换单元包括具有交替相反的导通状态的第一开关，该开关经由一个接触部串联地连接到第一二极管，第一开关包括固有输出电容，第一开关经由第一杂散电感连接在电源的一个端口与输出电感器之间，该输出电感器对负载进行馈电，并且第一二极管经由第二杂散电感连接在电源的另一端口与输出电感器之间，使得每当开关从导通状态转变到非导通状态时，它的固有输出电容由来自第一杂散电感的电流脉冲充电；
[0036]
b.第二切换单元，该第二切换单元包括具有交替相反的导通状态的第二开关，该第二开关经由一个接触部串联地连接到第三二极管，第二开关包括固有输出电容，第二开关经由第三杂散电感连接在电源的一个端口与输出电感器之间，该输出传感器对负载进行馈电，并且第三二极管经由第四杂散电感连接在电源的另一端口与输出电感器之间，使得每当第二开关从导通状态转变到非导通状态时，它的固有输出电容由来自第三杂散电感的电流脉冲充电；
[0037]
c.第一缓冲器电路，该第一缓冲器电路包括铁氧体磁珠、缓冲器电容器和第二二极管，该第一缓冲器电路连接在第一开关的另一接触部与另一端口之间，以经由另一端口
将第一开关的固有输出电容上的电荷的至少一部分放电到缓冲器电容器；以及
[0038]
d.第二缓冲器电路，该第二缓冲器电路包括铁氧体磁珠、缓冲器电容器和第二二极管，该第二缓冲器电路连接在第二开关的另一接触部与另一端口之间，以经由另一端口将第一开关的固有输出电容上的电荷的至少一部分放电到缓冲器电容器。
[0039]
第一开关和第二开关可以是fet晶体管或gan晶体管。
附图说明
[0040]
本发明的上述和其他特性和优点将通过以下参考随附附图对本发明的优选实施方式的例示性和非限制性详细描述得到更好的理解，其中：
[0041]
图1(现有技术)示出了晶体管的v
ds
在从导通切换到截止后的瞬态响应；
[0042]
图2(现有技术)mosfet晶体管的典型用途是实现“半桥”；
[0043]
图3a至图3b示出了解决电压过冲问题的常用方式的原理；
[0044]
图3c示出了用于对晶体管关断时的过电压进行控制的另一种方法，其中有两个晶体管，上部晶体管q1和下部晶体管q2。
[0045]
图3d例示了用于解决过电压问题的另一种电路系统，其使用电感器和二极管来减少能量损失；
[0046]
图4示出了典型铁氧体磁珠的阻抗特性；
[0047]
图5示出了典型铁氧体磁珠的等效电路；
[0048]
图6a示出了用于通过仿真来表征的由电压源驱动的典型铁氧体的等效电路；
[0049]
图6b示出了作为频率的函数的磁珠总阻抗、欧姆部分和电抗部分的仿真值；
[0050]
图7示出了具有用于下部开关的根据本发明的铁氧体磁珠放电的缓冲器的一般表示。
[0051]
图8示出了具有用于上部开关的根据本发明的铁氧体磁珠放电的缓冲器的一般表示。
[0052]
图9示出了根据本发明的实施方式的使用铁氧体磁珠的缓冲器电路的实现方式；
[0053]
图10a至图10d示出了针对具有1kω的欧姆电阻的铁氧体磁珠的仿真结果；
[0054]
图11a至图11d示出了针对具有10kω的欧姆电阻的铁氧体磁珠的相同仿真结果；
[0055]
图12a示出了不使用缓冲器的半桥的仿真模型。
[0056]
图12b示出了针对用于图12a所示的不使用缓冲器的半桥的模型的晶体管上的电压的仿真结果；
[0057]
图13a示出了具有rcd(电阻器-电容器-二极管)缓冲器的半桥的仿真模型；
[0058]
图13b示出了针对用于图13a所示的具有rcd(电阻器-电容器-二极管)缓冲器的半桥的模型的晶体管上的电压的仿真结果；
[0059]
图14a示出了根据本发明的实施方式的具有使用替代电阻器的建议的铁氧体磁珠的缓冲器的半桥的仿真模型；
[0060]
图14b示出了针对用于图14a所示的具有使用替代电阻器的建议的铁氧体磁珠的缓冲器的半桥的模型的晶体管上的电压的仿真结果；以及
[0061]
