CN108718193A - 一种功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法，功率半导体元件的驱动保护电路包括驱动单元和启停单元，所述驱动单元与所述启停单元均连接在功率半导体元件的门极与阴极之间；其中，所述启停单元包括启停模块，所述启停模块连接在功率半导体元件的门极与阴极之间，并且在功率半导体元件驱动保护电路上电和/或下电的过程，启停模块能够维持闭合以保护功率半导体元件。该驱动保护电路复杂度低，控制方法简单易实现，保证了在功率半导体元件型器件驱动电路上电或下电过程中，功率半导体元件型器件门阴极间不会因功率半导体元件型器件阳阴极间耐受电压过高及电压变化率过大而导致器件损坏。

Description

一种功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种功率半导体元件的驱动保护电路，还涉及一种功率半导体元件驱动保护电路的控制方法。

背景技术

现有应用于晶闸管型器件(如晶闸管、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管ETO等)的门极驱动保护电路，关断状态下，对器件门阴极提供一定的反向偏置电压，如若门阴极间电压不满足一定的反向偏置条件，则晶闸管型器件的耐受电压及电压变化率将不能达到额定耐压值。

现有的门极驱动保护电路，上电启动过程需要将电容组充电至预设电压阈值，由于充电功率有限，上电启动过程一般需要3-5秒。在充电过程中应保证晶闸管型器件处于关断状态，且阳阴极间不能施加较高电压或电压变化率，否则可能导致晶闸管型器件过压击穿损坏。因此，在晶闸管型器件的应用中，需先完成晶闸管型器件门极驱动上电过程，再将阳阴极间施加高压电。类似的，应在阳阴极间电压下降至一定值后，才可以断开晶闸管型器件门极驱动电源。这也决定了晶闸管型器件的门极驱动不能从主电路直接取电，而是需要利用低电位的其他电源回路，对晶闸管型器件门极驱动单元进行高压隔离供电。但这种门极驱动保护电路严重限制了晶闸管型器件的应用，尤其限制晶闸管型器件在高压领域的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种功率半导体元件的驱动保护电路，应用该驱动保护电路，可有效地避免功率半导体元件型器件在上电和/或下电过程中，阳阴极间耐受电压过高及电压变化率过大而导致器件损坏。

本发明还提供了一种功率半导体元件的驱动保护电路的控制方法。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率半导体元件的驱动保护电路，采用以下技术方案：一种功率半导体元件的驱动保护电路，包括驱动单元和启停单元，所述驱动单元与所述启停单元均连接在功率半导体元件的门极与阴极之间；其中，

所述启停单元包括启停模块，所述启停模块连接在功率半导体元件的门极与阴极之间，并且在功率半导体元件驱动保护电路上电和/或下电的过程，启停模块能够维持闭合以保护功率半导体元件。

进一步，所述启停模块包括第一开关元件，或者，

所述启停模块还连接功率半导体的阳极，并且所述启停模块包括第一开关元件与第一电容，所述第一开关元件与第一电容相串联连接，所述第一电容能够通过功率半导体元件的阳极电压进行预充电。

进一步，所述驱动单元包括用于导通功率半导体元件的开通模块与用于关断功率半导体元件的第一关断模块，其中，

开通模块与第一关断模块并联连接在功率半导体元件的门极与阴极之间。

进一步，所述第一关断模块包括第二开关元件与第二电容，所述第二开关元件与所述第二电容相串联连接；或者，

所述第一关断模块包括第二开关元件。

进一步，还包括第二关断模块，所述驱动单元与启停单元的第一端均与功率半导体元件的门极连接，所述驱动单元与启停单元的第二端与第二关断模块的第一端连接，所述第二关断模块的第二端与功率半导体元件的阴极连接；其中，

所述第二关断模块包括第三开关元件。

进一步，还包括充电模块与控制单元；

所述充电模块一端连接电源，另一端分别连接开通模块与第一关断模块，用于向开通模块与第一关断模块提供电压；

所述控制单元分别与开通模块、第一关断模块以及启停模块连接，控制单元能够根据开通模块与第一关断模块的充电电压，向开通模块、第一关断模块以及启停模块发送触发信号，控制开通模块、第一关断模块以及启停模块的关断或导通；或者，

