CN111007375B - 一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路及其控制方法，所述测试电路中，直流电源负极接地，正极与第一开关的一端连接；第一开关的另一端连接第一电阻的一端和第二开关的一端；第一电阻的另一端连接第三开关的一端和第一极性电容的正极；第三开关的另一端通过电感与第二电阻的一端连接；第二电阻的另一端连接第一二极管的阳极；第一二极管与功率半导体元件的驱动电路并联；第一二极管的阴极连接第二二极管的阳极；直流电源的负极连接第二开关的另一端、第一极性电容的负极和第二二极管的阴极。本发明的关断功能测试电路可直接地测试驱动最大关断能力，原理简单且容易实现，实验平台成本低，操作安全，结构需求简单，体积小，成本低。
Description
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驱动关断功能测试电路及其控制方法。
背景技术
可关断晶闸管型元件，如IGCT、ETO等，是基于门极可关断晶闸管 (GTO)芯片或门极换流晶闸管(GCT)芯片的电流型元件。以IGCT为例，当IGCT开通时，其门极驱动向GCT芯片注入门极电流，从而控制元件开通。 GCT的关断过程应满足“硬关断”条件，即阳极电压建立之前，GCT的驱动应将其阴极电流全部快速换流至门极，通常这个换流时间应小于1us。
按照关断驱动原理，可关断晶闸管型元件主要分为IGCT和ETO两种元件。IGCT的关断原理如图1所示，IGCT的门极驱动接收到关断命令后，驱动电路关断模块中的可控开关闭合，GCT芯片的阴极电流在关断模块电容负压的作用下向门极转移。ETO的关断原理如图2所示，ETO的门极驱动接收到关断命令后，驱动电路关断模块中门极串联的可控开关闭合，阴极串联的可控开关打开，从而使GCT芯片的阴极电流向门极转移。
根据“硬关断”条件，可关断晶闸管型元件的关断电流能力与驱动换流能力紧密相关，驱动需要具备1us内转移最大可关断电流的能力，通常为kA级。如现有技术中四寸元件的最大可关断电流达5kA以上，六寸元件的最大可关断电流达10kA以上。
为了测试驱动的换流能力，现有技术是将驱动与GCT芯片连接在一起，通过单脉冲或双脉冲进行开通关断实验，监测整体元件的关断过程，从而测试驱动的换流能力。由于可关断晶闸管元件与驱动需要紧密连接，连接结构安装复杂，且元件需要在压接数十kN机械应力的条件下才可以使用(四寸典型值为40kN，六寸典型值为100kN)，对压装组件要求高，这给驱动关断功能的测试带来了极大的不便。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路及其控制方法。
本发明提出的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路包括：直流电源、第一开关、第一电阻、第二开关、第一极性电容、第三开关、电感、第二电阻、第一二极管、第二二极管，
其中，
所述直流电源的负极接地，所述直流电源的正极与所述第一开关的一端连接；
所述第一开关的另一端连接所述第一电阻的一端和所述第二开关的一端；
所述第一电阻的另一端连接所述第三开关的一端和所述第一极性电容的正极；
所述第三开关的另一端通过所述电感与所述第二电阻的一端连接；
所述第二电阻的另一端连接所述第一二极管的阳极；
所述第一二极管与所述功率半导体元件的驱动电路并联；
所述第一二极管的阴极连接所述第二二极管的阳极；
所述直流电源的负极连接所述第二开关的另一端、所述第一极性电容的负极和所述第二二极管的阴极。
进一步，所述功率半导体元件为换流关断晶闸管。
进一步，所述功率半导体元件的驱动电路为IGCT的驱动电路；
所述IGCT的驱动电路中的关断模块包括串联的第四开关和第二极性电容，
其中，
所述第四开关的一端连接所述第一二极管的阳极；
所述第四开关的另一端连接所述第二极性电容的负极；
所述第二极性电容的正极连接所述第一二极管的阴极。
进一步，所述功率半导体元件的驱动电路为ETO的驱动电路；
所述ETO的驱动电路中的关断模块包括第五开关和第六开关，
其中，
