CN101478143A - 一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的保护半导体器件串联运行的有源保护电路可以降低单管或串联器件在开关的暂态过程中所受到的过电压影响。其中保护电路在功率半导体上的电压超过给定的电压水平时开始启动。过电压保护设备可以用来保护包含最少一个功率器件的模块，在一个电力电子设备中，可能有几个模块进行串联以承受阀串中的电压。

Description

一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路

技术领域

本发明属于具有半导体器件的电路领域，特别涉及一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路。

背景技术

目前的功率半导体器件，例如绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)和金属氧化物半导体型场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)等，都只能承受一定限量的电压。如果电路中有其它因素影响，半导体器件在关断时可能要承受一个较大的电压过冲，这个电压可能会超出器件的安全工作的范围，造成器件损坏。另外，如果在一些场合下需要开断的电压较高，必须要对半导体器件进行串联使用。在这种使用方式下，由于器件本身特性的不一致、主电路杂散参数的影响以及控制电路所存在的差异等，将会导致在串联运行中各个器件上电压分配的不平衡，使得一些器件上产生较大的过电压。尤其是在动态运行(开通和关断过程)过程中，串联器件间的电压均衡就更加难以获得。因为在开通或者关断过程中，只有当各个半导体器件及其驱动的特性完全一致时才可以保证通过半导体器件上的电压对称分布。但是，由于各个串联器件的开关特性或开关延迟都有差异，而且各个器件本身的开通和关断时间还会随着时间和温度的变化而变化。这使得每个器件在高速的开通和关断过程中所成的电压都不尽相同。而且，使用的半导体器件速度越快，在关断时承受的电压越高，因为这时较慢的开关仍然在导通，大部分电压还需要较快关断的器件来承受。这样，速度最快的半导体器件所承受的电压可能会超出最大耐受电压，从而导致器件被损坏。同样的情况也可以发生在开通过程中。在这种情况下，是由较慢的开关承受较大的电压。

而器件上所施加的过电压会导致器件受到的电气应力增加，加速了器件的老化过程。同时，在较高的电压下运行可能会使半导体器件的失效率显著增加。在严重的情况下，这个电压可能会超出器件所能够承受的最大运行电压，使器件造成不可恢复的损坏。因此，必须有一个保护性的设备来确保在任何运行状态下每个半导体器件上的电压都不会超过其最大耐受电压。

因此，参见图1，在由电力电子器件组成的设备中，特别是对于在高电压大电流下工作的串联电力电子设备来说，必须使用一定的措施来限制这个过电压的影响，以使各个器件上的电压处于安全工作的范围以内，保护电力电子设备的可靠运行。

目前，在半导体器件的单管应用或低频半导体器件(如高压直流输电晶闸管串联阀)的串联运行中，通常使用和半导体器件并联的RCD缓冲电路来限制器件上的过电压。参见图2显示了一个现有技术的RCD缓冲器的例子，其中的门极驱动电路是用来控制半导体器件开通或者关断的触发电路，可以由成熟的商业化驱动芯片来完成，而缓冲电路由电阻R、电容C和二极管D组成。这种缓冲电路可以限制半导体器件上的电压变化速率，增加半导体器件的电流处理能力，从而降低了关断过电压。在器件的串联使用中，RCD缓冲电路也可以改进串联器件上的电压分配。但是为了获得较好的电压分配，缓冲器中的电容必须很大，这将会使得缓冲电路的损耗也会很大，不利于电力电子器件IGBT等高频器件的串联运行。而且如果过电压的水平较大或者串联的器件数量较多，RCD缓冲电路也无法完全保证串联器件间的电压分配。

因此，在较快速的半导体器件，例如MOSFET、电力电子器件IGBT等半导体器件(下文都用电力电子器件IGBT来作为代表)的串联工作中，需要一些性能更加良好的过电压保护电路，用来防止那些关断较快(或开通较慢)的器件承受过高的电压。对于这类门极控制型半导体器件，可以考虑采用更加优秀的方法来限制过电压的大小，即使用工作在门极侧的保护电路，也就是所谓的有源式保护电路。有源式过电压保护电路意味着保护电路可以较大的改变器件的动作特性，也就是说通过器件的电压如果上升太快的话，它可以增加器件的等效电导，来降低器件的电压变化率。