所述控制单元分别与开通模块、第一关断模块、第二关断模块以及启停模块连接，控制单元能够根据开通模块与第一关断模块的充电电压，向开通模块、第一关断模块以及启停模块发送触发信号，控制开通模块、第一关断模块、第二关断模块以及启停模块的关断或导通。

进一步，所述功率半导体元件包括集成门极换流晶闸管(IGCT)、发射极关断晶闸管(ETO)、门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)中的一个或多个。

本发明另一目的在于提供一种基于上述所述的功率半导体元件驱动保护电路的控制方法，包括上电过程和/或下电过程，所述上电过程和下电过程中，开通模块和第一关断模块的充电电压未达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元向启停模块与第一关断模块发出低压触发信号，使启停模块导通或维持导通状态，第一关断模块关断或维持关断状态，或者，

所述控制单元向启停模块、第一关断模块以及第二关断模块发出低压触发信号，启停模块导通或维持导通状态，第一关断模块和第二关断模块关断或维持关断状态。

本发明另一目的还在于提供一种基于上述所述的功率半导体元件驱动保护电路的控制方法，包括上电完成，所述功率半导体元件的驱动保护电路上电完成之后，开通模块和第一关断模块的充电电压达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元向第一关断模块与启停模块发出高压触发信号，使启停模块关断，第一关断模块导通；或者，

控制单元向启停模块、第一关断模块发出高压触发信号，并向第二关断模块发出低压触发信号，使启停模块、第二关断模块关断，第一关断模块导通。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、启停模块组成元件简洁，可靠，不仅降低了驱动电路的复杂程度，还节约成本，可广泛应用于功率半导体型器件的驱动电路中。

2、在功率半导体元件型器件驱动电路上电或下电过程中，启停模块保证功率半导体元件型器件门阴极间可靠的反向偏置或短路，不会因功率半导体元件型器件阳阴极间耐受电压过高及电压变化率过大而导致器件损坏。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是根据本发明实施例一的功率半导体元件的驱动保护电路示意图；

图2是根据本发明实施例二的功率半导体元件的驱动保护电路示意图；

图3是根据本发明实施例三的功率半导体元件的驱动保护电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例中以集成门极换流晶闸管IGCT为例进行示例性说明，但并不限于集成门极换流晶闸管IGCT，晶闸管、发射极关断晶闸管ETO等晶闸管类型的开关器件均可适用于本发明。

本实施例中，功率半导体元件可以具有控制端子(门极G)以及电流端子(阳极A和阴极K)。

如图1所示，本实施例中提供了一种功率半导体元件的驱动保护电路，包括：用于保护功率半导体元件的启停模块；用于关断功率半导体元件的关断模块1；以及用于导通功率半导体元件的开通模块；所述启停模块、关断模块1、开通模块相并联，并且启停模块、关断模块1、开通模块均并联在功率半导体元件的门极与阴极之间。

本实施例中，所述驱动保护电路还包括充电模块和控制单元；所述充电模块一端连接电源，另一端分别连接开通模块与关断模块1，以给开通模块和关断模块1提供电压；

所述控制单元分别与开通模块、关断模块1以及启停模块相连接，控制单元能够依据开通模块与关断模块1的充电电压，向开通模块、关断模块1以及启停模块发送触发信号，控制开通模块、关断模块1以及启停模块进行工作。

本实施例中，所述启停模块包括第一开关元件，所述第一开关元件连接在功率半导体元件的门极与阴极之间。优选的，所述第一开关元件可以包括(但不限于)可控开关，例如常闭型继电器、JFET、MOSFET等。

本实施例中，所述关断模块1包括第二开关元件与第二电容，所述第二开关元件与所述第二电容串联后与功率半导体元件的门极与阴极之间连接。优选的，第二开关元件可以包括(但不限于)可控开关，例如MOSFET。

本实施例中，以第一开关元件与第二开关元件均为MOSFET为例，则第一开关元件与第二开关元件均包括作为电流端子的漏极端子、源极端子和作为控制端子的栅极端子；其中，第一开关元件的漏极与功率半导体元件的门极连接、源极与功率半导体元件的阴极连接以及栅极与控制单元连接；

