CN103907275A - 晶体管保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例的晶体管保护电路10是一种用于保护电压驱动晶体管20的晶体管保护电路，该电压驱动晶体管20是通过由驱动电路将电源40的高电位侧电压或低电位侧电压施加至该晶体管的栅极端子而受开关控制。该晶体管保护电路10具有电源控制器12，该电源控制器12在接收到用于执行保护晶体管的保护命令之后逐渐降低电源40的高电位侧电压。

Description

晶体管保护电路
技术领域
本发明涉及一种用于保护电力电子电路等的晶体管的晶体管保护电路。
背景技术
设计了一种用于当在电力电子电路的晶体管中发生异常操作(例如，发生过电流、过电压、高温)时保护该晶体管的保护电路。专利文献1公开了一种限制反相器的电压驱动晶体管中的电流流动的过电流保护电路。当检测到过电流流过晶体管SW时，此过电流保护电路40通过接通软中断电路49的晶体管而逐渐降低要施加至晶体管SW的栅极端子的电压，并且然后对晶体管SW进行软中断。此软中断可防止在短路期间发生过量浪涌电压。
另外，当执行软中断时，过电流保护电路40使用于驱动晶体管SW的驱动电路30停止将电压供应至晶体管SW的栅极端子。具体而言，使驱动电路30接通用于供应高电位侧电压的晶体管31p以及用于供应低电位侧电压的晶体管31n。
[引用清单]
[专利文献]
[专利文献1]第2008-141841号日本专利申请公开
发明内容
[技术问题]
顺便而言，由于最近能够实现极低切换损失的SiC器件的到来，希望提高用于电力电子电路的切换频率(例如，大约5倍至10倍，或者100kHz或更多)。
然而，在专利文献1中所描述的保护电路中，切换频率的提高可能由于驱动电路30的操作延迟时间段而停用软中断。更具体而言，当接通软中断电路49的晶体管以执行该软中断时，需要同时关断驱动电路30的晶体管31p、31n。然而，由于驱动电路30的控制电路35等的延迟时间段，关断晶体管31p、31n花费很长时间。结果，可能未能如期地执行该软中断。此延迟是由于提高切换频率而引起。
本发明的一个目的是提供一种能够甚至当切换频率是高时也适当地保护晶体管的晶体管保护电路。
[问题的解决方案]
本发明的晶体管保护电路是一种用于保护电压驱动晶体管的晶体管保护电路，该电压驱动晶体管是通过由驱动电路将电源的高电位侧电压或低电位侧电压施加至该晶体管的栅极端子而受开关控制，该晶体管保护电路具有电源控制器，该电源控制器在接收到用于执行保护该晶体管的保护命令后逐渐降低该电源的高电位侧电压。
根据此晶体管保护电路，因为通过该电源控制器逐渐降低电源的高电位侧电压，该电压是要施加至晶体管的栅极端子的电压，因此可适当地执行用于逐渐关断晶体管的软中断而不依赖于该驱动电路的操作延迟时间段。因此，可适当地保护晶体管而不依赖于切换频率。
上文所描述的晶体管保护电路进一步具有栅极短路部，该栅极短路部用于在该晶体管的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路；以及短路控制器，该短路控制器用于控制栅极短路部，使得响应于保护命令而在晶体管的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路。该短路控制器可控制栅极短路部，使得在自接收到保护命令起逝去预定延迟时间段之后在晶体管的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路。
根据此配置，可在逝去预定延迟时间段之后停止借助于电源控制器降低电源的高电位侧电压。例如，此电源电压有时用于电力电子电路中的另一电路中。在此情形中，可防止该电源电压超乎所需地下降，并且可避免电力电子电路中的上述电路的操作的中止。
上文所描述的预定延迟时间段可等于或长于使施加至晶体管的栅极端子的电压下降至晶体管的阈值电压所需的时间段。
根据此配置，在晶体管的栅极电压下降至阈值电压或更低之后，短路控制器在晶体管的栅极端子中引起短路。因此，可防止在短路期间发生过量浪涌电压。