图15示出了根据本发明的使用铁氧体磁珠用于半桥配置的缓冲器电路的一般配置。
具体实施方式
[0062]
本发明提出了一种用于使用具有减少的能量损失(与作为放电元件的电阻器的损失相比)的独特的放电元件(铁氧体磁珠)来保护诸如gan hemt(氮化镓高电子迁移率晶体管)之类的晶体管免受由切换状态之间的转换后的瞬变引起的过电压影响的方法和电路系统。铁氧体磁珠使放电电流更加平滑，且因此大大减少了电磁干扰(emi)。
[0063]
图4示出了这种铁氧体磁珠的阻抗特性。可以看出，一般阻抗z随频率增加，并且包括电感部分x和随频率增加的电阻部分r。只要频率低，该磁珠的阻抗就低，并且几乎没有损失。但是，当电流频率高时(诸如当使用脉冲时)，它会引入电阻元件与电感元件的组合。当在缓冲器电路中使用时，电感部分有助于使放电电流平滑，而电阻部分则阻尼振荡。
[0064]
图5示出了典型铁氧体磁珠50的等效电路，其中r2是用于连接磁珠的线的欧姆电阻(非常低)，l1是电感，r1是欧姆电阻，并且c1是磁珠的电感的匝之间的寄生电容。电感部分l1有助于形成电流以包括较少的峰并且更平滑。电阻部分r1用作阻尼元件，用于阻尼由于反向恢复而引起噪声和干扰的振荡。
[0065]
图6a示出了具有约1mhz的谐振频率的典型铁氧体磁珠的pspice仿真模型。图6b示出了作为频率的函数的磁珠总阻抗(绿色)、欧姆部分(红色)和电抗部分(紫色)的仿真值。
[0066]
图7示出了根据本发明的实施方式的使用铁氧体磁珠50用于下部开关的缓冲器电路的一般配置。该电路包括切换单元70，该切换单元70包括具有交替相反的导通状态的开关s。开关s包括固有输出电容co并经由一个接触部串联地连接到二极管d2。开关(s)经由第一杂散电感ls1连接在电源的一端口与输出电感器(lo)之间，该输出电感器(lo)对负载进行馈电。二极管(d2)经由第二杂散电感ls2连接在电源的另一端口与输出电感器(lo)之间，使得当开关从导通状态转变到非导通状态时，它的固有输出电容co由来自第一杂散电感ls1的电流脉冲充电。包括铁氧体磁珠50、缓冲器电容器(cs)和二极管d1的缓冲器电路(71)连接在开关的另一接触部与电源的另一端口之间，以经由另一端口将开关的固有输出电容(co)上的电荷的一部分放电到缓冲器电容器(cs)。
[0067]
在此表示中，s表示半导体开关，co是开关s上的电容，ι
l
表示被切换并流经输出电感lo的负载电流，且ls1是杂散电感。在开关s关断时，负载电流通过二极管d2被引导至总线，同时ls1的电流被转发至缓冲器电容器cs。由cs累积的附加电荷经由铁氧体磁珠50放电到总线中。
[0068]
图8示出了根据本发明的使用铁氧体磁珠用于上部开关的缓冲器电路的一般配置。与图7所示的配置类似，铁氧体磁珠50将缓冲器电容器cs的附加电荷放电回总线。
[0069]
图9示出了根据本发明的另一实施方式的使用铁氧体磁珠的缓冲器电路的实现方式。在该示例中，当晶体管q1停止导通时，电容器c3(其表示csn)经由二极管d6充电，然后经由铁氧体磁珠50放电。磁珠的等效部件l3、r4、c5和r2的值被分别选择为1mh、10kω、0.2533nf和300mω。
[0070]
图10a至图10d示出了针对具有1kω的欧姆电阻的铁氧体磁珠的仿真结果。
[0071]
图10a示出了用于10nf电容器(线100a)和50nf电容器(线101a)的缓冲器电路的磁珠上的电压的仿真结果。还示出了用于没有磁珠的电路的放电电阻器上的电压(线102a)。
[0072]
图10b示出了用于10nf电容器(线100b)和50nf电容器(线101b)的缓冲器电路的磁珠上的耗散功率的仿真结果。还示出了用于没有磁珠的电路的放电电阻器上的耗散功率
(线102b)。可以看出，放电电阻器上的功率损失(耗散功率)为约1.4w，而铁氧体磁珠上的功率损失(耗散功率)为约0.3w。
[0073]
