基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路

本发明涉及电力电子器件，特别是一种基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路。

背景技术：

1、器件串联提高了固态开关的电压应力，在海底直流输电、海上风力发电、船舶供电等中压直流电网中得到了广泛应用。串联器件的驱动主要可以分为通过无源元件构造单栅极驱动拓扑进行驱动和使用分立栅极驱动器进行驱动两种。对于通过无源元件构造单栅极驱动拓扑进行驱动的方式，只需对一个器件施加栅极驱动信号，其余器件均可实现自驱动，同时无需提供额外的隔离驱动供电，且易实现各器件的动静态均压；但在串联器件导通和关断的过程中，各器件的栅极回路会相互耦合，由此带来驱动信号的稳定性问题，影响开关动作时的可靠性。对于使用分立栅极驱动器进行驱动的方式，各器件的栅极回路不会相互耦合，因此驱动信号只与对应的分立栅极驱动器有关；但各栅极驱动供电电源的隔离等级会随着串联器件电压应力的上升而上升；同时各栅极驱动信号需要通过光纤、光耦或者变压器传递，且各栅极驱动信号的差异会带来串联器件导通和关断时的动态不均压问题，导致其中某个器件两端的电压过高而影响其使用寿命，甚至发生击穿而损坏，因此需要进行高隔离的电压采样和均压控制。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路，只需对一个器件施加栅极驱动信号，其余器件均可实现自驱动；采用分立的栅极驱动器对各常开型半导体器件进行驱动，各栅极驱动器之间通过隔离光耦传递驱动信号，确保各器件栅极回路不会发生相互耦合，各栅极驱动器通过级联自举供电电路实现非隔离的自均压供电，同时各器件采用无源均压网络实现导通和关断过程中的动静态自均压。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路，包括：

3、n个串联的常开型半导体器件；

4、n个驱动单元；

5、第i个常开型半导体器件的源极与第i+1个常开型半导体器件的漏极连接，第i个常开型半导体器件的栅极与第i个钳位二极管的阴极连接，所述第i个钳位二极管的阳极与第i个常开型半导体器件的源极连接，第i个常开型半导体器件的栅极与第i个驱动单元的输出端连接，所述第i个常开型半导体器件的源极与第i个驱动单元的电源参考地连接，所述第i个驱动单元的电源输入端与第i个第一二极管的阴极连接；所述第i个第一二极管的阳极与第i+1个第一二极管的阴极连接，第n个第一二极管的阳极接外部辅助供电端；第n个常开型半导体器件的栅极与第n个钳位二极管的阴极连接，所述第n个钳位二极管的阳极与第n个常开型半导体器件的源极连接；第n个常开型半导体器件的栅极与第n个驱动单元的输出端连接，所述第n个驱动单元的电源参考地与第n个常开型半导体器件的源极连接，第n个驱动单元的电源输入端与第n个第一二极管的阴极连接；

6、第j个驱动单元的电源输入端与第j个光耦的输出端集电极连接，第j个光耦的输出端发射极与第j-1个光耦的输入端阳极连接，第j-1个光耦的输入端阴极与第j个驱动单元的驱动信号输入端连接；第1个光耦的输出端集电极与第1个驱动单元的电源输入端连接，第1个光耦的输出端发射极与第1个驱动单元的驱动信号输入端连接；第n-1个光耦的输入端阳极与外部驱动信号输入端连接，第n-1个光耦的输入端阴极与第n个驱动单元的驱动信号输入端连接；

7、其中，1≤i<n，1<j<n，n≥2。

8、本发明中，只需对一个器件施加栅极驱动信号，多个常开型半导体器件能够依次导通，即其余器件均可实现自驱动；只需对一个常开型半导体器件施加关断驱动信号，多个常开型半导体器件能够同时关断。无源均压网络能够在导通和关断期间实现动静态自均压。采用分立的栅极驱动器对各常开型半导体器件进行驱动，同时各栅极驱动器之间通过隔离光耦传递驱动信号，确保各器件栅极回路不会发生相互耦合，解决了传统单栅极驱动拓扑中由于各栅极回路之间相互耦合而导致的驱动信号不稳定的问题；各栅极驱动器通过级联自举供电电路实现非隔离的自均压供电，解决了通过栅极驱动供电电源进行栅极驱动器供电时需要满足原副边高隔离要求的难题。

9、本发明中，所述驱动单元包括：

10、栅极驱动器；

11、所述栅极驱动器的输出端与栅极电阻一端连接，所述栅极电阻另一端为所述驱动单元输出端；所述栅极驱动器的电源输入端接储能电容一端，所述储能电容另一端、栅极驱动器的负输入端接所述栅极驱动器的电源参考地；所述栅极驱动器的驱动信号输入端接下拉电阻的一端，所述下拉电阻另一端接栅极驱动器的电源参考地。

12、所述第i个常开型半导体器件的漏极与第i个动态均压电容的一端连接，所述第i个动态均压电容的另一端与第i个第二二极管的阳极连接，所述第i个第二二极管的阴极与第i个常开型半导体器件的源极连接，第i个第二二极管的阳极与第i个第三二极管的阴极连接，所述第i个第三二极管的阳极与第i+1个第二二极管的阳极连接；第n个动态均压电容的一端与第n个常开型半导体器件的漏极连接，所述第n个动态均压电容的另一端与第n个第二二极管的阳极连接，所述第n个第二二极管的阴极与第n个常开型半导体器件的源极连接。

13、所述第j-1个常开型半导体器件的栅极与第j个静态均压电阻的一端连接，所述第j个静态均压电阻的另一端与第j个常开型半导体器件的源极连接；第1个静态均压电阻的一端与第1个常开型半导体器件的漏极连接，所述第1个静态均压电阻的另一端与第1个常开型半导体器件的源极连接；第n个静态均压电阻的一端与第n-1个常开型半导体器件的栅极连接，所述第n个静态均压电阻的另一端与第n个常开型半导体器件的源极连接。

14、所述钳位二极管为单向钳位二极管或双向钳位二极管。

15、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

16、1、本发明基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路中，只需对一个常开型半导体器件施加导通驱动信号，多个常开型半导体器件能够依次导通；只需对一个常开型半导体器件施加关断驱动信号，多个常开型半导体器件能够同时关断。无源均压网络能够在导通和关断期间实现动静态自均压。

17、2、本发明基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路中，多个常开型半导体器件通过各自对应的分立栅极驱动器进行驱动，各栅极回路之间不会相互耦合，解决了传统单栅极驱动拓扑中由于各栅极回路之间相互耦合而导致的驱动信号不稳定的问题。

18、3、本发明基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路中，多个常开型半导体器件对应分立栅极驱动器的电源输入端供电由非隔离的级联自举供电电路提供，无需高绝缘变压器或磁环感应供电，解决了串联器件驱动过程中对应的栅极驱动器需要高隔离的栅极驱动电源进行供电，导致驱动过程复杂、驱动要求高的问题。

19、4、本发明基于级联自举供电的单栅极驱动高压开关电路中，多个常开型半导体器件各自对应的分立栅极驱动器的输入信号由一串级联的光耦提供，解决了通过变压器传递驱动信号时由于变压器原副边耦合电容带来的输入信号干扰的问题；同时总的隔离等级为各光耦隔离等级相加，解决了器件串联时由于通过变压器或者单个光耦传递驱动信号时的隔离等级不够，导致器件串联数目和串联器件更高电压等级的扩展性差的问题。