CN103795285B - 双向功率器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双向功率器件，包括：开关电路，至少包括一二极管整流桥与二极管整流桥反并联的一绝缘栅双极型晶体管；故障电路，与开关电路相连，包括一信号光电耦合器和一滞环比较器，用于判断开关电路中是否出现过流；驱动电路，与开关电路和故障电路相连，包括一驱动光电耦合器和一晶体管，用于驱动开关电路；电源电路，与开关电路相连，包括隔离二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、稳压器和分压电阻，为过流保护提供参考电压及隔离强电和弱电。本发明电路结构简单，采用模块式设计结构，可以有效降低设计时间，本发明整体上具有完善优越的功能，且具有智能性。

Description

双向功率器件

技术领域

本发明涉及电力电子器件技术领域，特别是涉及一种双向功率器件。

背景技术

功率器件就是进行功率处理、具有处理高电压和大电流能力的器件。早期的功率器件：大功率二极管、晶闸管等等，主要用于工业和电力***，后来，随着以功率MOSFET器件为代表的新型功率器件的迅速发展，功率器件可以说是越来越火。现在功率器件在计算机、通行、消费电子、汽车电子为代表的4C行业（Computer、Communication、Consumerelectronics、Cartronics）应用已经非常广泛，由于功率器件，在配上各种各样的无源器件，就可以构成电力电子变换器的功率电路部分。功率器件十分重要，发展非常迅速，目前已经具有多种型式，如单管、智能功率模块（IPM）、功率集成模块（PIM）等等。其中有一类器件为双向可控开关，又称为四象限开关，主要用在交交变换器中，例如矩阵变换器等。功率器件，在大多数情况下，是被作为开关使用，一个理想的开关，应该具有两个基本的特性：1，电流通过的时候，这个理想开关两端的电压降是零；2，电流截断的时候，这个理想开关两端可以承受的电压可以是任意大小，也就是0至无穷大。因此，功率器件的研究和发展，就是围绕着这个目标不断前进的。现在的功率器件，已经具有很好的性能了，在要求的电压电流处理范围内，可以接近一个比较理想的开关。

由于目前市场非常小，目前双向可控开关均由单管器件组合而成，如共发射极逆导开关、共集电极逆导开关、反并联逆阻开关等。由于具有分散性，开关特性较差，热特性也较低，而且不具有智能特征。

在家用变频电器，例如变频空调领域，需要采用功率因数校正技术。有一些校正技术需要采用双向可控开关，即双向功率器件。目前采用的双向功率器件及其驱动、保护和电源电路均由分立器件组合而成，具有分散性的所有不足之处。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双向功率器件，用于解决现有技术中功率器件结构分散、开关性能较差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双向功率器件，包括：开关电路，包括由二极管整流桥与所述二极管整流桥反并联的绝缘栅双极型晶体管构成的双向逆导开关；故障电路，与所述开关电路相连，包括信号光电耦合器和滞环比较器，用于判断开关电路中是否出现过流；驱动电路，与所述开关电路和故障电路相连，包括驱动光电耦合器和晶体管，用于驱动开关电路；电源电路，与所述开关电路相连，包括隔离二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、稳压器和分压电阻，为过流保护提供参考电压及隔离强电和弱电。

可选地，所述二极管整流桥为两臂二极管整流桥，所述两臂二极管整流桥的两个桥臂分别与强电输入端相连。

可选地，所述开关电路还包括：第一稳压电阻和第二稳压电阻、检流电阻、门极电阻、门极二极管和下拉电阻；第一稳压电阻的一端与二极管整流桥的直流正极端及绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，第一稳压电阻的另一端与第二稳压电阻相连；检流电阻的一端与绝缘栅双极型晶体管的发射极相连；下拉电阻的一端、门极电阻的一端和门极二极管的一端与绝缘栅双极型晶体管的栅极相连；门极电阻的另一端和门极二极管的另一端与驱动电路中驱动光电耦合器相连；第二稳压电阻的另一端、下拉电阻的另一端、检流电阻的另一端连入强电地。

可选地，所述驱动光电耦合器包括一发光二极管和两个光敏三极管组合而成的受光三极管；两个光敏三极管的发射极相连引出一输入引脚，一个光敏三极管的集电极连接电源，另外一个光敏三极管的集电极接入强电地；发光二级管的阴极接入模拟地。

