CN101174788B - 一种电压驱动型功率半导体器件关断过电压保护电路 - Google Patents
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一种电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，包括控制电路，放大电路，控制电路的软关断信号输出端和功率半导体器件的栅极之间还并联三极管和分压电阻。放大电路包括功率半导体器件的栅极与控制电路的输出端之间相互并联的第一三极管、第二三极管，和串联在功率半导体器件与第一三极管、第二三极管发射极之间的第一电阻；第一三极管集电极连接正电源，第二三极管集电极接地；功率半导体器件的发射极与控制电路的输出端之间相互并联的第三三极管、第四三极管；第三三极管集电极连接正电源，第四三极管集电极接地。本发明提供的关断过电压保护电路，实现对电压驱动型半导体器件正常或非正常关断时造成的超高过电压的抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件驱动电路，特别涉及一种电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路。
背景技术
由于绝缘栅双极晶体管IGBT具有易驱动、开关频率高、外壳绝缘等优点，已成为变流领域中小功率变流器使用的主流开关器件。随着技术的进步，器件电压电流等级不断提高，逐步向高压大容量方向发展，目前单个IGBT元件最高电压等级为6500V。IGBT的电压等级(Vces)是其承受正向阻断电压的极限值，超过该值IGBT就会被击穿，因此IGBT运行中的过电压保护是关系到使用该种器件系统可靠性的一重要指标。
由于主电路存在杂散电感及IGBT元件内部存在分布电感，IGBT关断时会产生一高于母线直流电压的电压尖峰，其中超出母线电压的部分称为关断过电压或关断浪涌电压ΔVCE。ΔVCE＝Lσ×dioff/dt，Lσ为主电路杂散电感与IGBT内部分布电感之和，dioff/dt为IGBT元件电流下降率。当系统确定时，Lσ为固定值，而dioff/dt则会随关断情形而变化，当IGBT元件发生过流或短路时，dioff/dt急剧增大，会引起比正常关断大得多的ΔVCE，影响系统的可靠性。
目前，对于电压不高或电流不大的变流装置，由于ΔVCE相对偏小，且装置本身维修成本低，总成本不能过高等原因，一般没对IGBT元件非正常关断过电压进行抑制。
对于高压大电流变流装置，其维修成本及可靠性要求高，故进行ΔVCE抑制是一项非常必要的措施。现比较典型的抑制方法一种是采用瞬变抑制二极管的过电压钳位方式，如图1所示。在IGBT11关断时，一旦VCE电压超过瞬变抑制二极管Dz的阀值，Dz导通，VGE(栅极对发射极电压)电压上升，IGBT11重新导通，VCE(集电极对发射极电压)电压下降。此方法效果较好，但要求响应速度非常快，否则不仅起不到抑制过电压的作用，还可能会造成元件的误触发，给系统构成安全隐患。
现比较典型的抑制方法另一种是在IGBT元件过流或短路时采取软关断方式，如图2所示。正常时Q23闭合，故障时Q23断开，放电电流经过RS，由于放电电阻增大，IGBT21关断速度减慢，dioff/dt减小，导致关断过电压ΔVCE降低。此种抑制方法容易实现，但缺点是驱动电路必须采用双电源供电即必须具备VCC正电源与VEE负电源。因对于现有大功率IGBT21或其他类似功率器件，为了防止系统干扰等引起的误触发，关断期间必须在IGBT21门极施加负偏电压VEE，幅值一般与VCC相等。此外，由于RS施加于负偏回路，抑制效果不太明显，且关断损耗较大，不易用于元件正常关断时的过电压抑制。
因此，如何对采用单电源VCC供电的IGBT等电压驱动型半导体器件非正常关断时造成的过电压进行抑制，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述背景问题的客观存在，本发明要解决的技术问题，就在于提供一种电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，用于实现对IGBT等电压驱动型半导体器件正常或非正常关断时造成的超高过电压进行抑制。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，包括控制电路、连接在控制电路的输出端和电压驱动型功率半导体器件之间的放大电路；