第二开关元件的漏极与功率半导体元件的门极连接、源极连接第二电容后与功率半导体元件的阴极连接、以及栅极与控制单元连接。

本实施例中，驱动保护电路在上电的过程中，电源通过充电模块对开通模块与关断模块1中的第二电容进行充电，开通模块与关断模块1的充电电压未达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元对启停模块与关断模块1发出低压触发信号，使启停模块的第一开关元件闭合或维持闭合状态，关断模块1的第二开关元件关断或维持关断状态，则启停模块导通、关断模块1保持关断，则功率半导体元件的门极与阴极之间短路。启停模块导通使得功率半导体元件的门极与阴极之间短路，从而保证晶闸管型器件不会因阳阴极间耐受电压过高及电压变化率过大而损坏。

本实施例中，驱动保护电路上电完成后，开通模块与关断模块1的充电电压达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元向启停模块与关断模块1发送高压触发信号，使启停模块的第一开关元件关断，以及关断模块1中的第二开关元件闭合，则启停模块关断、关断模块1导通，从而关断模块1中预充电的第二电容在功率半导体元件的门极与阴极之间施加反向偏置电压。

本实施例中，驱动保护电路在下电的过程中，所述关断模块1中的第二电容的电压处于预设阈值以下，则控制单元向启停模块与关断模块1发送低压触发信号，启停模块与关断模块1的动作结果与驱动保护电路在上电过程中相同，使启停模块导通、关断模块1关断，从而使功率半导体元件的门极与阴极之间短路。

本实施例中，驱动保护电路上电、上电完成以及下电过程中，所述开通模块不进行工作；或者，控制单元对开通模块不发送触发信号或发送低压触发信号，开通模块不被触发。

本实施例中，所述低压触发信号可以是0电压触发信号或较低电压触发信号。

本实施例中，驱动保护电路在未上电时，驱动保护电路中无触发信号，开通模块、关断模块1、启停模块均不被触发；优选的，第一开关元件可以保持闭合状态，第二开关元件可以保持关断状态。

本实施例中，驱动保护电路上电完成后，在要导通功率半导体元件时，关断模块1与启停模块关断，开通模块向功率半导体元件的门极注入电流，以使功率半导体元件导通。

在要关断功率半导体元件时，开通模块与启停模块不工作，第二开关元件闭合，使关断模块1导通，从而通过预充电的第二电容将电流从阴极换流到门极，使得功率半导体元件关断。

本实施例中，所述功率半导体元件为晶闸管型器件，其可以包括(但不限于)晶闸管、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管(ETO)门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)等。

实施例二

本发明实施例中以发射极关断晶闸管ETO为例进行示例性说明，但并不限于发射极关断晶闸管ETO，晶闸管、门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)等晶闸管类型的开关器件均可适用于本发明。

本实施例中，功率半导体元件可以具有控制端子(门极G)以及电流端子(阳极A和阴极K)。

如图2所示，本实施例中提供了一种功率半导体元件的驱动保护电路，包括：用于导通功率半导体元件的开通模块；用于关断功率半导体元件的关断模块1与关断模块2；用于保护功率半导体元件的启停模块；开通模块、关断模块1与启停模块相互并联，关断模块2第一端与功率半导体元件的阴极连接，从而开通模块、关断模块1与启停模块的第一端均与功率半导体元件的门极连接，开通模块、关断模块1与启停模块的第二端与关断模块2的第一端连接。

本实施例中，所述启停模块包括第一开关元件，所述第一开关元件可以包括(但不限于)可控开关，例如常闭型继电器、JFET、MOSFET等。

本实施例中，所述关断模块1包括第一开关元件，关断模块2包括第二开关元件；第一开关元件与第二开关元件均可以包括(但不限于)可控开关，例如MOSFET。

本实施例中，以第一开关元件、第二开关元件以及第三开关元件均为MOSFET为例，则第一开关元件、第二开关元件以及第三开关元件均包括作为电流端子的漏极端子、源极端子和作为控制端子的栅极端子；其中，第一开关元件的漏极与功率半导体元件的门极连接、源极与第三开关的源极连接、以及栅极与控制单元连接；

第二开关元件的漏极与功率半导体元件的门极连接、源极与第三开关元件的源极连接、以及栅极与控制单元连接；

第三开关元件的漏极与功率半导体元件的阴极连接、栅极与控制单元连接。

本实施例中，还包括充电模块与控制单元，充电模块一端连接电源，另一端分别连接开通模块与关断模块1，以给开通模块和关断模块1提供电压；

控制单元分别与开通模块、关断模块1、启停模块以及关断模块2相连接，控制单元能够依据开通模块与关断模块1的充电电压，控制开通模块、关断模块1、启停模块以及关断模块2的关断或导通。