可选地，所述驱动电路还包括第一驱动电阻、第二驱动电阻和第三驱动电阻；第一驱动电阻的一端与所述驱动光电耦合器中发光二极管的阳极相连，第一驱动电阻的另一端、第二驱动电阻的一端与晶体管的发射极和信号光电耦合器的输入端相连；第二驱动电阻的另一端连接电源；第三驱动电阻的一端与晶体管的基极相连，另一端接地。

可选地，所述晶体管的基极引出形成驱动信号端。

可选地，所述故障电路还包括第三稳压电阻、第四稳压电阻、第一电容和第二电容；所述信号光电耦合器包括一发光二极管和一光敏三极管；发光二极管的阳极与第一电容的一端及滞环比较器的输出端相连，发光二极管的阴极与第一电容的另一端及第三稳压电阻的一端相连；第三稳压电阻的另一端接地；发射极接地；滞环比较器的反相输入端连接电源，正相输入端与第四稳压电阻的一端及第二电容的一端相连；第四稳压电阻的另一端与检流电阻和绝缘栅双极型晶体管的发射极的共同端相连；第二电容的另一端接地。

可选地，光敏三极管的集电极引出形成故障信号端。

可选地，电源电路还包括第一电解电容、第二电解电容、交流电容、第五稳压电阻和第六稳压电阻；稳压管包括第一输出引脚、第二输出引脚和第三输出引脚；分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻；隔离二极管的阳极与二极管整流桥的直流正极端、绝缘栅双极型晶体管的集电极的共同端相连，隔离二极管的阴极与第五稳压电阻相连；第五稳压电阻的另一端与第一电解电容的阳极和第一稳压二极管的阴极相连形成第一电源；第一电解电容的阴极、第一稳压二极管的阳极连接强电地；第六稳压电阻的一端连接所述第一电源，另一端与第二稳压二极管的阴极、交流电容的一端、稳压器的第二输出引脚相连；第二稳压二极管的阴极输出形成第二电源；稳压器的第一输出引脚输出第三电源，并与第二电解电容的阳极、第一分压电阻的一端相连；第一分压电阻的另一端输出第四电源，并与第二分压电阻的一端相连；第二稳压二极管的阳极、交流电容的另一端、稳压器的第三输出引脚、第二电解电容的阴极、第二分压电阻的另一端连接强电地。

如上所述，本发明的一种双向功率器件，具有以下有益效果：

1、本发明的开关电路为由一个二极管整流桥和反并联的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）形成双向逆导开关，驱动电路由带有隔离能力的驱动光耦构成，故障电路由过流检测的滞环比较器和信号光耦构成，电源电路为自供电路，无需外加工作电源，整体上具有完善的功能，强电与弱电隔离，因而本发明具有智能性能特征。

2、本发明采用模块式设计结构，便于应用，降低设计时间。

3、本发明还具有电路结构简单、控制简便和成本低廉的优势。

附图说明

图1显示为本发明的一种双向功率器件的结构示意图。

元件标号说明

1开关电路

2故障电路

3驱动电路

4电源电路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

目前采用的双向功率器件及其驱动、保护和电源电路均由分立器件组合而成，具有分散性的所有不足之处。本发明提供一种双向功率器件，用于解决现有技术中功率器件结构分散、开关性能较差的问题。以下将详细阐述本发明的一种双向功率器件的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种双向功率器件。

如图1所示，本发明提供一种双向功率器件，包括：开关电路1、故障电路2、驱动电路3和电源电路4。

开关电路1，至少包括一二极管整流桥B1与二极管整流桥B1反并联的一绝缘栅双极型晶体管RCS1。二极管整流桥B1和反并联的绝缘栅双极型晶体管RCS1形成双向逆导开关。双向逆导开关的频率为20kHz。

所述二极管整流桥B1为两臂二极管整流桥，两臂二极管整流桥的两个桥臂分别与强电输入端T1和强电输入端T2相连，即二极管整流桥B1的每一个臂都连接有一个强电输入端。

在本实施例中，强电的电气指标为：交流环节电压等级为400V以下，额定传输功率5.0kW。

具体地，二极管整流桥B1的两个臂并联，每一个臂包含两个二极管，强电输入端连接在两个二极管的中间。

两臂二极管整流桥形成一直流正极端和直流负极端；所述直流负极端接强电地。

具体地，在本实施例中，两臂二极管整流桥的参数选择为35A/100°C，1200V。

绝缘栅双极型晶体管RCS1（IGBT，InsulatedGateBipolarTransistor，）是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。BJT(饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOS驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于开关电源等领域。

