用于半导体开关的驱动电路、混合式继电器和电机启动器的制作方法

本技术的实施例总体上涉及电气开关领域，更具体地，涉及一种用于半导体开关的驱动电路、混合式继电器和电机启动器。

背景技术：

1、电机启动器，是一种用于辅助电机启动的设备。电机启动器能够使电机启动平稳，对电网的冲击小，还能实现对电机的软停车、制动、过载和缺相保护等控制。电机启动器主要用于大型电机和异步电机中。在大型电机应用场景中，可能会出现浪涌，而例如使电机启动器的输入电压骤然升高。通常，浪涌电压一般会被钳位到一定的电压值，以保护启动器中的开关器件不被浪涌电压击穿。然而，在一些高压场景中，用于开关器件的驱动电路中的可用的半导体起价无法在可行的钳位电压下安全工作。因此，如何设计能够抵抗浪涌电压的驱动电路，是设计者面临的一项挑战。

技术实现思路

1、本公开的实施例提供了一种具有浪涌电压防护功能的驱动电路，从而至少部分地解决现有技术中存在的上述以及其他潜在问题。

2、本公开的第一方面涉及一种用于半导体开关的驱动电路。半导体开关包括适于耦接至电源的第一极、适于耦接至负载的第二极以及控制极。驱动电路包括：第一开关单元、第二开关单元、开关控制单元、第一钳位单元、第二钳位单元以及输入端和输出端；输入端适于耦接至电源并且输出端被配置为向半导体开关的控制极输出控制信号以控制半导体开关闭合或者断开；其中第一开关单元与第二开关单元串联在输入端与输出端之间，开关控制单元耦接至第一开关单元与第二开关单元，并且被配置为控制第一开关单元闭合或断开和控制第二开关单元闭合或断开，第一钳位单元与第一开关单元并联，第二钳位单元与第二开关单元并联，并且第一钳位单元的钳位电压小于第一开关单元的耐压值，第二钳位单元的钳位电压小于第二开关单元的耐压值。

3、根据本公开的实施例，通过在驱动电路中串联两个开关单元，能够使两个开关单元进行分压，从而提高驱动电路的整体的耐压值。为了避免在开关单元之间分压不均时造成在单个开关单元处的电压过高，而为每个开关单元并联钳位单元以进行保护。此外，串联的两个开关单元可能会例如由于控制信号不同步等原因而没有同步闭合，此时的电压被加载在单个开关单元上，如果此时的电压过高的话可能会导致该开关单元被击穿。钳位单元的设置也能够避免此类情况的发生。由此，通过为每个开关单元设置钳位单元，能够实现对开关单元的包括，从而提高电路的安全性。

4、在一些实施例中，半导体开关例如是用于交流电路中的双向晶闸管。双向晶闸管通常用作交流电路中的开关。双向晶闸管由npnpn五层半导休材料制成，并且包括三个电极。三个电极中连接在主电路中的两个主电极被称为电极和电极，而另一个连接在控制电路中的电极称为控制极g，或称为门极、栅极。可以通过调节g极处的电压来控制双向晶闸管闭合或断开。

5、在一些实施例中，第一开关单元包括第一光耦双向晶闸管，并且第二开关单元包括第二光耦双向晶闸管。第一光耦双向晶闸管的包括第一输出端和第二输出端，第二光耦双向晶闸管包括第一输出端和第二输出端，第一光耦双向晶闸管的第一输出端、第二输出端以及第二光耦双向晶闸管的第一输出端和第二输出端串联在驱动电路的输入端与输出端之间。在这样的实施例中，通过将两个光耦双向晶闸管的输出端串联在驱动电路中，使得光耦双向晶闸管中的双向晶闸管串联，以进行分压。光耦双向晶闸管也被称为光电双向晶闸管或者光电三端双向可控硅，其主要优点是可以完全隔离交流电源线上出现的任何噪声或电压尖峰，并能对正弦波形进行过零检测，从而减少了开关和浪涌电流，实现对所用的任何半导体器件的保护。