本实施例中，驱动保护电路在上电的过程中，电源通过充电模块对开通模块进行充电，开通模块的充电电压未达到预设阈值时，具体包括以下步骤：控制单元对启停模块、关断模块1、关断模块2发出低压触发信号，使启停模块的第一开关元件闭合或维持闭合状态，关断模块1的第二开关元件、关断模块2的第三开关元件关断或维持关断状态，则启停模块导通、关断模块1与关断模块2关断，使功率半导体元件的门极与阴极之间短路。

本实施例中，在驱动保护电路上电完成后，开通模块与关断模块的充电电压达到预设阈值时，具体包括以下步骤：控制单元向启停模块、关断模块1发送高压触发信号，向关断模块2发送低压触发信号，使启停模块的第一开关元件关断，关断模块1的第二开关元件闭合，关断模块2的第三开关元件维持关断状态，则启停模块关断、关断模块1导通，关断模块2关断，使功率半导体元件的门极与阴极之间短路。

本实施例中，驱动保护电路在下电的过程中，所述关断模块中的充电电压处于预设阈值以下时，则控制单元向启停模块与关断模块1以及关断模块2发送低压触发信号，启停模块、关断模块1以及关断模块2的动作结果与驱动保护电路上电过程中相同，使启停模块导通、关断模块1与关断模块2关断，从而使功率半导体元件的门极与阴极之间短路。

本实施例中，驱动保护电路上电、上电完成以及下电过程中，所述开通模块不进行工作；或者，控制单元对开通模块不发送触发信号或发送低压触发信号，开通模块不被触发。

本实施例中，所述低压触发信号可以是0电压触发信号或较低电压触发信号。

本实施例中，驱动保护电路在未上电时，驱动保护电路中无触发信号，开通模块、关断模块1、关断模块2以及启停模块均不被触发；优选的，第一开关元件可以保持闭合状态，第二开关元件与第三开关元件可以保持关断状态。

本实施例中，驱动保护电路上电完成后，在要导通功率半导体元件时，关断模块1与启停模块不工作，开通模块与关断模块2导通，开通模块向功率半导体元件的门极注入电流，以使功率半导体元件导通；

在要关断功率半导体元件时，开通模块与启停模块不工作，关断模块1的第二开关元件闭合，关断模块2的第三开关元件关断，使关断模块1导通，关断模块2关断，从而电流从功率半导体元件的阴极换流到门极，从而使得功率半导体元件关断。

本实施例中，导通功率半导体元件时，控制单元向关断模块2发送高压触发信号，使关断模块2导通。

本实施例中，所述功率半导体元件为晶闸管型器件，其可以包括(但不限于)晶闸管、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管(ETO)门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)等。

实施例三

本发明实施例中以集成门极换流晶闸管IGCT为例进行示例性说明，但并不限于集成门极换流晶闸管IGCT，晶闸管、发射极关断晶闸管ETO等晶闸管类型的开关器件均可适用于本发明。

如图3所示，本实施例中提供了一种功率半导体元件的驱动保护电路与实施例一中图1所示的电路结构基本相同，不同之处在于启停模块，图3中启停模块还与功率半导体元件的阳极连接，并且启停模块包括第一开关元件与第一电容，第一开关元件与第一电容串联，功率半导体元件的阳极电压能够向第一电容预充电。

本实施例中，驱动保护电路在上电的过程中，电源通过充电模块对开通模块与关断模块1进行充电，开通模块与关断模块1的充电电压未达到预设阈值时，具体包括以下步骤：控制单元对启停模块发出低压触发信号，使启停模块的第一开关元件维持闭合状态，启停模块导通，功率半导体元件的阳极电压对第一电容进行预充电，从而预充电的第一电容在功率半导体元件的门极与阴极之间施加反向偏置电压。

本实施例中，在驱动保护电路上电完成后，开通模块与关断模块1的充电电压达到阈值时，则驱动保护电路的控制步骤与实施例一相同，启停模块关断，关断模块1导通，则关断模块1中预充电的第二电容在功率半导体元件的门极与阴极之间施加反向偏置电压。