在本实施例中，绝缘栅双极型晶体管RCS1的参数指标为35A/100°C，1200V。

所述开关电路1还包括：第一稳压电阻R1和第二稳压电阻R2、检流电阻R3、门极电阻R5、门极二极管D1和下拉电阻R4。

第一稳压电阻R1和第二稳压电阻R2串联，具体连接方式是：

第一稳压电阻R1的一端与二极管整流桥B1的直流正极端及绝缘栅双极型晶体管RCS1的集电极相连，另一端与第二稳压电阻R2相连。

在本实施例中，第一稳压电阻R1和第二稳压电阻R2的大小为100kΩ，允许消耗的功率为2W。

检流电阻R3用于产生电流信号。检流电阻R3的一端与绝缘栅双极型晶体管RCS1的发射极相连，检流电阻R3的另一端连入强电地，同时检流电阻R3与绝缘栅双极型晶体管RCS1的发射极相连的那一端还与故障电路2连接。从检流电阻R3引出检测电流到故障电路2中，以供故障电路2进行分析判断。

在本实施例中，检流电阻R3的大小为12mΩ，允许消耗的功率为2W。

下拉电阻R4的一端、门极电阻R5的一端和门极二极管D1的一端与绝缘栅双极型晶体管RCS1的栅极相连；门极电阻R5的另一端和门极二极管D1的另一端与驱动电路3中驱动光电耦合器OP1相连，具体是与驱动光电耦合器OP1中的输入引脚相连。

在本实施例中，下拉电阻R4的大小为20kΩ，允许消耗的功率为1/4W；门极电阻R5的大小为5～75VΩ，允许消耗的功率为1W。

故障电路2，与开关电路1相连，包括一信号光电耦合器OP2、一滞环比较器PA1、第三稳压电阻R10、第四稳压电阻R9、第一电容C1和第二电容C2，用于判断开关电路1中是否出现过流。

第一电容C1和第二电容C2的大小为0.1μF，可承受电压为50V。

所述信号光电耦合器OP2包括一发光二极管和一光敏三极管。具体地，在本实施例中，信号光电耦合器OP2的型号选为TLP281。

发光二极管的连接方式及形成的输出引脚如下：

发光二极管的阳极与第一电容C1的一端及滞环比较器PA1的输出端相连，发光二极管的阴极与第一电容C1的另一端及第三稳压电阻R10的一端相连，第三稳压电阻R10的另一端接地。

在本实施例中，第三稳压电阻R10的大小为2kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

光敏三极管的连接方式及形成的输出引脚如下：

光敏三极管的发射极接地，集电极引出形成故障信号端T4。

滞环比较器PA1负责判断是否出现过流，当出现过流时，滞环比较器PA1输出高电平，信号光耦输出低电平，作为低电平报警信号。

滞环比较器PA1的反相输入端连接4.2V电源，正相输入端与第四稳压电阻R9的一端及第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端接地。

具体地，在本实施例中，滞环比较器PA1的型号可选为74HS14或TLC2272。

第四稳压电阻R9的另一端与检流电阻R3和绝缘栅双极型晶体管RCS1的发射极的共同端相连，从检测电阻读取电流。

在本实施例中，第四稳压电阻R9的大小为1kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

驱动电路3，与开关电路1和故障电路2相连，包括一驱动光电耦合器OP1、一晶体管TR1、第三驱动电阻R8、第二驱动电阻R7和第三驱动电阻R6，用于驱动开关电路1。

驱动光电耦合器OP1为带有隔离能力的光电耦合器，所述驱动光电耦合器OP1包括位于控制侧的一发光二极管和位于功率侧的两个光敏三极管组合而成的受光三极管。具体地，在本实施例中，驱动光电耦合器OP1的型号选为TLP250。

受光三极管的连接方式及形成的输出引脚如下：

两个光敏三极管的发射极相连引出一输入引脚（即驱动光电耦合器OP1的第五引脚5），一个光敏三极管的集电极（即驱动光电耦合器OP1的第六引脚6）连接15V电源，另外一个光敏三极管的集电极（即驱动光电耦合器OP1的第四引脚4）接入强电地。

发光二极管的连接方式及形成的输出引脚如下：

发光二级管的阴极（即驱动光电耦合器OP1的第三引脚3）接入模拟地；所述驱动光电耦合器OP1中发光二极管的阳极（即驱动光电耦合器OP1的第一引脚1）与第三驱动电阻R8的一端相连。同时，驱动光电耦合器OP1的第二引脚2悬空。