所述第五开关的一端连接所述ETO中的GCT的门极和所述第一二极管的阴极；
所述第五开关的另一端连接所述ETO阴极和所述第二二极管的阳极。
进一步，所述第一开关、第二开关或第三开关是机械触头式开关或电力电子开关。
进一步，所述电感和第二电阻分别是杂散电感和杂散电阻，或所述电感和第二电阻分别是用于限制测试时电流上升的速率和峰值的分立元件。
进一步，所述分立元件是非线路杂散电感或非线路杂散电阻。
本发明提出的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，包括：
步骤1、对所述第一极性电容充电；
步骤2、令所述第一极性电容放电，使得所述第一二极管电流上升，触发所述驱动关断功能测试电路，从而使所述电流从所述第一二极管转移至所述功率半导体元件的驱动电路；
步骤3、测量所述电流从所述第一二极管转移至所述功率半导体元件的驱动电路的时间。
进一步，所述步骤1包括：
1a、闭合所述第一开关；
2a、断开所述第三开关；
3a、断开所述第二开关；
4a、接通所述直流电源，对所述第一极性电容充电；
5a、当所述第一极性电容的充电电压达到设定的阈值后，断开所述第一开关。
进一步，所述步骤2包括：
闭合第三开关，使得所述第一极性电容通过所述第三开关、电感、第二电阻、第一二极管、第二二极管放电。
进一步，所述控制方法还包括：
测试结束后，断开所述第三开关，闭合所述第二开关，通过所述第一电阻释放所述第一极性电容上的残余电荷。
进一步，所述控制方法通过调整所述第一极性电容的电压、容量来控制所述电流波形。
本发明的功率半导体元件驱动关断功能测试电路只需连接功率半导体元件的驱动电路即可直接地测试所述驱动电路的最大关断能力，不需将所述驱动电路与功率半导体元件芯片连接在一起，并且还具有原理简单且容易实现，测试所需成本低，操作安全，结构需求简单，体积小，成本低等优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据现有技术的典型的IGCT驱动中关断模块拓扑结构；
图2示出了根据现有技术的典型的ETO驱动中关断模块拓扑结构；
图3示出了根据本发明实施例的换流关断晶闸管驱动关断功能的测试电路；
图4示出了根据本发明实施例的IGCT驱动关断功能的测试电路；
图5示出了根据本发明实施例的ETO驱动关断功能的测试电路；
图6示出了本发明实施例中测试关断功能的极性电容C的电压(图中标为电容电压)、二极管1的电流(图中标为二极管电流)和驱动门极电流的典型波形示意图。
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。
本发明提供了一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路。
图3所示为以换流关断晶闸管为例作为功率半导体元件的所述测试电路。由图3可知，换流关断晶闸管驱动关断功能测试电路包括：直流电源、开关1、电阻1、开关2、极性电容C、开关3、电感、电阻2、二极管1、二极管2。
所述直流电源的负极接地，正极与开关1的一端连接；开关1的另一端连接电阻1的一端；电阻1的另一端连接极性电容C的正极；直流电源的负极连接极性电容C的负极。直流电源通过闭合后的开关1(此时开关2 和开关3均断开)、电阻1可向极性电容C充电。
所述电阻1的另一端还顺次通过开关3、电感连接至电阻2的一端；电阻2的另一端连接二极管1的阳极；二极管1与功率半导体元件的驱动电路并联；二极管1的阴极所述二极管2的阳极；二极管2的阴极连接所述直流电源的负极，即连接极性电容C的负极。极性电容C可通过闭合的开关3(此时开关1和开关2均断开)、电感、电阻2、二极管1和二极管2 放电，二极管1电流上升，当电流上升一定时间后，触发功率半导体元件的驱动电路中的关断电路，从而使电流从二极管1转移至驱动电路。
所述开关1的另一端还连接开关2的一端，即所述开关2的一端连接至所述电阻的一端；所述直流电源的负极连接开关2的另一端，即极性电容C的负极连接至开关2的另一端。极性电容C可在闭合开关2(此时开关1和开关3均断开)后，通过电阻1放电。
其中，