所述控制电路的软关断信号输出端与第五三极管(Q5)的基极相连，所述功率半导体器件的栅极与分压电阻(R2)一端相连，所述分压电阻(R2)另一端与第五三极管Q5的发射极相连。
优选地，所述放大电路包括第五第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第三三极管(Q3)以及第四三极管(Q4)；
所述第一电阻(R1)一端与所述功率半导体器件的栅极相连；所述第一电阻(R1)另一端与所述第一三极管(Q1)的发射极相连；
所述第一三极管(Q1)的基极与所述控制电路的栅极驱动信号输出端相连；
所述第二三极管(Q2)的基极与所述控制电路的栅极驱动信号输出端相连，所述第二三极管(Q2)的发射极与所述第一电阻的所述另一端相连；；
第三三极管(Q3)的基极与所述控制电路的发射极信号输出端相连，所述第三三极管(Q3)的发射极与所述功率半导体器件的栅极相连；
第四三极管(Q4)的基极与所述控制电路的发射极信号输出端相连，所述第四三极管(Q4)的发射极与所述功率半导体器件的栅极相连；
所述第一三极管Q1集电极连接正电源，所述三极管Q2集电极接地；
所述三极管Q3集电极连接正电源，所述三极管Q4集电极接地。
优选地，所述电阻R1和分压电阻R2的电阻值按照预先设定的比例设置。
优选地，所述控制电路和所述功率半导体器件之间包括集电极对发射极电压检测电路。
优选地，所述控制电路根据所述集电极对发射极电压检测电路的检测所述电压驱动型功率半导体器件状态的结果控制所述三极管Q1至三极管Q5，实现所述电压驱动型功率半导体器件的正常关断或非正常关断时的过电压抑制。
优选地，启用过电压保护功能对所述电压驱动型功率半导体器件进行软关断时，软关断信号输出一固定宽度的高电平，所述控制电路的发射极信号在软关断信号固定脉冲结束后再变成高电平，软关断信号为高电平期间，控制所述功率半导体器件开通与关断的栅极驱动信号VGE缓慢降至一固定电平
降至一固定电平
之后再以正常关断速度下降至-VCC。
中：R1为所述第一电阻(R1)的电阻值；R2为所述分压电阻(R2)的电阻值；
VCC为所述电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件的导通信号时，栅极驱动信号输出的电压值；
-VCC为所述电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件的关断信号时，栅极驱动信号输出的电压值。
与上述背景技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路在所述控制电路的输出端和所述功率半导体器件的栅极之间并联三极管Q5和分压电阻R2，且所述控制电路能通过对三极管Q5和所述驱动放大电路的控制，实现对所述电压驱动型功率半导体器件栅极电压VGE及其关断速度进行控制，从而实现非正常关断时造成的超高过电压的抑制。
所述控制电路输出的脉冲信号为软关断信号(SCG)、栅极驱动信号(SG)、发射极信号(SE)。控制电路输出的三路脉冲信号转变为适合所述功率半导体器件开通与关断的栅极驱动信号VGE。正常工作时，控制电路控制三极管Q5关断，过电压保护功能不启用，当电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件导通信号，VGE输出VCC，电压驱动型功率半导体器件导通；当接收到功率半导体器件关断信号，VGE输出-VCC，电压驱动型功率半导体器件关断。电压驱动型功率半导体器件出现过流或短路故障等非正常情况时，控制电路输出故障状态，假设为低电平，反馈给上级控制系统，并持续一段时间，同时栅极驱动信号变成低电平，软关断信号输出一固定宽度的高电平，其脉冲宽度满足效果较好的要求。发射极信号在软关断信号固定脉冲结束后再变成高电平。软关断信号为高电平期间，VGE缓慢降至一固定电平