上文所描述的晶体管保护电路进一步具有驱动控制器，该驱动控制器控制驱动电路，使得响应于保护命令而停止将电源的高电位侧电压施加至晶体管的栅极端子。该驱动控制器可控制驱动电路，使得在自接收到保护命令起逝去预定延迟时间段之后停止将电源的高电位侧电压施加至晶体管的栅极端子。该驱动控制器中的预定延迟时间段可与上文所提及的短路控制器中的预定延迟时间段相同。
根据此配置，可以在逝去预定延迟时间段之后停止借助于电源控制器降低电源的高电位侧电压。因此，例如，当此电源电压有时用于电力电子电路中的另一电路中时，可以防止电源电压超乎所需地下降，并且可避免在电力电子电路中的上述电路的操作的中止。
在自接收到保护命令起逝去预定延迟时间段之前，上文所描述的驱动控制器可控制驱动电路，使得继续将电源的高电位侧电压施加至晶体管的栅极端子。
根据此配置，电源控制器可在逝去预定延迟时间段之前适当地执行晶体管的软中断。
[发明的有益效果]
本发明甚至当切换频率是高时也可以适当地保护晶体管。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的晶体管保护电路的电路图；并且
图2是示出图1中所示的晶体管保护电路中提供的部分的波形的视图。
具体实施方式
在下文中参考附图详细地描述本发明的优选实施例。注意，在附图中的每一个中使用相同附图标记来指示相同或相似组件。
图1是示出根据本发明的实施例的晶体管保护电路的电路图。图1示出包含要由晶体管保护电路10保护的晶体管20的电力电子电路的一部分。
首先，在解释晶体管保护电路10之前描述所图示的电力电子电路。该电力电子电路的实例包含反相器。该反相器具有并联的两个或三个串联电路，所述串联电路中的每一个具有串联连接的两个晶体管20。每一个晶体管20的实例包含诸如IGBT和FET的电压驱动晶体管。此类型的晶体管20由如图1所示的驱动电路30电压驱动。
通过从电源40供应的电源电压来操作驱动电路30。驱动电路30具有驱动控制电路32以及选择电路34。在选择电路34中，两个开关元件34H、34L串联连接在电源40的高电压侧电位与低电压侧电位之间，并且在开关元件34H、34L之间的中间节点连接至每一个晶体管20的栅极端子。晶体管20的发射极或源极端子连接至电源40的低电压侧电位。例如，驱动电路30响应于用于控制反相器的输出的切换命令信号而对晶体管20的接通/关断切换操作执行PWM控制。具体而言，当驱动控制电路32接通开关元件34H并且关断开关元件34L时，将高电位侧电压供应至晶体管20的栅极端子。当驱动控制电路32关断开关元件34H并且接通开关元件34L时，将低电位侧电压供应至晶体管20的栅极端子。
当在此类型的晶体管20中发生异常操作(例如，发生过电流、过电压、高温)并且由检测电路(未示出)检测到该异常操作时，将用于执行保护晶体管的保护命令信号输入至晶体管保护电路10。响应于此保护命令信号，晶体管保护电路10对晶体管20执行保护操作。
晶体管保护电路10具有电源控制器12、栅极短路部14、短路控制器16以及驱动控制器18。
电源控制器12响应于保护命令信号而控制电源40并且降低电源电压。具体而言，电源控制器12在接收到保护命令信号之后立即逐渐降低电源40的高电位侧电压。当接收到保护命令信号时，接通选择电路34的开关元件34H。因此，电源控制器12逐渐降低施加至晶体管20的栅极端子的电压(软中断)。
栅极短路部14包含用于在晶体管20的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路的开关元件并且连接在晶体管20的栅极端子与晶体管20的源极或发射极端子(即，电源40的低电位侧)之间。由短路控制器16来控制栅极短路部14。
短路控制器16响应于保护命令信号而控制栅极短路部14并且在晶体管20的栅极端子中引起短路。具体而言，短路控制器16在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之后在晶体管20的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路。将该预定延迟时间段设定为例如等于或长于使晶体管20的栅极电压下降至阈值电压所需的时间段。可以自电源电压的减小的时间常数等预测此预定延迟时间段，并且可以例如预先设定该预定延迟时间段。