第三驱动电阻R8的另一端、第二驱动电阻R7的一端与晶体管TR1的发射极相连。同时，第三驱动电阻R8的另一端、第二驱动电阻R7的一端还与故障电路2中的信号光电耦合器OP2的输入端相连，用于从故障电路2读取到过流信号时，以驱动封锁开关电路1的PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）脉冲，保证功率器件的安全。

第三驱动电阻R6的一端与晶体管TR1的基极相连，另一端接地。同时所述晶体管TR1的基极引出形成驱动信号端T3。

在本实施例中，第三驱动电阻R8的大小为2kΩ，可允许消耗的功率为1/4W；第二驱动电阻R7的大小为5.1kΩ，可允许消耗的功率为1/4W；第三驱动电阻R6的大小为2kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

在本实施例中，晶体管TR1的型号可以为PNP型三极管或MOSFET。

电源电路4，与开关电路1相连，包括隔离二极管D2、第一稳压二极管ZD1、第二稳压二极管ZD2、稳压器、第一分压电阻R13和第二分压电阻R14，第一电解电容E1、第二电解电容E2、交流电容C3、第五稳压电阻R11和第六稳压电阻R12，为过流保护提供参考电压及隔离强电和弱电。

稳压管REG1包括第一输出引脚、第二输出引脚和第三输出引脚。具体地，稳压管REG1的型号可选为REF3012。

隔离二极管D2的阳极与二极管整流桥B1的直流正极端、绝缘栅双极型晶体管RCS1的集电极的共同端相连，隔离二极管D2的阴极与第五稳压电阻R11相连。

第五稳压电阻R11的另一端与第一电解电容E1的阳极和第一稳压二极管ZD1的阴极相连形成第一电源，为15V。

在本实施例中，第五稳压电阻R11的大小为20kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

第一电解电容E1的阴极、第一稳压二极管ZD1的阳极连接强电地。

第六稳压电阻R12的一端连接所述第一电源，另一端与第二稳压二极管ZD2的阴极、交流电容C3的一端、稳压器的第二输出引脚相连；第二稳压二极管ZD2的阴极输出形成第二电源，5V。

在本实施例中，第六稳压电阻R12的大小为0.5kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

稳压器的第一输出引脚输出第三电源，1.25V，并与第二电解电容E2的阳极、第一分压电阻R13的一端相连。

第一分压电阻R13的另一端输出第四电源，0.42V，并与第二分压电阻R14的一端相连。

第二稳压二极管ZD2的阳极、交流电容C3的另一端、稳压器的第三输出引脚、第二电解电容E2的阴极、第二分压电阻R14的另一端连接强电地。

在本实施例中，第一分压电阻R13的大小为10kΩ，可允许消耗的功率为1/4W；第二分压电阻R14的大小为5kΩ，可允许消耗的功率为1/4W。

交流电容C3的大小为0.1μF，可承受电压为50V。

第一电解电容E1的大小为220μF，可承受电压为50V；第二电解电容E2的大小为330μF，可承受电压为50V。

本发明的工作原理是：开关电路1由二极管整流桥B1反并联IGBT构成双向开关，检流电阻R3产生电流信号，用于故障电路2判断是否出现过流，门极电阻R5、门极二极管D1、和下拉电阻R4用于可靠驱动。故障电路2中的滞环比较器PA1负责判断是否出现过流，当出现过流时，滞环比较器PA1输出高电平，信号光耦输出低电平，作为低电平报警信号。驱动电路3中的晶体管TR1电路完成PWM脉冲同逻辑转换，驱动光电耦合器OP1具有隔离驱动能力，当故障电路2检测到过流信号时，晶体管TR1电路封锁PWM脉冲。电源电路4中第一稳压二级管产生+15V驱动电源，第二稳压二级管产生+5V驱动电源，稳压器产生1.25V稳压信号，第一分压电阻R13和第二分压电阻R14分压，得到0.42V参考电压，作为过流保护的给定电压。如果检流电阻R3为12mΩ，过流保护动作值为25A峰值电流，可以通过改变参考电压、或检流电阻R3阻值，而改变过流保护动作值。

综上所述，本发明的一种双向功率器件，具有以下有益效果：

1、本发明的开关电路为由一个二极管整流桥和反并联的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）形成双向逆导开关，驱动电路由带有隔离能力的驱动光耦构成，故障电路2由过流检测的滞环比较器和信号光耦构成，电源电路为自供电路，无需外加工作电源，整体上具有完善的功能，强电与弱电隔离，因而本发明具有智能特征。

