一种开关元件的门极驱动关断电路及开关元件的制作方法

本实用新型主要涉及电子电路技术领域，特指一种开关元件的门极驱动关断电路及开关元件。

背景技术：

IGCT器件的换流关断功能由其门极驱动单元（GU）的关断电路实现，包含MOSFET堆和电解电容（EC）堆，kA级关断电流流经此关断回路，回路中走线杂散电感及元器件本身寄生参数会对电流关断能力造成影响，其中回路寄生电感越小，换流di/dt越大，换流时间越短，关断能力越强，功率等级越高。

GU的关断工作原理图如图1所示：静态上电时，电容堆Coff为阴极K对内部地的20V直流电压，关断脉冲由控制单元控制，初始态为高电平，使MOSFET管导通，门极G接地，门阴极为-20V反压，保持GCT关断状态；开通时，关断脉冲变为低电平，MOS管关断，由开通电路提供GK触发电流，门极电压高于阴极电压，GCT导通；关断时，关断脉冲变为高电平，MOS管开通，门极接地，门阴极反压使GCT关断，阳极电流从阳极通过门极G-Soff-Coff-阴极K流通。

随着IGCT大功率半导体器件的关断能力从几千安到万安以上等级提升，需对GU进行相应的性能改变，现有的GU关断回路使用铝电解电容（EC）堆（Coff）、MOSFET堆（Soff），其关断电路的器件布局如图2所示，EC和MOSFET放置在GCT器件的同一端且分别位于电路板的两侧，关断电流路径为从GCT的门极环-经BOTTOM层到MOSFET的漏极-MOSFET的源极-EC的负极-EC的正极-经BOTTOM层回到GCT的阴极环，路径回路长，且存在多次换层，受器件及其布局影响，4寸器件配套门极驱动关断能力在6kA左右，6寸器件配套门极驱动关断能力在1wA左右。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种降低寄生电感及阻抗，增大关断换流di/dt，减小换流时间，提升关断电流能力的开关元件的门极驱动关断电路及开关元件。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种开关元件的门极驱动关断电路，包括电容堆、驱动电阻单元和MOSFET堆，所述电容堆中各个电容均安装于开关元件的开关元件本体的阴极面且呈环状安装于开关元件本体的周侧；所述MOSFET堆中各个MOSFET元件均安装于开关元件本体的门极面且呈环状安装于开关元件本体的周侧；所述驱动电阻单元中各个驱动电阻均安装于开关元件本体的门极面且呈环状安装于开关元件本体的周侧。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述MOSFET堆中各个MOSFET元件均紧靠于所述开关元件本体的门极环。

所述驱动电阻单元中各个驱动电阻均位于对应MOSFET元件外侧。

所述电容堆中各个电容均紧靠于所述开关元件本体的阴极环。

所述电容堆中的各个电容均为片式多层陶瓷电容。

本实用新型还公开了一种开关元件，包括电路板和开关元件本体，还包括如上所述的开关元件的门极驱动关断电路，所述开关元件本体呈圆环状封装在电路板上；所述门极驱动关断电路呈环状安装于开关元件本体周侧的电路板上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述开关元件本体为门极换流晶闸管。

所述开关元件本体为集成门极换流晶闸管。

所述MOSFET元件与对应的电容均安装于电路板的两侧对应位置处。

所述MOSFET元件与对应的电容之间的电路板上设置有过孔，用于连接MOSFET元件和电容。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的开关元件的门极驱动关断电路以及开关元件，将电容堆、驱动电阻单元和MOSFET堆分布在开关元件的周侧，能够缩短电流流经的路径，降低寄生电感及阻抗，增大关断换流di/dt，减小换流时间，提升关断电流能力；MOSFET均匀分布在GCT的四周，均流系数高；在相同的关断电流下可降低门阴极反压，降低驱动关断电路损耗。

附图说明

图1为现有技术中开关元件的电路原理图。

图2为现有技术中开关元件的顶面结构示意图。

图3为现有技术中开关元件的底面结构示意图。

图4为本实用新型中门极面的结构示意图。

图5为本实用新型中阴极面的结构示意图。

图中标号表示：1、电路板；2、开关元件本体；201、门极面；202、门极环；203、阴极面；204、阴极环；3、电容堆；301、电容；4、驱动电阻单元；401、驱动电阻；5、MOSFET堆；501、MOSFET元件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图3至图5所示，本实施例的开关元件的门极驱动关断电路，包括电容堆3、驱动电阻单元4和MOSFET堆5，电容堆3包括多个电容301，多个电容301均安装于开关元件本体2的阴极面203且呈环状安装于开关元件本体2的周侧；MOSFET堆5包括多个MOSFET元件501，多个MOSFET元件501均安装于开关元件本体2的门极面201且呈环状安装于开关元件本体2的周侧；驱动电阻单元4包括多个驱动电阻401，多个驱动电阻401均安装于开关元件本体2的门极面201且呈环状安装于开关元件本体2的周侧。本实用新型的开关元件的门极驱动关断电路，将电容堆3、驱动电阻单元4和MOSFET堆5分布在开关元件本体2的周侧，能够缩短电流流经的路径，降低寄生电感及阻抗，增大关断换流di/dt，减小换流时间，提升关断电流能力；MOSFET均匀分布在GCT的四周，均流系数高；在相同的关断电流下可降低门阴极反压，降低驱动关断电路损耗。

如图4所示，本实施例中，MOSFET堆5中各个MOSFET元件501均紧靠于开关元件本体2的门极环202；驱动电阻单元4中各个驱动电阻401均位于对应MOSFET元件501外侧。如图5所示，电容堆3中各个电容301均紧靠于开关元件本体2的阴极环204，通过以上设置，进一步缩短电流路径。

本实施例中，电容堆3中的各个电容301均为片式多层陶瓷电容MLCC，相对于普通的电解电容，MLCC具有ESR值小、高频特性好、体积小等优势；用MLCC替代EC作为电容堆3，可降低器件本体带来的寄生电感及阻抗，减小占板面积及高度。

如图3至图5所示，本实用新型还公开了一种开关元件，包括电路板1、开关元件本体2和如上所述的门极驱动关断电路，开关元件本体2为门极换流晶闸管GCT或者集成门极换流晶闸管IGCT；开关元件本体2呈圆环状封装在电路板1上；门极驱动关断电路呈环状安装于开关元件本体2周侧的电路板1上，具体布置方式如上所述；另外驱动电阻401对应的驱动线路沿MOSFET堆5的外周侧环绕。MOSFET元件501与对应的电容301均安装于电路板1的两侧对应位置处，即两者位于电路板1同一位置的两侧，其中MOSFET元件501与对应的电容301之间的电路板1上设置有过孔（图中未示出），用于连接MOSFET元件501和电容301。

本实施例中，关断路径为GCT元件的门极通过门极环202G到四周的MOSFET元件501的漏极D，MOSFET的源极S通过多个过孔到另一侧的MLCC的GND，再通过MLCC本体到K，与GCT元件的阴极面203连接。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。