驱动控制器18响应于保护命令信号而控制驱动电路30并且控制至晶体管20的栅极端子的电压供应。具体而言，在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之后，驱动控制器18关断选择电路34的开关元件34H并且停止将电源40的高电位侧电压施加至晶体管20的栅极端子。如此一来，驱动控制器18可接通选择电路34的开关元件34L以在晶体管20的栅极端子中引起短路。
在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之前，驱动控制器18还继续将电源40的高电位侧电压施加至晶体管20的栅极端子，同时使选择电路34的开关元件34H保持接通。
接下来，描述晶体管保护电路10的操作。图2是示出晶体管保护电路10和要保护/控制的部分的波形的视图。
首先，当晶体管20在正常操作时，响应于切换命令信号而交替地接通和关断驱动电路30的选择电路34的开关元件34H、34L(图2(b)以及(c))，并且将驱动电压供应至晶体管20的栅极端子(图2的(g))。
随后，在时间t1处，当在晶体管20中检测到异常操作并且接收到高水平保护命令信号(图2的(e))时，电源控制器12在晶体管保护电路10中逐渐降低电源40的输出电压(图2的(f))。此刻，驱动控制器18使选择电路34的开关元件34H保持接通(图2的(b))。因此，逐渐降低晶体管20的栅极电压并且对晶体管20执行软中断(图2的(g))。
在自时间t1起逝去预定延迟时间段之后，短路控制器16和栅极短路部14在时间t2处在晶体管20的栅极端子和源极或发射极端子中引起短路(图2的(d))。此刻，驱动控制器18关断选择电路34的开关元件34H(图2的(b))。驱动控制器18还接通选择电路34的开关元件34L(图2的(c))。此刻，要施加至晶体管20的电压降低至晶体管20的阈值电压或更低。因此，甚至当发生短路时也不生成过量浪涌电压。
注意，当电源40的电压可不再下降时，电源控制器12在适当时间停止电源40的输出电压的减小(图2的(f))。
此后，当晶体管20返回至其正常操作状态并且保护命令信号的水平变低时，短路控制器16与栅极短路14移除晶体管20的栅极端子的短路(图2的(d))，并且驱动控制器18移除选择电路34的开关元件34L的短路。结果，晶体管20返回至其上文所提及的正常操作状态。
根据上文所描述的本实施例的晶体管保护电路10，在接收到保护命令信号之后立即通过电源控制器12逐渐降低电源40的高电位侧电压，该电压是要施加至晶体管20的栅极端子的电压。因此，可适当地执行用于在短于驱动电路30的操作延迟时间段的延迟时间段内逐渐关断晶体管20的软中断，而不依赖于驱动电路30的操作延迟时间段。因此，甚至当切换电路是高时，也可适当地保护晶体管20而不依赖于切换频率。
另外，根据本实施例的晶体管保护电路10，因为短路控制器16与栅极短路部14在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之后在晶体管的栅极端子中引起短路，因此可在逝去该预定延迟时间段之后停止借助于电源控制器12降低电源的高电位侧电压。例如，此电源电压有时用于电力电子电路中的另一电路中。在此情形中，可防止电源电压超乎所需地下降，并且可避免上述电路的操作的中止。
根据本实施例的晶体管保护电路10，短路控制器16在晶体管20的栅极电压下降至阈值电压或更低之后在晶体管20的栅极端子中引起短路，从而防止在短路期间发生过量浪涌电压。
根据本实施例的晶体管保护电路10，驱动控制器18关断选择电路34的开关元件34H并且在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之后停止将电源40的高电位侧电压施加至晶体管20的栅极端子。因此，可在预定延迟时间段逝去之后停止借助于电源控制器12降低电源的高电位侧电压。结果，当例如此电源电压用于电力电子电路中的另一电路中时，可防止电源电压超乎所需地下降，并且可避免上述电路的操作的中止。此外，防止当由栅极短路部14引起短路时过量水平的电流流动。
