CN210927590U - 功率半导体元件的驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率半导体元件的驱动保护电路，所述驱动保护电路中，开通模块、关断模块、安全单元的一端均连接至所述功率半导体器件的门极，所述开通模块、关断模块、安全单元的另一端均连接至所述功率半导体器件的阴极，所述安全单元在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态，或/和向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。所述驱动保护电路在功率半导体元件串联系统整体接收到开通命令时，即使有数个元件的驱动保护电路故障，也能保证串联系统整体处于导通状态，提升了串联可靠性。

Description

功率半导体元件的驱动保护电路

技术领域

本实用新型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。

背景技术

现有技术中，晶闸管型元件(如晶闸管、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管ETO等)的门极驱动电路在开通时是由驱动向元件门极注入电流触发器件开通，而在关断时是由驱动向元件门阴极提供反压使器件可靠关断。此外，现有技术中的MOSFET、IGBT等元件的门极驱动电路在开通时是由驱动向元件门极提供正向电压使器件开通，而在关断时则由驱动向元件门极提供反压使器件可靠关断。

在高压应用中，通常需要将功率半导体元件串联使用，且串联数量具有一定的冗余。对于具有失效短路模式的元件，当其中一级或几级串联元件出现故障且故障数量不超过冗余数量时，应保证故障元件处于导通或短路状态，从而整体串联系统仍可以正常工作。

一般地，功率半导体元件驱动保护电路的故障率显著高于元件本身。现有技术中，当驱动保护电路故障时，即使接收到开通信号，驱动也会向元件门阴极提供反压而不会注入门极电流或提供正向电压，从而保证元件处于关断状态。

对于串联系统，每个功率半导体元件两端并联有避雷器等过压保护元件，过压保护阈值通常低于功率半导体元件的最大耐受电压。当所有功率半导体元件同时接收到开通命令时，若其中一个功率半导体元件的驱动保护电路出现故障，则驱动无法向该功率半导体元件门极注入电流，该功率半导体元件无法导通，线路电压全部施加在该功率半导体元件并联的过压保护元件上，过压保护元件吸收系统能量，当能量累积到一定程度后，可能导致其出现爆炸等剧烈过程，进而引起设备其他部位甚至整体串联系统无法正常工作。

因此，现有技术的门极驱动保护电路严重降低了功率半导体元件串联系统的可靠性，尤其是在高压领域的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种功率半导体元件的驱动保护电路。

本实用新型提供的功率半导体元件的驱动保护电路包括开通模块和关断模块，其特征在于，还包括安全单元，

其中，

所述开通模块、关断模块、安全单元的一端均连接至所述功率半导体元件的门极，所述开通模块、关断模块、安全单元的另一端均连接至所述功率半导体元件的阴极，

所述安全单元在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态，或/和向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

进一步，所述安全单元包括备用开通模块或高压模块，

所述备用开通模块连接在所述功率半导体元件的门极和阴极之间，所述备用开通模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态；

所述高压模块连接在所述功率半导体元件的门极和阴极之间，所述高压模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

进一步，所述备用开通模块包括第一电压管理电路、第一电容、限流电阻和第一二极管，

其中，

所述第一电容的正极和负极均连接至所述第一电压管理电路；

所述第一电容的正极通过所述限流电阻连接至所述第一二极管的正极；

所述第一二极管的负极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述第一电容的负极连接至所述功率半导体元件的阴极，

或所述备用开通模块包括第二电压管理电路、第二电容、续流二极管、第一可控开关、电感、采样电阻和第二二极管，

其中，

所述第二电容的正极和负极均连接至所述第二电压管理电路，且所述第二电容的负极连接至所述续流二极管的正极；

所述第一可控开关的一端连接至所述第二电容的正极，所述第一可控开关的另一端连接至所述续流二极管的负极和所述电感的一端；

所述电感的另一端通过所述采样电阻连接至所述第二二极管的正极；

所述第二二极管的负极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述第二电容的负极连接至所述功率半导体元件的阴极。

进一步，所述高压模块包括第三电压管理电路、高压电容、第二可控开关和第三二极管，

其中，

所述高压电容的正极和负极均连接至所述第三电压管理电路，且所述高压电容的负极连接至所述第二可控开关的一端；

所述第二可控开关的另一端连接至所述第三二极管的负极；

所述第三二极管的正极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述高压电容的正极连接至所述功率半导体元件的阴极。