本实施例中，驱动保护电路在下电的过程中，所述关断模块1中的第二电容的电压处于预设阈值以下时，具体包括以下步骤：控制单元向启停模块与关断模块1发送低电压触发信号，启停模块与关断模块1的动作结果与驱动保护电路上电过程中相同，使启停模块导通，关断模块1关断，从而使启停模块中预充电的第一电容在功率半导体元件的门极与阴极之间施加反向偏置电压。

本实施例中，在要导通功率半导体元件和/或关断功率半导体元件时，驱动保护电路的控制步骤与实施例一相同。

本实施例中，所述功率半导体元件为晶闸管型器件，其可以包括(但不限于)晶闸管、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管(ETO)门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)等。

功率半导体元件型器件驱动电路在执行上电或下电过程中，启停模块保证功率半导体元件型器件门阴极间可靠的反向偏置或短路，不会因功率半导体元件型器件阳阴极间耐受电压过高及电压变化率过大而导致器件损坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：包括驱动单元和启停单元，所述驱动单元与所述启停单元均连接在功率半导体元件的门极与阴极之间；其中，

所述启停单元包括启停模块，所述启停模块连接在功率半导体元件的门极与阴极之间，并且在功率半导体元件驱动保护电路上电和/或下电的过程，启停模块能够维持闭合以保护功率半导体元件。

2.根据权利要求1所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：所述启停模块包括第一开关元件，或者，

所述启停模块还连接功率半导体的阳极，并且所述启停模块包括第一开关元件与第一电容，所述第一开关元件与第一电容相串联连接，所述第一电容能够通过功率半导体元件的阳极电压进行预充电。

3.根据权利要求1所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：所述驱动单元包括用于导通功率半导体元件的开通模块与用于关断功率半导体元件的第一关断模块，其中，

开通模块与第一关断模块并联连接在功率半导体元件的门极与阴极之间。

4.根据权利要求3所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：所述第一关断模块包括第二开关元件与第二电容，所述第二开关元件与所述第二电容相串联连接；或者，

所述第一关断模块包括第二开关元件。

5.根据权利要求1所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：还包括第二关断模块，所述驱动单元与启停单元的第一端均与功率半导体元件的门极连接，所述驱动单元与启停单元的第二端与第二关断模块的第一端连接，所述第二关断模块的第二端与功率半导体元件的阴极连接；其中，

所述第二关断模块包括第三开关元件。

6.根据权利要求1-5任一所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：还包括充电模块与控制单元；

所述充电模块一端连接电源，另一端分别连接开通模块与第一关断模块，用于向开通模块与第一关断模块提供电压；

所述控制单元分别与开通模块、第一关断模块以及启停模块连接，控制单元能够根据开通模块与第一关断模块的充电电压，向开通模块、第一关断模块以及启停模块发送触发信号，控制开通模块、第一关断模块以及启停模块的关断或导通；或者，

所述控制单元分别与开通模块、第一关断模块、第二关断模块以及启停模块连接，控制单元能够根据开通模块与第一关断模块的充电电压，向开通模块、第一关断模块以及启停模块发送触发信号，控制开通模块、第一关断模块、第二关断模块以及启停模块的关断或导通。

7.根据权利要求1所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于：所述功率半导体元件包括集成门极换流晶闸管(IGCT)、发射极关断晶闸管(ETO)、门极换流晶闸管(GCT)、门极可关断晶闸管(GTO)中的一个或多个。

8.一种基于权利要求1-7任一所述的功率半导体元件驱动保护电路的控制方法，其特征在于：包括上电过程和/或下电过程，所述上电过程和下电过程中，开通模块和第一关断模块的充电电压未达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元向启停模块与第一关断模块发出低压触发信号，使启停模块导通或维持导通状态，第一关断模块关断或维持关断状态，或者，

所述控制单元向启停模块、第一关断模块以及第二关断模块发出低压触发信号，启停模块导通或维持导通状态，第一关断模块和第二关断模块关断或维持关断状态。

9.一种基于权利要求1-7任一所述的功率半导体元件驱动保护电路的控制方法，其特征在于：包括上电完成，所述功率半导体元件的驱动保护电路上电完成之后，开通模块和第一关断模块的充电电压达到预设阈值时，具体包括以下步骤：

控制单元向第一关断模块与启停模块发出高压触发信号，使启停模块关断，第一关断模块导通；或者，

控制单元向启停模块、第一关断模块发出高压触发信号，并向第二关断模块发出低压触发信号，使启停模块、第二关断模块关断，第一关断模块导通。