此外，根据本实施例的晶体管保护电路10，在自接收到该保护命令信号起逝去预定延迟时间段之后借助于驱动控制器18接通选择电路34的开关元件34L可帮助在晶体管20的栅极端子中引起短路。
根据本实施例的晶体管保护电路10，在自接收到保护命令信号起逝去预定延迟时间段之前，驱动控制器18继续将电源40的高电位侧电压施加至晶体管20的栅极端子，同时使选择电路34的开关元件34H保持接通。因此，在预定延迟时间段逝去之前，电源控制器12可适当地执行晶体管20的软中断。
本发明并不限于上文所描述的本实施例并且可以各种形式进行修改。例如，本发明实施例图示晶体管保护电路10，晶体管保护电路10具有所有的电源控制器12、短路控制器16(和栅极短路部14)和驱动控制器18，但该晶体管保护电路可仅具有电源控制器12和短路控制器16(和栅极短路部14)，或可仅具有电源控制器12和驱动控制器18。而且，该晶体管保护电路可仅具有电源控制器12。
此外，在本实施例中，驱动控制器18中的预定延迟时间段与短路控制器16中的预定延迟时间段相同。然而，驱动控制器18中的预定延迟时间段可短于短路控制器16中的预定延迟时间段。换言之，当至少短路控制器16在晶体管20的栅极端子中引起短路时，驱动控制器18可关断驱动电路30的选择电路34的开关元件34H。
工业实用性
本发明适用于甚至当切换频率是高时也适当地保护晶体管的用途。
附图标记列表
10  晶体管保护电路
12  电源控制器
14  栅极短路部
16  短路控制器
18  驱动控制器
20  晶体管
30  驱动电路
32  驱动控制电路
34  选择电路
34H 开关元件
34L 开关元件
40  电源

Claims (6)

1.一种用于保护电压驱动晶体管的晶体管保护电路，通过由驱动电路将电源的高电位侧电压或低电位侧电压施加至所述晶体管的栅极端子，来开关控制所述电压驱动晶体管，所述晶体管保护电路包括：
电源控制器，所述电源控制器一旦接收到用于执行所述晶体管保护的保护命令，就逐渐降低所述电源的所述高电位侧电压。
2.根据权利要求1所述的晶体管保护电路，进一步包括：
栅极短路部，所述栅极短路部用于在所述晶体管的所述栅极端子以及源极或发射极端子中引起短路；以及
短路控制器，所述短路控制器用于控制所述栅极短路部，使得响应于所述保护命令而在所述晶体管的所述栅极端子以及所述源极或发射极端子中引起短路，
其中所述短路控制器控制所述栅极短路部，使得在自接收到所述保护命令起逝去预定延迟时间段之后，在所述晶体管的所述栅极端子以及所述源极或发射极端子中引起短路。
3.根据权利要求2所述的晶体管保护电路，其中所述预定延迟时间段等于或长于使施加至所述晶体管的所述栅极端子的电压下降至所述晶体管的阈值电压所需的时间段。
4.根据权利要求1所述的晶体管保护电路，进一步包括：
驱动控制器，所述驱动控制器控制所述驱动电路，使得响应于所述保护命令而停止将所述电源的所述高电位侧电压施加至所述晶体管的所述栅极端子，
其中所述驱动控制器控制所述驱动电路，使得在自接收到所述保护命令起逝去预定延迟时间段之后，停止将所述电源的所述高电位侧电压施加至所述晶体管的所述栅极端子。
5.根据权利要求2或3所述的晶体管保护电路，进一步包括：
驱动控制器，所述驱动控制器控制所述驱动电路，使得响应于所述保护命令而停止将所述电源的所述高电位侧电压施加至所述晶体管的所述栅极端子，
其中所述驱动控制器控制所述驱动电路，使得在自接收到所述保护命令起逝去所述预定延迟时间段之后，停止将所述电源的所述高电位侧电压施加至所述晶体管的所述栅极端子。
6.根据权利要求4或5所述的晶体管保护电路，其中所述驱动控制器控制所述驱动电路，使得在自接收到所述保护命令起逝去所述预定延迟时间段之前，继续将所述电源的所述高电位侧电压施加至所述晶体管的所述栅极端子。
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