所述开关1、开关2、开关3是机械触头式开关或电力电子开关；
所述二极管1用于等效关断型晶闸管器件的门阴极；
所述电感和电阻2是线路杂散电感和电阻，或是用于限制测试时电流上升的速率和峰值的分立元件，如区别于线路杂散参数的电感和电阻。
由图3可知，本发明的关断功能测试电路采用基本的器件如直流电源、开关、电阻、电感、二极管和极性电容等，构成结构简洁，容易实现。
图4给出了所述换流关断晶闸管为IGCT时，测试IGCT驱动关断功能的测试电路，其中，图4与图3的差别在于，IGCT的驱动电路中的关断模块包括串联的开关4和极性电容CC，且开关4的一端连接二极管1的阳极；开关4的另一端连接极性电容CC的负极；极性电容CC的正极连接二极管 1的阴极。
图5给出了所述换流关断晶闸管为ETO时，测试ETO驱动关断功能的测试电路，其中，图5与图3的差别在于，ETO的驱动电路中的关断模块包括开关5和开关6，且开关5的一端连接ETO中的GCT的门极和二极管 1的阴极；开关5的另一端连接ETO阴极和二极管2的阳极。
本发明还提供了一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，下面参考图3中的功率半导体元件的所述测试电路和图6进行说明，图6给出了测试关断功能的极性电容C的电压(图6中标为电容电压)、二极管1的电流(图6中标为二极管电流)和驱动门极电流的典型波形示意图。
所述控制方法包括步骤：
步骤一、在测试前，
令功率半导体元件的驱动电路的关断电路处于不工作状态，然后，闭合开关1，断开开关2和开关3，接通直流电源，对储能用的极性电容C充电，当极性电容C的充电电压达到设定的阈值后，断开开关1；
步骤二、测试时，
通过闭合开关3，使得极性电容C通过开关3、电感、电阻2、二极管 1、二极管2放电。如图6所示：
1、在t0时刻闭合开关3，此时极性电容C的电压开始下降，二极管1 的电流由0开始增加；
2、当二极管1的电流上升一定时间在t1时刻达到最大值，触发驱动电路的关断电路，从而使所述电流从二极管1转移至驱动电路，二极管1的电流由最大值开始减小，驱动门极电流由0开始增加；
3、在t2时刻，所述电流从二极管1转移至驱动电路的过程结束，二极管1的电流降为0，同时驱动门极电流增加至最大值；
4、随着极性电容C的电压的持续降低，驱动门极电流保持最大值至t3 时刻然后开始降低；
5、在t4时刻，随着极性电容C的电压降至最低(电容C可能由于电感续流作用而导致电压反向)，驱动门极电流降为0。
所述电流从二极管1转移至驱动电路的时间t2-t1应小于功率半导体元件最大换流时间，如在1-2μs以内。通过调整极性电容C的容值和初始充电电压、电感等参数，可以调整二极管1的电流和驱动门极电流的峰值，从而测试得到驱动电路在最大换流时间内的最大关断换流幅值，即驱动的最大关断换流能力。
步骤三、测试结束后，
断开开关3，闭合开关2，使得极性电容C上的残余电荷通过电阻1释放。
其中，
二极管1用于等效关断型晶闸管器件的门阴极；
二极管2用于防止电流反向流动；
电阻1既作为直流电源给极性电容C充电的充电限流电阻，也作为试验后极性电容C释放残余电荷的放电限流电阻；
测试中可以通过调整极性电容C的电压、容量来控制所述电流的波形。所述极性电容C的电压为几十到几百伏，各二极管和驱动门极电流的峰值均为几kA到几十kA。
本发明的控制方法原理简单且容易实现。
由上述的实施例可知，本发明使用等效二极管替代功率半导体元件如 GCT芯片的门阴极进行关断功能测试，且无需使用GCT芯片，无需使用千伏以上的高压直流电源及电容，实验平台成本低，操作安全；无需使用功率半导体元件如GCT的管壳及其配套的压装结构进行测试，结构需求简单，体积小，成本低；可直接测试驱动最大关断能力，不会受到GCT芯片最大关断能力的限制。
本发明的第一、第二、…只是用于区分不同器件，不是用于标记器件的连接顺序。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，包括：直流电源、第一开关、第一电阻、第二开关、第一极性电容、第三开关、电感、第二电阻、第一二极管、第二二极管，
其中，