参见图3，现有技术的最简单的有源过电压保护设备是使用一个齐纳二极管和一个二极管串联到电力电子器件IGBT的集电极和门极之间。但是这个方法的缺点是会显著增加关断损耗。

因此，在实际应用中需要对上面的电路进行改进。考虑在上面的电路中加入一只电容和电阻，同样也是接到电力电子器件IGBT的集电极和发射极之间，并且让过电压保护设备在半导体器件上的电压超过给定的电压水平时开始启动。这样，只要保护电路开始动作，就有电流通过有源钳位电路中的电容，因此电容开始充电。在电力电子器件IGBT的开关过程中，只要通过功率器件上的电压上升超过保护电压，保护电路就将开始动作。电容的任务是当通过功率器件上的电压超过指定的电压水平时限制电压的变化率。

其中，有源钳位电路可以采用正向击穿型或反向击穿型，分别如图4和图5所示。在正向击穿型有源钳位电路中，当电力电子器件IGBT的集电极-门极电压超过电压限制器Dz的击穿电压时，钳位电路中的阻容回路就被接入到电力电子器件IGBT的门极-集电极之间，使电力电子器件IGBT的电压变化率得到限制。而在反向击穿型有源钳位电路中，当集电极-门极电压低于一定程度时，则电容将反向击穿电压限制器而放电。

通常，为了增加有源保护设备的性能，还可以在有源钳位电路中增加其它电路来改善其性能，例如有源缓冲电路。参见图6，有源缓冲电路是在电力电子器件IGBT集电极和门极之间串联的一个电容和一个电阻，其功能是可以在电力电子器件IGBT的开通和关断过程中限制集射极之间的电压变化率。因此，参见图7，将有源钳位保护电路和一个有源缓冲电路相结合，通过开通和关断过程中有源缓冲电路对集射极电压变化率的限制作用，可以增加有源钳位电路钳位性能。

发明内容

本发明所提出的串联半导体器件的过电压保护电路，可以降低串联体器件暂态过程中所受到的过电压影响。其中保护电路在功率半导体上的电压超过给定的电压水平(Vprot)时开始启动。过电压保护设备可以用来保护包含最少一个功率器件的模块，在一个电力电子设备中，可能有几个模块进行串联以承受阀串中的电压。

由于有源型钳位电路是通过对半导体功率器件的门极进行控制来起到对器件集射极电压限制的作用，因此有源钳位电路可以应用的半导体功率器件只能是电压控制型的(如电力电子器件IGBT、MOSFET等)，并且需要连接到可控功率器件的集电极和门极之间，参见图8有源型钳位电路中的BH。

功率器件串联的好处主要是可以使用多个具有较低的电压耐受能力的器件来共同承担一个较大的电压，这样不仅扩大了半导体器件的应用范围，还可能会降低电力电子设备的损耗和成本。在具有串联工作的半导体器件的电力电子设备中，其中的串联器件中的每个功率器件都由所发明的过电压保护设备进行保护。这意味着在关断和开通过程中的同步需求被降低。在关断、开通和短路过程中功率器件上的较大的统一性要求也得到缓和，同时也降低了器件的控制要求。另外，在驱动电路中的差异也变得可以接受。否则，就不得不考虑选择具有较大同一性的器件并且调整驱动电路。这在实际的工业应用中比较困难，而且在使用一段时间之后，还必须要替换掉老化的器件和驱动电路。

因此，本发明提出了一种功率半导体器件的有源保护电路，用于保护由串联或单管运行的压控型功率半导体器件组成的电力电子设备中的半导体器件，其特征在于该电路包括有源钳位电路，电子开关(K)以及电阻组成的回路。其中有源钳位电路用来对压控型功率半导体器件在关断过程中产生的过电压起到抑制作用，所述有源钳位电路的输入和输出端分别连接到需要保护的功率半导体器件的集电极端(C)和门极端(G)，所述电子开关K的受控端连接到所述有源钳位电路的另一个输出端，根据所述有源钳位电路的动作状态来调节有源钳位电路输出并流入的压控型功率半导体器件门极的电流大小，所述电子开关K和一个用来限制电流大小的电阻(Rg2)串联后，再与压控型功率半导体器件的门极电阻(Rg1)相并联。

其中，所述压控型功率半导体器件包括绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、金属氧化物半导体型场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)和注入增强栅极晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)。