图10c示出了用于10nf电容器(线100c)和50nf电容器(线101c)的缓冲器电路的磁珠上的电压的仿真结果。还示出了用于没有磁珠的电路的放电电阻器上的电压(线102c)。可以看出，流过放电电阻器的电流包括高峰值，这会导致高损失(因为rms值与电流成正比)。另一方面，流过铁氧体磁珠(其替代放电电阻器)的电流相对平滑，并且不包括会导致高损失的任何峰值。
[0074]
图10d示出了通过用于10nf电容器(线100d)和50nf电容器(线101d)的缓冲器电路的磁珠的电流的仿真结果。还示出了用于没有磁珠的电路的通过放电电阻器的电流(线102d)。可以看出，流过放电电阻器的电流包括高峰值，这会导致高损失(因为rms值与电流成正比)。
[0075]
图11a至图11d示出了具有10kω的欧姆电阻的铁氧体磁珠的相同仿真结果。
[0076]
没有缓冲器的电路、具有电阻器放电缓冲器的电路和具有带有铁氧体磁珠放电的缓冲器的电路之间的比较
[0077]
图12a示出了不使用缓冲器的半桥的仿真模型。在该模型中，u4表示上部晶体管q1，l8表示杂散电感器ls，d11表示导通的下部晶体管，且电流源i6表示在断开q1时刻的电感器l的电流。晶体管q1由脉冲源v12接通和关断。
[0078]
图12b示出了针对用于图10a所示的不使用缓冲器的半桥的模型的晶体管q1上的电压的仿真结果。在这种情况下，可以看出断开q1后的过冲非常高(约750v，而vds电压的绝对最大额定值为650v)并且将对q1造成损坏。
[0079]
图13a示出了具有rcd(电阻器-电容器-二极管)缓冲器的半桥的仿真模型。在该模型中，u2表示上部晶体管q1，l5表示杂散电感器ls，d7表示导通的下部晶体管，且电流源i4表示在断开q1时刻的电感器l的电流。晶体管q1由脉冲源v8接通和关断。在该模型中，晶体管的输出电容c4由l5的电流充电并经由电阻器r3放电。
[0080]
图13b示出了用于图11a所示的具有rcd(电阻器-电容器-二极管)缓冲器的半桥的模型的晶体管q1上的电压的仿真结果。在这种情况下，可以看出断开q1后的过冲低于当未使用缓冲器时的情况并达到约450v。然而，这种情况下的功率耗散(损失)仍将为约2.8w。
[0081]
图14a示出了具有使用替代电阻器的建议的铁氧体磁珠(在该示例中，为由美国田纳西州查塔努加的laird-signal integrity products制造的li0805g201r-10)的缓冲器的半桥的仿真模型。在该模型中，u3表示上部晶体管q1，l7表示杂散电感器ls，d10表示导通的下部晶体管，且电流源i5表示在断开q1时刻的电感器l的电流。晶体管q1由脉冲源v10接通和关断。在该模型中，晶体管的输出电容c7由l7的电流充电并经由铁氧体磁珠50放电。
[0082]
图14b示出了用于图14a所示的具有使用替代电阻器的建议的铁氧体磁珠的缓冲器的半桥的模型的晶体管q1上的电压的仿真结果。在这种情况下，可以看出断开q1后的过冲低于没有使用缓冲器时的情况，但仍达到约450v。然而，由于铁氧体磁珠使放电电流平滑，这种情况下的功率耗散(损失)将为约1.5w，其是图13a的模型中的损失的约一半。
[0083]
图15示出了根据本发明的使用铁氧体磁珠用于半桥配置150的缓冲器电路的一般配置。在该示例中，分别使用铁氧体磁珠50a和50b替代缓冲器电路71a和71b中的电阻器。与图7和图8所示的配置类似，下部开关151a的铁氧体磁珠50a和上部开关151b的铁氧体磁珠
50b分别将缓冲器电容器csn1和csn2的附加电荷放电回总线。
[0084]
当然，上述示例和描述仅被提供用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本发明。如本领域技术人员将理解的，本发明可以以多种方式实施，对于诸如igbt之类的不同的功率切换，采用来自上述技术的不止一种技术，所有这些都不超出本发明的范围。