进一步，所述安全单元连接至外部电源。

进一步，还包括控制单元、第一电源管理模块、第二电源管理模块；

所述控制单元连接至所述第一电源管理模块、备用开通模块或高压模块、开通模块和第二电源管理模块；

所述第二电源管理模块连接至所述开通模块和关断模块；

所述功率半导体元件在驱动保护电路故障时接收到开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或所述第二电源管理模块故障时，控制所述备用开通模块工作，向所述功率半导体元件注入门极电流使其导通，或向所述功率半导体元件门极施加正向电压使其导通，

或

所述功率半导体元件在驱动保护电路故障时接收到开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或所述第二电源管理模块故障时，控制所述高压模块工作，向所述功率半导体元件门极提供反向高压，将所述门极击穿并导致其失效。

进一步，所述功率半导体元件为集成门极换流晶闸管、发射极关断晶闸管、MOSFET或IGBT。

本实用新型还提供一种功率半导体元件的驱动保护电路的控制方法，所述方法包括：

所述驱动保护电路故障时，所述安全单元向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态，或/和向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

进一步，所述安全单元中所述备用开通模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态，

或

所述安全单元中所述高压模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

进一步，所述控制单元向所述备用开通模块提供信号，控制所述备用开通模块开始工作，所述第一电压管理电路向所述第一电容充电，再由所述第一电容通过所述限流电阻和第一二极管向功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使其工作在导通状态，

或

所述控制单元向所述备用开通模块提供信号，控制所述备用开通模块开始工作，所述第二电压管理电路向所述第二电容充电，再由所述第二电容通过所述第一可控开关、电感、采样电阻、续流二极管和第二二极管向功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使其工作在导通状态，

或

所述控制单元向所述高压模块提供信号，控制所述高压模块开始工作，所述第三电压管理电路向所述高压电容充电，再由所述高压电容通过控制所述第二可控开关将反向高电压施加到所述功率半导体元件门极。

进一步，通过改变所述第一电压管理电路参数，调节所述第一电容充电电压，控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值，

或

通过改变所述第二电压管理电路参数，调节所述第二电容充电电压，控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值，

或

通过改变所述第三电压管理电路参数，调节所述高压电容充电电压，控制所述反向高电压的幅值。

进一步，通过所述控制单元控制所述第一可控开关，调节注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值、纹波，

或

通过所述控制单元控制所述第二可控开关，调节所述反向高电压的幅值、纹波。

本实用新型的功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法，使得当驱动保护电路发生故障时，若接收到开通信号，驱动保护电路中的备用开通模块向元件注入门极电流或提供正向电压，从而使元件处于导通状态；或驱动保护电路中的高压模块向元件提供高于反向击穿电压的高压，从而使元件失效并处于短路状态。所述驱动保护电路可靠性高，在功率半导体元件串联系统整体接收到开通命令时，即使有数个元件的驱动保护电路故障，也能保证串联系统整体处于导通状态，提升了串联可靠性，所述备用开通模块、高压模块电路原理简单，易实现，成本低，体积小。本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、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实用新型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实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型实施例的具有备用开通模块的IGCT驱动保护电路；

图2示出了本实用新型实施例的第一种备用开通模块的拓扑结构；

图3示出了本实用新型实施例的第二种备用开通模块的拓扑结构；

图4示出了本实用新型实施例的具有高压模块的IGCT驱动保护电路；

图5示出了本实用新型实施例的一种高压模块的拓扑结构；

图6示出了本实用新型实施例的具有备用开通模块的ETO驱动保护电路；

图7示出了本实用新型实施例的具有高压模块的ETO驱动保护电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型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，所述驱动保护电路包括安全单元，所述安全单元包括备用开通模块或/和高压模块，所述功率半导体元件可为IGCT、ETO、MOSFET或IGBT。

图1所示为本实用新型实施例的具有备用开通模块的IGCT驱动保护电路。

由图1可知，功率半导体元件IGCT的驱动保护电路包括所述备用开通模块，还包括开通模块、关断模块1、控制单元、电源管理模块1和电源管理模块2，

其中，

所述备用开通模块、开通模块、关断模块1的一端均连接至所述IGCT 的门极，所述备用开通模块、开通模块、关断模块1的另一端均连接至所述IGCT的阴极；所述控制单元连接至所述备用开通模块、开通模块、关断模块1，电源管理模块1，所述控制单元通过所述电源管理模块1由外部电源单独供电；所述开通模块、关断模块1连接至所述电源管理模块2，并通过所述电源管理模块2由外部电源供电。

