CN111030070A - 一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率半导体器件开关过压保护领域，具体是一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路。本发明的目的是提供一种动态抑制功率半导体器件关断过压的方法，从而保护功率半导体器件，保障开关电路正常工作。该方法以电容、电阻、二极管、晶体管组成的过电压保护电路，利用IGBT关断时两端产生的过电压对电容进行充电，并且为晶体管的导通提供一个脉冲使得晶体管Q导通。晶体管Q导通后泄放感生电流。此电路反映速度快，电路设计简单，成本低，能够克服无源电路抑制过电压精度不高的问题，电路工作速度快，抑制效果好。动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路采用低成本的器件达到更好的抑制效果，其社会效益与经济效益大大提高。

Description

一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路

技术领域

本发明涉及功率半导体器件开关过压保护领域，具体是一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路。

背景技术

随着国家越来越重视绿色能源政策的推广，利用清洁能源、提高利用效率成为半导体产业的指向标。尤其是广泛应用在风力、水电、电动汽车、家电的功率半导体器件成为了研究的热点。功率半导体器件连接了强电与弱电的联系，对于电力电子器件、集成电路的发展起着至关重要的作用。但是如绝缘栅双极型晶体管IGBT、金属氧化物场效应管MOSFET在关断时会产生过电压的情况，电压过大极容易导致开关管损坏的现象，从而会影响电路的稳定情况，为了确保其稳定运行，必须配置一定的保护电路来抑制或减小过电压的大小。传统的抑制功率半导体器件关断尖峰电压的方法可分为外加无源电路和有源电路两种，其中有源电路又分为有源钳位和动态电压上升控制两种方法。外加无源缓冲电路优点是电路结构设计简单仅由电容C构成的电路；电阻R与电容C构成的电路；电阻R、电容C、二极管D构成的电路，但是其损耗高，反映速度慢。栅极有源钳位电路和动态电压上升控制电路都是利用反馈原理，将IGBT的集电极或发射极的电压或电流反馈到控制门极，对IGBT关断过程进行控制，从而实现IGBT器件关断过电压抑制。其优点是反映速度快，并且调整范围宽，但是电路结构设计较复杂。本发明利用了新型冲击电压抑制电路实现对功率半导体器件关断过程中的过电压进行抑制，达到保护功率器件的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态抑制功率半导体器件关断过压的方法，实现对功率半导体器件关断过程中的过电压进行抑制，达到保护功率器件的目的。本方法，用成本较低、技术成熟的器件组成对电路除抑制关断过电压外无其他干扰的电路，以电容、电阻、二极管、晶体管组成的过电压保护电路。利用IGBT、MOSFET等功率器件关断时，感生电动势产生的冲击电压对电容进行充电，并且为晶体管的导通提供一个脉冲，使得晶体管导通。晶体管导通后泄放大电流，从而降低功率器件的端电压，保护功率器件不受损坏。

此电路对过电压冲击的响应速度快，电路实现成本低，优于采用无源电路进行过电压抑制的方法，可靠性高，抑制过电压效果好，具有较好的社会会效益与经济效益。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种抑制功率半导体关断过电压的电路，由电容、电阻、二极管、双极型晶体管组合而成，主要应用于IGBT功率半导体器件保护。所述的电容接在功率半导体器件IGBT的集电极与晶体管的集电极之间，当功率器件关闭时，如电机这种感性负载会产生较大的感生电动势，造成IGBT集电极电压的升高。此时，本发明的电路会进入开启状态，泄放感性负载感生电动势形成的冲击电压，动态吸收功率半导体器件两端的电荷。其串联的电阻来控制电容放电的速度避免电容充放电速度过快将功率半导体器件的两端电压在未过压时拉的过低。

所述的电阻包括电容的串联电阻与两个吸收电阻。串联电阻与电容串联接在功率半导体器件如IGBT的集电极与晶体管的集电极之间，是用于控制电容的充放电速度；两个吸收电阻，一个并联于电容串联电阻支路，一个并联于反向钳位二极管两端，二者是用于吸收晶体管导通后释放的大电流与功率半导体器件关断后电容上储存的能量。

所述的二极管包括正向钳位二极管与反向钳位二极管。正向钳位二极管并联在晶体管基极与发射级两端由十个二极管串联而成，其钳位晶体管的基极正向保护晶体管；反向钳位二极管并联在晶体管基极与发射级两端，用于电容放电时反向保护晶体管。