该电平由分压电阻R1与电阻R2分压决定，此期间VGE波形下降速度比正常关断时慢得多，故dioff/dt大大减小，从而使VCE过电压峰值降低。
因此，本发明实施例所述关断过电压保护电路能够实现对IGBT等电压驱动型功率半导体器件非正常关断时造成的超高过电压的抑制。
附图说明
图1是现有技术所述功率半导体器件第一种保护电路图；
图2是现有技术所述功率半导体器件第二种保护电路图；
图3是本发明所述关断过电压保护电路结构框图；
图4是图3所述关断过电压保护电路结构框图具体实施例电路图；
图5是本发明所述VCE检测电路第一种实施方式电路图；
图6是本发明所述VCE检测电路第二种实施方式电路图；
图7是图3所述电路故障状态电压波形图。
具体实施方式
本发明提供一种功率半导体器件驱动电路的关断过电压保护电路，用于实现对IGBT等电压驱动型半导体器件非正常关断时造成的过电压进行抑制。
为了更清楚地说明本发明所述电压驱动型功率半导体器件关断过电压保护电路的结构组成和工作原理，下面结合具体附图进行详细说明。
参见图3和图4，图3为本发明所述关断过电压保护电路结构框图；图4是图3所述所述关断过电压保护电路结构框图具体实施例电路图。
本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，包括控制电路7，连接在控制电路7的输出端和IGBT之间的放大电路9，所述控制电路7的输出端和IGBT的栅极G之间还并联有三极管Q5和分压电阻R2。
所述控制电路7输出的脉冲信号为软关断信号24(SCG)、栅极驱动信号25(SG)、发射极信号26(SE)。控制电路7输出的三路脉冲信号转变为适合所述功率半导体器件开通与关断的栅极驱动信号VGE。正常工作时，控制电路7控制三极管Q5关断，过电压保护功能不启用，当电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件导通信号，VGE输出VCC，电压驱动型功率半导体器件导通；当接收到功率半导体器件关断信号，VGE输出-VCC，电压驱动型功率半导体器件关断。电压驱动型功率半导体器件出现过流或短路故障等非正常情况时，控制电路输出故障状态，假设为低电平，反馈给上级控制系统，并持续一段时间，同时栅极驱动信号变成低电平，软关断信号输出一固定宽度的高电平，其脉冲宽度满足效果较好的要求。发射极信号在软关断信号固定脉冲结束后再变成高电平。软关断信号为高电平期间，VGE缓慢降至一固定电平
该电平由分压电阻R1与电阻R2分压决定，此期间VGE波形下降速度比正常关断时慢得多，故dioff/dt大大减小，从而使VCE过电压峰值降低。
本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，还可以适用于对IGBT等电压驱动型半导体器件的正常关断进行过电压抑制。
本发明实施例采用单电源VCC供电方式，能够实现对IGBT元件等电压驱动型功率半导体器件非正常关断时造成的过电压进行抑制。
所述放大电路9包括所述功率半导体器件的栅极与所述控制电路7的输出端之间相互并联的三极管Q1、三极管Q2，和串联在IGBT与所述三极管Q1、三极管Q2发射极之间的电阻R1；所述三极管Q1集电极连接正电源，所述三极管Q2集电极接地。
IGBT的发射极与所述控制电路7的输出端之间相互并联的三极管Q3、三极管Q4；所述三极管Q3集电极连接正电源，所述三极管Q4集电极接地。
所述控制电路7的输出端和所述放大电路9之间以及所述控制电路7的输出端和所述三极管Q5之间均串联电平转换电路8。电平转换电路8目的是将控制电路7发出的逻辑脉冲信号(幅值通常为5V)转变成幅值为VCC的信号，从而使其控制的三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5输出信号幅值也约为VCC。