6、在一些实施例中，第一光耦双向晶闸管包括第一输入端和第二输入端，第二光耦双向晶闸管包括第一输入端和第二输入端，第一光耦双向晶闸管的第一输入端、第二输入端以及第二光耦双向晶闸管的第一输入端、第二输入端耦接至开关控制单元。在这样的实施例中，通过使第一光耦双向晶闸管和第二光耦双向晶闸管的输入端耦接至共同的开关控制单元，能够利用开关控制单元同时控制两个光耦双向晶闸管，从而实现两个光耦双向晶闸管的同步开关。

7、在一些实施例中，开关控制单元包括：电压源，耦接至第一光耦双向晶闸管的第一输入端；控制开关，控制开关的第一端耦接至第二光耦双向晶闸管的第二输入端，控制开关的第二端接地，其中第一光耦双向晶闸管的第二输入端与第二光耦双向晶闸管的第一输入端耦接，并且控制开关被配置为控制第一光耦双向晶闸管和第二光耦双向晶闸管导通或断开。在这样的实施例中，两个光耦双向晶闸管的输入端串联在电压提供电路中，即光耦双向晶闸管的发光二极管串联在电压源与控制开关之间，当控制开关闭合时，两个光耦双向晶闸管的发光二极管所在电路导通，此时发光二极管发光，使得光耦双向晶闸管导通，从而使得驱动电路导通。

8、在一些备选实施例中，开关控制单元包括：电压源，耦接至第一光耦双向晶闸管的第一输入端和第二光耦双向晶闸管的第一输入端；控制开关，控制开关的第一端耦接至第一光耦双向晶闸管的第二输入端和第二光耦双向晶闸管的第二输入端，控制开关的第二端接地，其中控制开关被配置为控制第一光耦双向晶闸管和第二光耦双向晶闸管导通或断开。在这样的实施例中，两个光耦双向晶闸管的输入端并联在电压提供电路中，即光耦双向晶闸管的发光二极管并联在电压源与控制开关之间，当控制开关闭合时，两个光耦双向晶闸管的发光二极管所在电路导通，此时发光二极管发光，使得光耦双向晶闸管导通，从而使得驱动电路导通。

9、在一些实施例中，控制开关还包括控制端。控制开关的控制端被配置为接收控制信号，并响应于控制信号为高电平而使控制开关导通。在这样的实施例中，控制开关例如可以是mosfet，其控制端能够从微控制单元接收控制信号，并且当接收到高电平的控制信号时使得控制开关闭合。

10、在一些实施例中，第一钳位单元包括至少一个第一瞬态电压抑制二极管，并且第二钳位单元包括至少一个第二瞬态电压抑制二极管。瞬态电压抑制二极管(tvs)是一种高效能限压保护器件。当tvs两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压钳位在一个预定的数值上，从而确保与之并联的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。在这样的实施例中，通过设置双向的tvs，能够实现钳位功能。当设置多个串联的瞬态电压抑制二极管时，能够提高选型的灵活度，并且还能够减少寄生电容，以降低干扰。

11、在一些实施例中，第一钳位单元包括至少一个第一压敏电阻，并且第二钳位单元包括至少一个第二压敏电阻。类似地，还可以使用压敏电阻作为钳位单元。压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。

12、本公开的第二方面涉及一种混合式继电器。该混合式继电器包括：第一端子和第二端子；机械开关；半导体开关，包括第一极、第二极以及控制极，其中机械开关与半导体开关并联连接在第一端子和第二端子之间；以及根据本公开第一方面的用于半导体开关的驱动电路。驱动电路的输入端连接到第一端子，并且驱动电路的输出端连接到半导体开关的控制极。

13、根据本公开的第二方面的实施例，半导体开关构成混合式继电器的固态继电器部分，并且机械开关构成机械继电器部分。因此，混合式继电器融合了固态继电器和机械继电器两者的优点。

14、本公开的第三方面涉及一种电机启动器，被配置为控制三相电机的启动或停止。电机启动器包括两个根据本公开第一方面的混合式继电器以及一个机械式继电器。一个混合式继电器适于耦接至三相电机的第一相输入端；另一个混合式继电器适于耦接至三相电机的第二相输入端；机械式继电器(12)适于耦接至三相电机的第三相输入端。

15、应理解，针对根据本公开第一方面的用于的描述和优点同样适用于本公开的第二方面的混合式继电器以及本公开的第三方面的电机启动器。