一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子器件，尤其涉及一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路及其控制方法。

背景技术：

1、直流固态开关作为直流故障快速切除的关键设备，其电压等级和电流容量需求不断提升。通过共源共栅结构将多个低压半导体器件（如mosfet、igbt）串联，可以在不显著增加工艺难度的条件下实现中高压固态开关。然而，静态均压方面，由于各器件的漏电流、阈值电压等参数存在差异，关断稳态下器件分压不均，可能导致部分器件过压击穿；动态均压方面，串联器件在开关瞬态因结电容、驱动信号传输延迟等差异，导致电压分配极不平衡，进一步加剧了击穿风险。为满足更大电流容量需求，常将多个共源共栅开关直接并联，但是，由于各个并联支路的均压支路彼此独立，复用率低，无法协同。另外，由于并联支路间因器件传输特性和回路寄生参数不同，存在复杂的均流控制问题，需要额外增加有源或无源均流措施，进一步复杂化了电路设计和均流控制策略。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路及其控制方法，解决现有共源共栅高压开关在并联扩容时存在的均压支路与驱动电路复用率低以及支路均流控制复杂度高的问题。

2、本发明一实施例提供了一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路，包括：

3、若干并联的开关支路、一公用均压支路以及一公用驱动单元支路；

4、每一开关支路包括n个开关单元；公用均压支路包括：至少n个动态均压电容、n个静态均压电阻以及n-1个二极管；公用驱动单元支路，包括：n个驱动单元；

5、每一公用均压支路中，第一个动态均压电容的第一端分别和每一开关支路中第一个开关单元的第一端连接，第一个动态均压电容的第二端与第二个驱动单元的输入端连接；第i个动态均压电容的第一端和第i个静态均压电阻的第一端连接，第i个动态均压电容的第二端和第i个静态均压电阻的第二端连接，第i-1个均压电容的第二端和第i个动态均压电容的第一端连接；第n个动态均压电容的第一端和第n个驱动单元的输入端连接，第n个动态均压电容的第二端分别和每一开关支路的第n个开关单元的第二端连接；

6、第一个二极管的阴极和第二个驱动单元的输入端连接，第一个二极管的阳极和第一个驱动单元的输入端连接；第n-1个二极管的阴极和第n个驱动单元的输入端连接，第n-1个二极管的阳极和第n-1个驱动单元的输入端连接；第k个二极管的阴极和第k+1个驱动单元的输入端连接，第k个二极管的阳极和第k个驱动单元的输入端连接；

7、第一个驱动单元的负输出端分别与每一开关支路中第一个开关单元的第一端连接，第一个驱动单元的正输出端分别与每一开关支路中的第一个开关单元的第三端连接；第i个驱动单元的负输出端分别与每一开关支路的第i个开关单元的第一端连接，第i个驱动单元的正输出端分别与每一开关支路的第i个开关单元的第三端连接；其中，1＜i≤n，1＜k＜n，n2。

8、进一步的，所述开关单元包括常开型半导体器件以及栅极电阻；所述常开型半导体器件的源极作为开关单元的第一端，所述常开型半导体器件的栅极作为开关单元的第二端，所述常开型半导体器件的漏极和所述栅极电阻的一端连接，所述栅极电阻的另一端作为开关单元的第三端。

9、进一步的，所述二极管为雪崩二极管。

10、进一步的，所述驱动单元包括rc并联支路，分压电阻和场效应管；

11、在每个驱动单元中，所述场效应管的源极作为驱动单元的正输出端；所述分压电阻的一端与场效应管的源极连接，所述分压电阻的另一端与场效应管的栅极连接；所述rc并联支路的一端和场效应管的栅极连接，所述rc并联支路的另一端作为第i个驱动单元的负输出端。

12、进一步的，所述驱动单元的场效应管均为n沟道耗尽型mosfet。

13、进一步的，所述开关单元还包括钳位二极管，在每一开关单元中，所述钳位二极管的阴极与所述常开型半导体器件的栅极连接，所述钳位二极管的阳极与所述常开型半导体器件的源极连接。

14、进一步的，所述开关支路的常开型半导体器件均为igbt或均为mosfet。

15、进一步的，在所述开关支路中的常开型半导体器件均为mosfet时，所述mosfet为n沟道增强型mosfet。

16、本发明一实施例提供了一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路控制方法，应用于本发明第一项的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，所述均压支路复用型共源共栅高压开关电路控制方法，包括：

17、向所述第一个驱动单元的输入端和负输出端之间注入驱动信号，以使所述均压支路复用型共源共栅高压开关电路导通，其中,所述驱动信号为高电平，所述高电平大于任意一开关支路中n-1个常开型半导体器件导通压降加上n-1个雪崩二极管导通压降。

18、进一步的，还包括：

19、向所述驱动单元的输入端和负输出端之间注入断开信号，以使所述均压支路复用型共源共栅高压开关电路断开；其中，所述断开信号为零电平或负电平；当所述断开信号为负电平时，所述负电平不低于任意一常开型半导体器件的栅源极电压最小额定值。

20、通过实施本发明的实施例具有如下有益效果：

21、本发明实施例提供了一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路及其控制方法，通过设置至少两个并联的开关支路，并配置共用的公用均压支路与公用驱动单元，实现了均压支路与驱动单元的双重复用；多个开关支路共同复用同一套均压支路，无需为每条开关支路单独配置动态均压电容与静态均压电阻，有效减少了无源元器件的使用数量。使用同一均压支路可保证各开关支路同层级半导体器件的电压应力一致，实现各开关支路器件的动静态均压；所有开关支路共同复用同一套驱动单元，单个驱动单元可同时为所有开关支路对应层级的半导体器件提供驱动信号，无需为每条开关支路独立设置驱动电路，精简了驱动侧的电路规模，且统一的驱动输出能够保障各支路同层级器件的驱动电压一致性，提升开关动作的同步性与支路间的均流效果。

1.一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述开关单元包括常开型半导体器件以及栅极电阻；所述常开型半导体器件的源极作为开关单元的第一端，所述常开型半导体器件的漏极作为开关单元的第二端，所述常开型半导体器件的栅极和所述栅极电阻的一端连接，所述栅极电阻的另一端作为开关单元的第三端。

3.如权利要求1所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述二极管为雪崩二极管。

4.如权利要求1所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述驱动单元包括rc并联支路，分压电阻和场效应管；

5.如权利要求4所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述驱动单元的场效应管均为n沟道耗尽型mosfet。

6.如权利要求2所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述开关单元还包括钳位二极管，在每一开关单元中，所述钳位二极管的阴极与所述常开型半导体器件的栅极连接，所述钳位二极管的阳极与所述常开型半导体器件的源极连接。

7.如权利要求1所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，所述开关支路的常开型半导体器件均为igbt或均为mosfet。

8.如权利要求7所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路，其特征在于，在所述开关支路中的常开型半导体器件均为mosfet时，所述mosfet为n沟道增强型mosfet。

9.一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的均压支路复用型共源共栅高压开关电路；

10.如权利要求9所述的一种均压支路复用型共源共栅高压开关电路控制方法，其特征在于，还包括：