其中，所述的半导体器件包括至少一个串联运行的功率半导体器件，其中每个半导体器件都被所述的有源保护电路所保护。

其中，所述并联的门极电阻(Rg1)控制回路包括一个开关和一个电阻。

其中，所述电子开关K是不可控开关或可控开关，如果是可控开关，则可控开关的动作阈值由所述半导体器件的保护电压决定，且可控开关的动作由所述半导体器件的有源钳位电路来启动。

其中，还包括有源缓冲电路和无源缓冲电路，其中所述有源缓冲电路连接到功率器件的集电极和门极之间，用来减缓和平均器件关断过程中的电压应力，所述无源缓冲电路连接到功率器件的集电极和发射极之间，用来吸收器件关断过程中的过电压。

本发明的有益效果是：本发明的有源过电压保护电路相比于传统的有源钳位电路来说其优点为：当使用了所发明的电路后，串联工作的半导体器件在开关过程中，由于器件的不平衡所导致的过电压可以得到更好的抑制，因为所发明的电路大大增加了有源钳位电路的作用，使有源钳位电路的性能得到了进一步提升；通过不同的门极侧电阻组合，可以根据实际需要来得到不同的开关速度，这样可以降低半导体器件开关过程中的损耗。

所发明的有源过电压保护设备，相比于原来的有源钳位设备的优点可以进一步的被概括为：通过加入门极侧控制电路，可以改进原有的有源钳位电路的工作性能，同时降低了器件的开关损耗。

附图说明

图1是现有技术的串联工作的半导体器件的示意图；

图2是现有技术的RCD缓冲器的示意图；

图3是一种现有技术的电力电子器件IGBT的有源过电压保护设备的示意图；

图4是现有技术的正向击穿型有源钳位电路的示意图；

图5是现有技术的反向击穿型有源钳位电路的示意图；

图6是现有技术的电力电子器件IGBT的有源缓冲电路的示意图；

图7是现有技术的有源钳位保护电路和有源缓冲电路的组合的示意图；

图8是依据本发明的有源钳位电路的连接示意图；

图9是依据本发明的一个六桥臂换流器的示意图；

图10是依据本发明的需要进行保护的包含了一个半导体器件的功率模块T的电路的示意图；

图11是依据本发明的有源钳位保护电路的一种改进结构的示意图；

图12是依据本发明的有源保护电路的最小配置结构示意图；

图13是依据本发明的有源保护电路的总体结构示意图。

具体实施方式

下面对发明的具体技术方案进行叙述。可以应用发明电路的一种类型的换流器三相电压源型自换相换流器如图9所示，带有六个阀臂的三相桥，其中每个阀包括一组串联的半导体器件。桥臂通过电感La、Lb、Lc连接到三相交流电网，直流端P、N连接到电容C。换流器中的每个阀臂都包括任意数量的组件T₁……T_N，而每个组件又包括最少一只半导体器件电力电子器件IGBT，这个器件由所发明的过电压保护设备进行保护。

参见图10显示了包括一个由一只电力电子器件IGBT器件和一个反并联二极管所组成的功率半导体模块，它包含了需要被进行过电压保护的功率器件。电力电子器件IGBT由连接到门极的驱动电路控制。在电力电子器件IGBT及反并联二极管上有一个并联电阻Rs，是当阀处于断态时作静态电压分配用的。

为了保护串联阀中每个半导体器件，使其免受到在串联阀开通或关断时由于不同步造成的阀中器件上所出现的过电压，因此需要在每个功率半导体都装有一个过电压保护设备。

由于在电力电子器件IGBT器件开通时，电压的不平衡度一般比较轻微，电压的分配较为平均，因此可能不需要钳位电路提供过大的抑制性能。所以此时可以考虑使用较小的门极电阻来加快开关的动作速度，使得开通所用的时间较少，从而降低了开关损耗的产生。而在电力电子器件IGBT关断时，由于集射极电压之间的不平衡度较大，此时使用较大的门极电阻，使得钳位电路的电流流向门极的部分增加，从而增加了钳位电路的效果。这样，可以考虑使用的一种有源保护电路的配置方式如图11所示。其中使用一个二极管(Dr)和一个较小的电阻(Rg2)进行串联，然后再与一个较大的电阻(Rg1)进行并联。最后将这个电路串接到门极驱动电路和电力电子器件IGBT的有源钳位电路之间。这样，在开通时，由于两个电阻并联，使得门极总阻值较小，可以加速开通速度，降低开关损耗。而在关断时，由于二极管的反向截止作用，使得只有一个较大的电阻(Rg1)起作用，这样可以使得集电极-门极间的有源钳位电路部分的电流的较大部分流向电力电子器件IGBT的门极，从而提高有源钳位电路的性能。