所述直流电源的负极接地，所述直流电源的正极与所述第一开关的一端连接；
所述第一开关的另一端连接所述第一电阻的一端和所述第二开关的一端；
所述第一电阻的另一端连接所述第三开关的一端和所述第一极性电容的正极；
所述第三开关的另一端通过所述电感与所述第二电阻的一端连接；
所述第二电阻的另一端连接所述第一二极管的阳极；
所述第一二极管与所述功率半导体元件的驱动电路并联；
所述第一二极管的阴极连接所述第二二极管的阳极；
所述直流电源的负极连接所述第二开关的另一端、所述第一极性电容的负极和所述第二二极管的阴极。
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述功率半导体元件为换流关断晶闸管。
3.根据权利要求2所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述功率半导体元件的驱动电路为IGCT的驱动电路；
所述IGCT的驱动电路中的关断模块包括串联的第四开关和第二极性电容，
其中，
所述第四开关的一端连接所述第一二极管的阳极；
所述第四开关的另一端连接所述第二极性电容的负极；
所述第二极性电容的正极连接所述第一二极管的阴极。
4.根据权利要求2所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述功率半导体元件的驱动电路为ETO的驱动电路；
所述ETO的驱动电路中的关断模块包括第五开关和第六开关，
其中，
所述第五开关的一端连接所述ETO中的GCT的门极和所述第一二极管的阴极；
所述第五开关的另一端连接所述ETO阴极和所述第二二极管的阳极。
5.根据权利要求1或2所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述第一开关、第二开关或第三开关是机械触头式开关或电力电子开关。
6.根据权利要求1或2所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述电感和第二电阻分别是杂散电感和杂散电阻，或所述电感和第二电阻分别是用于限制测试时电流上升的速率和峰值的分立元件。
7.根据权利要求6所述的一种功率半导体元件驱动关断功能测试电路，其特征在于，
所述分立元件是非线路杂散电感或非线路杂散电阻。
8.权利要求1至7任一所述的功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、对所述第一极性电容充电；
步骤2、令所述第一极性电容放电，使得所述第一二极管电流上升，触发所述驱动关断功能测试电路，从而使所述电流从所述第一二极管转移至所述功率半导体元件的驱动电路；
步骤3、测量所述电流从所述第一二极管转移至所述功率半导体元件的驱动电路的时间。
9.根据权利要求8所述的功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，其特征在于，
所述步骤1包括：
1a、闭合所述第一开关；
2a、断开所述第三开关；
3a、断开所述第二开关；
4a、接通所述直流电源，对所述第一极性电容充电；
5a、当所述第一极性电容的充电电压达到设定的阈值后，断开所述第一开关。
10.根据权利要求8所述的功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，其特征在于，
所述步骤2包括：
闭合第三开关，使得所述第一极性电容通过所述第三开关、电感、第二电阻、第一二极管、第二二极管放电。
11.根据权利要求8所述的功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，其特征在于，还包括：
测试结束后，断开所述第三开关，闭合所述第二开关，通过所述第一电阻释放所述第一极性电容上的残余电荷。
12.根据权利要求8至10任一所述的功率半导体元件驱动关断功能测试电路的控制方法，其特征在于，
通过调整所述第一极性电容的电压、容量来控制所述电流波形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |