本實用新型涉及靜止無功發(fā)生器、柔性直流輸電等需要高壓開關(guān)器件應(yīng)用場合，是一種基于低壓開關(guān)器件串聯(lián)的新型高壓開關(guān)組件。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)及高電壓電力電子技術(shù)應(yīng)用中，為了在獲取更大的系統(tǒng)容量的同時，有效的降低系統(tǒng)損耗，通常采用提高系統(tǒng)電壓等級、降低其對應(yīng)電流的方法來降低損耗，從而達到此種目的。

為了滿足高壓場合的應(yīng)用要求，傳統(tǒng)上可以采用以下兩種措施：

(1)使用高電壓等級的開關(guān)器件和無源器件(電阻電容等)，從而滿足高壓大電流的應(yīng)用需求，此技術(shù)的難點在于：目前開關(guān)特性較為理想的開關(guān)器件都難以滿足在高電壓的情況下的電流容量要求。

(2)使用多個低電壓等級變換器單元進行級聯(lián)，提高總電壓等級，從而實現(xiàn)高壓大電流的應(yīng)用需求，此技術(shù)的難點在于：通過開關(guān)管串聯(lián)形式形成的高壓開關(guān)組增加的系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，在實現(xiàn)高壓開關(guān)功能的同時，引入了變換器單元間的均壓控制問題。

(3)使用開關(guān)管進行串聯(lián)，從而實現(xiàn)高壓場合的應(yīng)用，目前的順序?qū)ㄖ饕獮椴捎枚嘀婚_關(guān)管，利用開關(guān)管的一個一個依順序?qū)ǖ姆绞?，實現(xiàn)開關(guān)管串聯(lián)，目前的順序?qū)軌驅(qū)崿F(xiàn)2只開關(guān)管的串聯(lián)，開關(guān)管的串聯(lián)數(shù)量大于2時，由于開關(guān)管較多，會出現(xiàn)第一個開關(guān)管與最后一個開關(guān)管的開通或關(guān)斷延時較大，從而出現(xiàn)無法均壓的技術(shù)問題。

目前，在國家電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域亟需應(yīng)用新的電力電子技術(shù)解決傳統(tǒng)電網(wǎng)的共性問題的需求下，高壓開關(guān)芯片還未實現(xiàn)突破的前提下，通過低壓器件串聯(lián)構(gòu)成的高壓開關(guān)組技術(shù)成為高壓場合應(yīng)用問題解決方法的發(fā)展方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本實用新型提出一種由開關(guān)器件、電阻、電容、TVS(瞬態(tài)抑制器) 等構(gòu)成串聯(lián)高壓開關(guān)組，有效的解決了開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷需要外部供電及多路PWM控制信號進行單獨控制的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種基于低壓開關(guān)器件串聯(lián)的新型高壓開關(guān)組件，包括依次串聯(lián)的m個主功率開關(guān)管，其中m為大于等于2的正整數(shù)，其中，第1層主功率開關(guān)管Q₁的源極連接負極母線N，主功率開關(guān)管Q₁的柵極連接PWM信號，并通過電阻R₁分別連接主功率開關(guān)管Q₁源極和電阻R₁₃一端，電阻R₁₃另一端連接第2層主功率開關(guān)管Q₂的驅(qū)動電路中的二極管D₂₁的負極，電阻R₁₃兩端連接有電容C₁；

第n層主功率開關(guān)管Q_n的柵極與源極之間連接有穩(wěn)壓管D_n3，其中，m≥n≥2，n為正整數(shù)，主功率開關(guān)管Q_n的源極連接輔助開關(guān)管Q_n1的漏極，輔助開關(guān)管Q_n1的源極通過電阻R_n2分別與主功率開關(guān)管Q_n的柵極以及二極管D_n2的負極連接，輔助開關(guān)管Q_n1的柵極分別與二極管D_n1和二極管D_n2的正極連接，同時，輔助開關(guān)管Q_n1的柵極通過電阻R_n1分別連接二極管D_n1的負極和均壓電阻R_n3輸出端，均壓電阻R_n3輸出端連接上一層主功率開關(guān)管Q_n-1控制電路中的均壓電阻R_(n-1)3的輸入端，所述均壓電阻R_n3的兩端連接有電容C_n；第m層主功率開關(guān)管Q_m的漏極與均壓電阻R_m3的輸入端連接至正極母線P。

所述每個主功率開關(guān)管的源極和漏極之間均連接有開關(guān)管均壓電阻。

所述均壓電阻R_n3均采用阻值相同的電阻。

所述PWM信號通過隔離驅(qū)動電路(Driver)接入第1層主功率開關(guān)管Q₁的柵極。

所述穩(wěn)壓管采用瞬態(tài)抑制器。

本實用新型高壓開關(guān)的開通順序如下：

當(dāng)隔離驅(qū)動電路(Driver)的輸入PWM信號由低電平轉(zhuǎn)換為高電平時，主功率開關(guān)管Q₁的柵源電壓從低電平轉(zhuǎn)換為高電平，主功率開關(guān)管Q₁開始導(dǎo)通，節(jié)點d_Q1處電壓開始快速下降，主功率開關(guān)管Q₁的下層主功率開關(guān)管Q₂的柵源電容受到由電阻R₂₁和二極管D₂₂組成的回路充電而升高，當(dāng)主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓達到開通門限電壓，則主功率開關(guān)管Q₂導(dǎo)通， 主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓最大值受到瞬態(tài)抑制器D₂₃鉗位保護；主功率開關(guān)管Q₃和Q₄的導(dǎo)通原理與此相同，上層主功率開關(guān)管導(dǎo)通則下層主功率開關(guān)管的柵源電容開始充電，當(dāng)其柵源電壓達到門限電壓后主功率開關(guān)管導(dǎo)通；綜上所述，主功率開關(guān)管Q₁由隔離驅(qū)動電路(Driver)驅(qū)動導(dǎo)通后，主功率開關(guān)管Q₂、Q₃和Q₄依次導(dǎo)通，不需另加隔離驅(qū)動電路。

本實用新型高壓開關(guān)的關(guān)斷順序如下：

當(dāng)隔離驅(qū)動電路(Driver)的輸入PWM信號由高電平轉(zhuǎn)換為低電平時，主功率開關(guān)管Q₁的柵源電壓從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，主功率開關(guān)管Q₁開始關(guān)斷，d_Q1電壓開始快速上升，主功率開關(guān)管Q₁的下層主功率開關(guān)管Q₂的柵源電容經(jīng)過二極管D₂₁、輔助開關(guān)管Q₂₁與電阻R₂₂組成的回路放電而下降，當(dāng)主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓達到開通門限電壓，則主功率開關(guān)管Q₂關(guān)斷，主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓最小值受到瞬態(tài)抑制器D₂₃正向?qū)▔航点Q位，主功率開關(guān)管Q₃和Q₄的關(guān)斷原理與此相同，上層主功率開關(guān)管關(guān)斷則下層主功率開關(guān)管柵源電容開始放電，當(dāng)其柵源電壓下降到門限電壓后主功率開關(guān)管關(guān)斷，綜上所述，主功率開關(guān)管Q₁由隔離驅(qū)動電路驅(qū)動關(guān)斷后，主功率開關(guān)管Q₂、Q₃和Q₄依次關(guān)斷，不需另加外部由弱電控制的驅(qū)動電路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型至少具有以下有益效果，本實用新型通過對高壓開關(guān)的開通和關(guān)斷順序進行優(yōu)化和調(diào)整，調(diào)整了其開通和關(guān)斷的時刻，實現(xiàn)了驅(qū)動、供電電路的統(tǒng)一，有效的解決了開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷需要外部供電及多路PWM控制信號進行單獨控制的問題，實現(xiàn)了單一PWM控制信號控制多只開關(guān)器件的功能。

附圖說明

圖1為四只主功率開關(guān)管(MOSFET)串聯(lián)順序?qū)ǖ碾娐方Y(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

如圖1所示，圖中，包括依次串聯(lián)的主功率開關(guān)管(主功率MOSFET)Q₁、Q₂、Q₃和 Q₄，其中稱Q_n+1是Q_n的下層，Q_n是Q_n+1的上層；隔離驅(qū)動電路Driver為主功率開關(guān)管Q₁提供門極驅(qū)動脈沖；電容C_x和均壓電阻R_x3并聯(lián)(其中x＝2，3，4)，分別為主功率開關(guān)管Q₂，Q₃和Q₄柵極的開通或關(guān)斷提供電源；三路順序開關(guān)自驅(qū)動電路由D_x1，D_x2，D_x3，R_x1，R_x2和Q_x1組成(其中x＝2，3，4)，這三路驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)相同，該電路不受PWM信號直接控制，而是受下層主功率開關(guān)管(主功率MOSFET)漏極電壓控制，三路順序開關(guān)自驅(qū)動電路分別為對應(yīng)的主功率開關(guān)管Q₂，Q₃和Q₄提供柵極驅(qū)動脈沖；

圖1中，依次串聯(lián)4個主功率開關(guān)管，其中，第1層主功率開關(guān)管Q₁的源極連接負極母線N，PWM信號通過隔離驅(qū)動電路(Driver)接入第1層主功率開關(guān)管Q₁的柵極，主功率開關(guān)管Q₁的柵極通過電阻R₁分別連接主功率開關(guān)管Q₁源極和均壓電阻R₁₃輸出端，均壓電阻R₁₃輸入端連接第2層主功率開關(guān)管Q₂的驅(qū)動電路中的二極管D₂₁的負極，均壓電阻R₁₃兩端連接有電容C₁；

第2層主功率開關(guān)管Q₂的柵極與源極之間連接有瞬態(tài)抑制器D₂₃，主功率開關(guān)管Q₂的源極連接輔助開關(guān)管Q₂₁的漏極，輔助開關(guān)管Q₂₁的源極通過電阻R₂₂分別與主功率開關(guān)管Q₂的柵極以及二極管D₂₂的負極連接，輔助開關(guān)管Q₂₁的柵極分別與二極管D₂₁和二極管D₂₂的正極連接，同時，輔助開關(guān)管Q₂₁的柵極通過電阻R₂₁分別連接二極管D₂₁的負極和均壓電阻R₂₃輸出端，均壓電阻R₂₃輸出端連接上一層主功率開關(guān)管Q1控制電路中的均壓電阻R₁₃的輸入端，所述均壓電阻R₂₃的兩端連接有電容C₂；

第3層主功率開關(guān)管Q₃的柵極與源極之間連接有瞬態(tài)抑制器D₃₃，主功率開關(guān)管Q₃的源極連接輔助開關(guān)管Q₃₁的漏極，輔助開關(guān)管Q₃₁的源極通過電阻R₃₂分別與主功率開關(guān)管Q₃的柵極以及二極管D₃₂的負極連接，輔助開關(guān)管Q₃₁的柵極分別與二極管D₃₁和二極管D₃₂的正極連接，同時，輔助開關(guān)管Q₃₁的柵極通過電阻R₃₁分別連接二極管D₃₁的負極和均壓電阻R₃₃輸出端，均壓電阻R₃₃輸出端連接上一層主功率開關(guān)管Q₂控制電路中的均壓電阻R₂₃的輸 入端，所述均壓電阻R₃₃的兩端連接有電容C₃；

第4層主功率開關(guān)管Q₄的柵極與源極之間連接有瞬態(tài)抑制器D₄₃，主功率開關(guān)管Q₄的源極連接輔助開關(guān)管Q₄₁的漏極，輔助開關(guān)管Q₄₁的源極通過電阻R₄₂分別與主功率開關(guān)管Q₄的柵極以及二極管D₄₂的負極連接，輔助開關(guān)管Q₄₁的柵極分別與二極管D₄₁和二極管D₄₂的正極連接，同時，輔助開關(guān)管Q₄₁的柵極通過電阻R₄₁分別連接二極管D₄₁的正極和均壓電阻R₄₃輸出端，均壓電阻R₄₃輸出端連接上一層主功率開關(guān)管Q₃控制電路中的均壓電阻R₃₃的一輸入端，所述均壓電阻R₄₃的兩端連接有電容C₄，第4層主功率開關(guān)管Q₄的漏極和均壓電阻R₄₃的輸入端連接至正極母線P。