但是这样带来的一个不足之处是即使正常运行情况下(均压或较低电压)电力电子器件IGBT的关断延时会比较长，关断过程的时间会变长，增大了关断损耗。因此，一种更好的电路拓扑结构是在图11所示的电路中，将其中的二极管(Dr)用一个可双向导通的开关(K)来代替，而开关K的开通和闭合受到有源钳位电路中的电阻电压的控制，如图12所示。如果各电力电子器件IGBT集射极之间的电压Vce比较均衡，即各个器件上的电压都不超过有源钳位电路的保护动作阈值，则有源钳位电路不会动作，这时开关K处于闭合状态，使两个电阻并联接入到门极侧，提高电力电子器件IGBT的开关速度，降低开关损耗。而在电力电子器件IGBT的开关过程中，如果集电极-门极电压开始上升超过有源钳位电路的保护动作电压时，则有源钳位电路中的电阻上的电压将上升达到一定程度，这时就认为电力电子器件IGBT上的电压达到需要限制的水平。此时开关K的控制电路将开关K断开，使较大的电阻Rg1接入到门极，门极侧电阻增加，使流向电力电子器件IGBT侧电流变大，减缓电力电子器件IGBT的关断过程，将其上的过电压进行抑制。

同时，也可以在图12所述的电路中加入有源缓冲电路(参见图6)，来减缓IGBT的开关速度，降低IGBT开关过程中的电压变化率的不一致水平。根据实际的过电压情况，如果主电路中的杂散电感的影响较大，还可以加入无源缓冲电路，来吸收IGBT关断过程中的过电压。电路的配置如图13所示。其中无源缓冲电路可以是由二极管、电容、电阻组成的电路(参见图2)或者其它能够起到同样功能的电路。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (6)

1、一种保护半导体器件串联运行的有源保护电路，用于保护由串联或单管运行的压控型功率半导体器件组成的电力电子设备中的半导体器件，其特征在于该电路包括有源钳位电路，电子开关(K)以及电阻组成的回路。其中有源钳位电路用来对压控型功率半导体器件在关断过程中产生的过电压起到抑制作用，所述有源钳位电路的输入和输出端分别连接到需要保护的功率半导体器件的集电极端(C)和门极端(G)，所述电子开关K的受控端连接到所述有源钳位电路的另一个输出端，根据所述有源钳位电路的动作状态来调节有源钳位电路输出并流入的压控型功率半导体器件门极的电流大小，所述电子开关K和一个用来限制电流大小的电阻(Rg2)串联后，再与压控型功率半导体器件的门极电阻(Rg1)相并联。

2、如权利要求1所述的有源保护电路，其特征在于所述的压控型功率半导体器件包括绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金属氧化物半导体型场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、注入增强栅极晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)和其它由门极电压控制可关断的器件。

3、如权利要求1-2任一所述的有源保护电路，其特征在于所述半导体器件包括至少一个串联运行的功率半导体器件，其中每个半导体器件都被所述的有源保护电路所保护。

4、如权利要求1-3任一所述的有源保护电路，其特征在于所述并联的门极电阻(Rg1)控制回路包括一个开关和一个电阻。

5、如权利要求1-4任一所述的有源保护电路，其特征在于所述电子开关K是不控开关或可控开关，如果是可控开关，则可控开关的动作阈值由所述半导体器件的保护电压决定，且可控开关的动作由所述半导体器件的有源钳位电路来启动。

6、如权利要求1-5任一所述的有源保护电路，其特征在于还包括有源缓冲电路和无源缓冲电路，其中所述有源缓冲电路连接到功率器件的集电极和门极之间，用来减缓和平均器件关断过程中的电压应力，所述无源缓冲电路连接到功率器件的集电极和发射极之间，用来吸收器件关断过程中的过电压。

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