所述的晶体管由功率半导体器件两端的过电压提供导通脉冲，导通后释放大电流由集电极电阻与发射级电阻进行吸收缓冲。并且其导通脉冲只在产生过压后产生。

进一步的，所述的电容与吸收电阻的大小决定晶体管的导通与关断时间，通过合理的设置其时间常数数值可以很好的抑制功率半导体器件两端的过电压。

本发明的有益效果：

1、本发明采用的电路接在功率半导体器件的两端，对于功率半导体器件的前级驱动电路无干扰，不影响功率半导体的正常工作状态。

2、本发明采用的电容是陶瓷多层片式电容器，其作为抑制电路吸收电容具有良好的温度稳定性、耐压性并且也要有良好的频率效应，根据具体电路可选择适宜的频率，从而选择具有良好性能的电容器。

附图说明

图1是一种抑制功率半导体关断过电压的电路示意图

具体实施方式：

以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明：

此电路由电容、电阻、二极管、晶体管组成，由电阻R1、R2、R3为晶体管Q提供静态工作点。电路处于稳定状态时，晶体管Q的基极电压为0V，晶体管Q处于关闭状态，没有功率消耗。当功率半导体IGBT关闭时，感性负载在功率半导体IGBT的集电极产生过电压。此过电压通过电容C1抬升晶体管Q的基极电压，让晶体管Q进入导通状态，泄放感性负载的感生电动势形成的感生电流。

晶体管Q的导通时间由电容C1与吸收电阻R2、R3的大小决定，因而可以对晶体管Q的导通与关断时间进行合理设定，达到抑制功率半导体器件端电压过冲的问题。晶体管Q导通后释放感生电流，电阻R1可以用来限定泄放电流的大小，电阻R2可以用于设定过冲电压多少时，晶体管进入导通状态。

电容C1接在功率半导体器件IGBT的集电极与晶体管的集电极之间，其串联的电阻R2来控制电容放电的速度，避免电容充放电速度过快将功率半导体器件的两端电压在未过压时拉的过低。电阻R1并联于电容C1、串联电阻R2支路，R3并联于反向钳位二极管D2两端，二者是用于吸收晶体管导通后释放的大电流与功率半导体器件关断后电容C1上储存的能量。

正向钳位二极管D3～D12并联在晶体管Q基极与发射级两端，由十个二极管串联而成，当晶体管Q的基极电压过高时，钳位二极管导通正向保护晶体管Q；反向钳位二极管D2并联在晶体管Q基极与发射级两端，用于保护晶体管Q的发射结不被反向干扰电压击穿。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路，其特征在于：由电容、电阻、二极管、晶体管有机组合而成，其中电容C1、电阻R1、R2、R3构成晶体管Q的偏置电路；二极管D2连接在晶体管Q的发射结，保护晶体管Q不会被负电压击穿；二极管D3～D12连接在晶体管Q的基极和地之间，用于钳位晶体管Q的基极电压。

2.根据权利要求1所述的一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路，其特征在于：电容采用陶瓷多层片式电容器，其接在功率半导体器件IGBT的集电极与晶体管Q的集电极之间，动态吸收功率半导体器件两端的过电压，其串联的电阻用来控制电容放电的速度，避免电容充放电速度过快，影响过电压抑制效果。

3.根据权利要求1所述的一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路，其特征在于：电阻采用功率电阻，其包括电容的串联电阻与两个吸收电阻。串联电阻与电容串联接在功率半导体器件如IGBT的集电极与晶体管的集电极之间，是用于控制电容的充放电速度；两个吸收电阻，一个并联于电容串联电阻支路，一个并联于反向钳位二极管两端，二者是用于吸收晶体管导通后释放的大电流与功率半导体器件关断后电容上储存的能量。

4.根据权利要求1所述的一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路，其特征在于：二极管采用肖特基二极管，其包括正向钳位二极管与反向钳位二极管，正向钳位二极管并联在晶体管基极与发射级两端由十个二极管串联而成，其钳位晶体管的极正向保护晶体管；反向钳位二极管并联在晶体管基极与发射级两端，用于电容放电时反向保护晶体管。

5.根据权利要求1所述的一种动态抑制功率半导体器件关断过电压的电路，其特征在于：功率半导体器件IGBT两端的过电压提供脉冲，晶体管Q导通后释放感生电流，由集电极电阻与发射级电阻形成泄放通路。

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