本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的驱动电路可以包括将光信号转换为控制电路能够接收的电信号的信号隔离电路4。
信号隔离电路4的目的是将前级控制电路与位于高压主电路端的驱动电路1进行信号的隔离。信号隔离电路4是将输入的光信号转变为控制电路7所能接受的电信号27，同时将控制电路7反馈的IGBT状态信号28转变为光信号输出给前级控制系统。
控制电路7的作用是将输入信号27经过故障处理等环节后输出控制IGBT开通与关断的脉冲信号，并将故障处理后的IGBT状态通过信号隔离电路4反馈给前级控制系统。控制电路7输出的三路脉冲信号分别为软关断信号24(SCG)、栅极驱动信号25(SG)、发射极信号26(SE)。
由于软关断信号为高电平期间，VGE输出电压由分压电阻R2与电阻R1分压决定，所述电阻R1和分压电阻R2的电阻值可以按照预先设定的比例进行设置。
本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的驱动电路还可以包括电源隔离电路5。
电源隔离电路5用于将前级控制电路与位于高压主电路端的驱动电路1进行电源的隔离。电源隔离电路5将输入电源隔离输出合适的直流电源，供次边驱动电路1使用。
本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的驱动电路还包括VCE检测电路6，VCE检测电路6通过检测IGBT集电极电压来判断IGBT元件的状态。
参见图5，该图是本发明所述VCE检测电路6第一种实施方式电路图。
所述VCE检测电路6至少包括一个二极管D5，所述二极管D5串联在所述控制电路7的输入端和所述功率半导体器件3的集电极之间。参见图6，该图是本发明所述VCE检测电路6第二种实施方式电路图。
所述VCE检测电路6包括分压电阻R3和分压电阻R4，所述分压电阻R3串联在所述控制电路7的输入端和所述功率半导体器件3的集电极之间，所述分压电阻R4串联在所述控制电路7的输入端和地之间。
本发明所述两种VCE检测电路实施方式都是检测元件开通过程中的VCE，通过与设定值进行比较来判断IGBT是否过流或短路，并将结果送入控制电路7进行故障处理。
本法明两种实施方式的区别是：第一种实施方式实现方便，但不宜使用于6500V IGBT等高电压等级的功率半导体器件情形，第二种实施方式实现难度稍大，但可解决第一种遇到的问题。
驱动放大电路9的作用是将控制电路7输出的三路脉冲信号转变为适合IGBT开通与关断的栅极驱动信号VGE，所述驱动放大电路9包括电平转换电路8与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4。电平转换电路8将控制电路7发出的逻辑脉冲信号(幅值通常为5V)转变成幅值为VCC的信号，从而使其控制的三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5输出信号幅值也约为VCC。
参见图7，该图为本发明实施例所述电压驱动型功率半导体器件的驱动电路故障状态电压波形图。
正常时故障输入信号23为正常状态，经控制电路7输出故障反馈信号28(FOUT)亦为正常状态(假设为高电平)，软关断信号24(SCG)为低电平，栅极驱动信号25(SG)与输入信号27相同，发射极信号26(SE)与输入信号27相反，三极管Q5保持关断状态，栅极驱动信号VGE与输入信号同相，幅值为VCC与-VCC。
一旦出现过流或短路故障，故障输入信号23变成故障信号，经过控制电路7进行逻辑处理后，故障反馈信号28(FOUT)输出故障状态(假设为低电平)，通过信号隔离电路反馈给上级控制系统，并持续一段时间，该时间为驱动电路的故障封锁时间；同时栅极驱动信号25(SG)变成低电平，软关断信号24(SCG)输出一固定宽度的高电平，其脉冲宽度满足效果较好的要求，发射极信号26(SE)在软关断信号24固定脉冲结束后再变成高电平。软关断信号24为高电平期间，三极管Q5、三极管Q2、三极管Q4导通，三极管Q1、三极管Q3关断，VGE输出电压由电压电阻R1与电阻R2分压决定。
由图7波形可以看出，此期间VGE波形下降速度比正常关断时慢得多，故dioff/dt大大减小，从而使VCE过电压峰值降低。
所述控制电路7的输出端和所述放大电路9之间以及所述控制电路7的输出端和所述三极管Q5之间均串联电平转换电路8。
参见图7，所述放大电路9包括所述功率半导体器件的栅极与所述控制电路7的输出端之间相互并联的三极管Q1、三极管Q2，和串联在IGBT与所述三极管Q1、三极管Q2发射极之间的电阻R1；所述三极管Q1集电极连接正电源，所述三极管Q2集电极接地。
IGBT的发射极与所述控制电路7的输出端之间相互并联的三极管Q3、三极管Q4；所述三极管Q3集电极连接正电源，所述三极管Q4集电极接地。
本发明所述电压驱动型功率半导体器件的驱动电路可以是IGBT或大功率MOSFET的驱动电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电压驱动型功率半导体器件的关断过电压保护电路，包括控制电路、连接在控制电路的输出端和电压驱动型功率半导体器件之间的放大电路，其特征在于，
所述控制电路的软关断信号输出端与第五三极管(Q5)的基极相连，所述功率半导体器件的栅极与分压电阻(R2)一端相连，所述分压电阻(R2)另一端与第五三极管(Q5)的发射极相连；
所述放大电路包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第一电阻(R1)、第三三极管(Q3)以及第四三极管(Q4)；
所述第一电阻(R1)一端与所述功率半导体器件的栅极相连；所述第一电阻(R1)另一端与所述第一三极管(Q1)的发射极相连；
所述第一三极管(Q1)的基极与所述控制电路的栅极驱动信号输出端相连；
所述第二三极管(Q2)的基极与所述控制电路的栅极驱动信号输出端相连，所述第二三极管(Q2)的发射极与所述第一电阻的所述另一端相连；
第三三极管(Q3)的基极与所述控制电路的发射极信号输出端相连，所述第三三极管(Q3)的发射极与所述功率半导体器件的栅极相连；
第四三极管(Q4)的基极与所述控制电路的发射极信号输出端相连，所述第四三极管(Q4)的发射极与所述功率半导体器件的栅极相连；
所述第一三极管(Q1)集电极连接正电源，所述第二三极管(Q2)集电极接地；
所述第三三极管(Q3)集电极连接正电源，所述第四三极管(Q4)集电极接地。
2.根据权利要求1所述的关断过电压保护电路，其特征在于，所述控制电路的栅极驱动信号、发射极信号输出端和所述放大电路之间以及所述控制电路的软关断信号输出端和所述第五三极管(Q5)之间均串联电平转换电路。
3.根据权利要求1或2所述的关断过电压保护电路，其特征在于，所述第一电阻(R1)和所述分压电阻(R2)的电阻值按照预先设定的比例设置。
4.根据权利要求1所述的关断过电压保护电路，其特征在于，所述控制电路和所述功率半导体器件之间包括集电极对发射极电压检测电路。
5.根据权利要求4所述的关断过电压保护电路，其特征在于，所述控制电路根据所述集电极对发射极电压检测电路的检测所述电压驱动型功率半导体器件状态的结果控制所述第一三极管(Q1)至第五三极管(Q5)，实现所述电压驱动型功率半导体器件的正常关断或非正常关断时的过电压抑制。
6.根据权利要求5所述的关断过电压保护电路，其特征在于，启用过电压保护功能对所述电压驱动型功率半导体器件进行软关断时，软关断信号输出一固定宽度的高电平，所述控制电路的发射极信号在软关断信号固定脉冲结束后再变成高电平，软关断信号为高电平期间，控制所述功率半导体器件开通与关断的栅极驱动信号(VGE)缓慢降至一固定电平
降至一固定电平之后再以正常关断速度下降至-VCC；
VCC为所述电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件的导通信号时，栅极驱动信号输出的电压值；
-VCC为所述电压驱动型功率半导体器件驱动电路接收到功率半导体器件的关断信号时，栅极驱动信号输出的电压值。
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