2、本发明采用模块式设计结构，便于应用，降低设计时间。

3、本发明还具有电路结构简单、控制简便和成本低廉的优势。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种双向功率器件，其特征在于，包括：

开关电路，包括由二极管整流桥与反并联一二极管的绝缘栅双极型晶体管构成的双向逆导开关；

故障电路，与所述开关电路相连，包括信号光电耦合器和滞环比较器，用于判断开关电路中是否出现过流；

驱动电路，与所述开关电路和故障电路相连，包括驱动光电耦合器和晶体管，用于驱动开关电路；所述驱动光电耦合器包括一发光二极管和两个光敏三极管组合而成的受光三极管；两个光敏三极管的发射极相连引出一输出引脚，一个光敏三极管的集电极连接电源，另外一个光敏三极管的集电极接入强电地；发光二极管的阴极接入模拟地；所述驱动电路还包括第一驱动电阻、第二驱动电阻和第三驱动电阻；第一驱动电阻的一端与所述驱动光电耦合器中发光二极管的阳极相连，第一驱动电阻的另一端、第二驱动电阻的一端与晶体管的发射极和信号光电耦合器的输入端相连；第二驱动电阻的另一端连接电源；第三驱动电阻的一端与晶体管的基极相连，另一端接地；

电源电路，与所述开关电路相连，包括隔离二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、稳压器和分压电阻，为过流保护提供参考电压及隔离强电和弱电。

2.根据权利要求1所述的双向功率器件，其特征在于，所述二极管整流桥为两臂二极管整流桥，所述两臂二极管整流桥的两个桥臂分别与强电输入端相连。

3.根据权利要求1所述的双向功率器件，其特征在于，所述开关电路还包括：第一稳压电阻和第二稳压电阻、检流电阻、门极电阻、门极二极管和下拉电阻；第一稳压电阻的一端与二极管整流桥的直流正极端及绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，第一稳压电阻的另一端与第二稳压电阻的一端相连；检流电阻的一端与绝缘栅双极型晶体管的发射极相连；下拉电阻的一端、门极电阻的一端和门极二极管的一端与绝缘栅双极型晶体管的栅极相连；门极电阻的另一端和门极二极管的另一端与驱动电路中驱动光电耦合器相连；第二稳压电阻的另一端、下拉电阻的另一端、检流电阻的另一端连入强电地。

4.根据权利要求1所述的双向功率器件，其特征在于，所述晶体管的基极引出形成驱动信号端。

5.根据权利要求1所述的双向功率器件，其特征在于，所述故障电路还包括第三稳压电阻、第四稳压电阻、第一电容和第二电容；所述信号光电耦合器包括一发光二极管和一光敏三极管；发光二极管的阳极与第一电容的一端及滞环比较器的输出端相连，发光二极管的阴极与第一电容的另一端及第三稳压电阻的一端相连；第三稳压电阻的另一端接地；发射极接地；滞环比较器的反相输入端连接电源，正相输入端与第四稳压电阻的一端及第二电容的一端相连；第四稳压电阻的另一端与检流电阻和绝缘栅双极型晶体管的发射极的共同端相连；第二电容的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的双向功率器件，其特征在于，光敏三极管的集电极引出形成故障信号端。

7.根据权利要求1所述的双向功率器件，其特征在于，电源电路还包括第一电解电容、第二电解电容、交流电容、第五稳压电阻和第六稳压电阻；稳压管包括第一输出引脚、第二输出引脚和第三输出引脚；分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻；隔离二极管的阳极与二极管整流桥的直流正极端、绝缘栅双极型晶体管的集电极的共同端相连，隔离二极管的阴极与第五稳压电阻的一端相连；第五稳压电阻的另一端与第一电解电容的阳极和第一稳压二极管的阴极相连形成第一电源；第一电解电容的阴极、第一稳压二极管的阳极连接强电地；第六稳压电阻的一端连接所述第一电源，另一端与第二稳压二极管的阴极、交流电容的一端、稳压器的第二输出引脚相连；第二稳压二极管的阴极输出形成第二电源；稳压器的第一输出引脚输出第三电源，并与第二电解电容的阳极、第一分压电阻的一端相连；第一分压电阻的另一端输出第四电源，并与第二分压电阻的一端相连；第二稳压二极管的阳极、交流电容的另一端、稳压器的第三输出引脚、第二电解电容的阴极、第二分压电阻的另一端连接强电地。