作為優(yōu)選實施例的，均壓電阻R₁₃、R₂₃、R3₃和R₄₃阻值相同。

本實用新型高壓開關(guān)的開通順序如下：

當(dāng)隔離驅(qū)動電路(Driver)的輸入PWM信號由低電平轉(zhuǎn)換為高電平時，主功率開關(guān)管Q₁的柵源電壓從低電平轉(zhuǎn)換為高電平，主功率開關(guān)管Q₁開始導(dǎo)通，節(jié)點d_Q1處電壓開始快速下降，主功率開關(guān)管Q₁的下層主功率開關(guān)管Q₂的柵源電容受到由電阻R₂₁和二極管D₂₂組成的回路充電而升高，當(dāng)主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓達到開通門限電壓，則主功率開關(guān)管Q₂導(dǎo)通，主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓最大值受到瞬態(tài)抑制器D₂₃鉗位保護；主功率開關(guān)管Q₃和Q₄的導(dǎo)通原理與此相同，上層主功率開關(guān)管導(dǎo)通則下層主功率開關(guān)管的柵源電容開始充電，當(dāng)其柵源電壓達到門限電壓后主功率開關(guān)管導(dǎo)通；綜上所述，主功率開關(guān)管Q₁由隔離驅(qū)動電路(Driver)驅(qū)動導(dǎo)通后，主功率開關(guān)管Q₂、Q₃和Q₄依次導(dǎo)通，不需另加隔離驅(qū)動電路。

本實用新型高壓開關(guān)的關(guān)斷順序如下：

當(dāng)隔離驅(qū)動電路(Driver)的輸入PWM信號由高電平轉(zhuǎn)換為低電平時，主功率開關(guān)管Q₁的柵源電壓從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，主功率開關(guān)管Q₁開始關(guān)斷，d_Q1電壓開始快速上升，主 功率開關(guān)管Q₁的下層主功率開關(guān)管Q₂的柵源電容經(jīng)過二極管D₂₁、輔助開關(guān)管Q₂₁與電阻R₂₂組成的回路放電而下降，當(dāng)主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓達到開通門限電壓，則主功率開關(guān)管Q₂關(guān)斷，主功率開關(guān)管Q₂柵源電壓最小值受到瞬態(tài)抑制器D₂₃正向?qū)▔航点Q位，主功率開關(guān)管Q₃和Q₄的關(guān)斷原理與此相同，上層主功率開關(guān)管關(guān)斷則下層主功率開關(guān)管柵源電容開始放電，當(dāng)其柵源電壓下降到門限電壓后主功率開關(guān)管關(guān)斷，綜上所述，主功率開關(guān)管Q₁由隔離驅(qū)動電路驅(qū)動關(guān)斷后，主功率開關(guān)管Q₂、Q₃和Q₄依次關(guān)斷，不需另加外部由弱電控制的驅(qū)動電路。

通過本實用新型提供技術(shù)方案，有效減小了第一只開關(guān)管與最后一只開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷的時間差，從而實現(xiàn)多只開關(guān)管的順序?qū)ǚ绞降拇?lián)，從而達到若干只開關(guān)管串聯(lián)的目的；本實用新型為開關(guān)管的高壓場合使用，提供了一種可行的方式，有效的解決了開關(guān)管順序?qū)ǚ绞酱?lián)時的技術(shù)難題，以上僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，本實用新型可以根據(jù)使用需求，串聯(lián)更多的主功率開關(guān)管進行驅(qū)動，同樣能夠解決目前開關(guān)管的串聯(lián)數(shù)量大于2時，出現(xiàn)的第一個開關(guān)管與最后一個開關(guān)管開通或關(guān)斷延時較大，無法均壓的技術(shù)問題。