所述驱动保护电路故障时，若接收关断指令，由于串联系统的串联数量具有冗余，线路电压由正常工作的功率半导体元件IGCT耐受，所述备用开通模块不工作；若接收开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或电源管理模块2故障时，控制所述备用开通模块工作，向所述IGCT注入门极电流使其导通，从而保证了串联系统整体处于导通状态。

所述驱动保护电路使用所述电源管理模块1为所述控制单元单独供电，使用外部电源对所述备用开通模块直接供电，保证了所述控制单元和备用开通模块在驱动故障时的工作可靠性。

图2所示为本实用新型实施例的第一种备用开通模块的拓扑结构。如图2所示，所述备用开通模块包括电压管理电路、电容、限流电阻和二极管，

其中，

所述电容的正极和负极均连接至所述电压管理电路；所述电容的正极通过所述限流电阻连接至所述二极管的正极；所述二极管的负极连接至所述功率半导体元件如IGCT的门极；所述电容的负极连接至所述功率半导体元件如IGCT的阴极。

所述电压管理电路设有使能控制端子，当所述驱动保护电路故障时，所述控制单元向所述使能控制端子提供信号，控制所述备用开通模块开始工作，外部电源通过具有隔离功能或不具有隔离供能的所述电压管理电路向所述电容充电，再由所述电容通过所述限流电阻、二极管向功率半导体元件如IGCT注入门极电流，使其工作在导通状态。通过改变所述电压管理电路参数，可以调节所述电容充电电压，从而控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值。

图3所示为本实用新型实施例的第二种备用开通模块的拓扑结构。如图3所示，所述备用开通模块包括电压管理电路A、电容C、续流二极管、可控开关、电感、采样电阻和二极管D，

其中，

所述电容C的正极和负极均连接至所述电压管理电路A，且所述电容 C的负极连接至所述续流二极管的正极；所述可控开关的一端连接至所述电容C的正极，所述可控开关的另一端连接至所述续流二极管的负极和所述电感的一端；所述电感的另一端通过所述采样电阻连接至所述二极管D 的正极；所述二极管D的负极连接至所述功率半导体元件如IGCT的门极；所述电容C的负极连接至所述功率半导体元件如IGCT的阴极。

图3是将图2中的限流电阻替换为所述可控开关、电感、采样电阻和续流二极管。所述驱动保护电路故障时，所述控制单元向所述第二种备用开通模块提供信号，控制所述备用开通模块开始工作，所述电压管理电路A 向所述电容C充电，再由所述电容C通过所述可控开关、电感、采样电阻、续流二极管和二极管D向功率半导体元件注入门极电流。通过改变所述电压管理电路A参数，调节所述电容C充电电压，控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值，也可通过所述控制单元控制所述可控开关，调节注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值、纹波等。

图4示出了本实用新型另一实施例的具有高压模块的IGCT驱动保护电路。图4相对于图1，是图4以高压模块代替了图1中的备用开通模块。

所述驱动保护电路故障时，若接收关断指令，由于串联系统的串联数量具有冗余，线路电压由正常工作的功率半导体元件如IGCT耐受，所述高压模块不工作；若接收开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或电源管理模块2故障时，控制所述高压模块工作，向所述功率半导体元件如IGCT门极提供反向高压，将所述门极击穿并导致其失效，由于所述功率半导体元件如IGCT具有失效短路模式，因此保证了串联系统整体处于导通状态。

图5示出了本实用新型实施例中的高压模块的拓扑结构。如图5所示，所述高压模块包括电压管理电路B、高压电容、可控开关S和二极管D1，

其中，

所述高压电容的正极和负极均连接至所述电压管理电路B，且所述高压电容的负极连接至所述可控开关S的一端；所述可控开关S的另一端连接至所述二极管D1的负极；所述二极管D1的正极连接至所述功率半导体元件如IGCT的门极；所述高压电容的正极连接至所述功率半导体元件如IGCT的阴极。

所述电压管理电路B设有使能控制端子，当所述驱动保护电路故障时，所述电压管理电路B接收到所述控制单元向电压管理电路B的使能控制端子提供的信号，控制所述高压模块开始工作，外部电源通过具有隔离功能或不具有隔离供能的所述电压管理电路B向所述高压电容充电，再由所述高压电容通过所述可控开关S、二极管D1向功率半导体元件如IGCT提供反向高压，将所述门极击穿。通过改变所述电压管理电路B参数，可以调节所述高压电容充电电压，从而控制该电压的幅值，也可通过所述控制单元控制所述可控开关S，调节所述反向高电压的幅值、纹波。

图6给出了本实用新型实施例的具有备用开通模块的ETO驱动保护电路，图7则给出了本实用新型实施例的具有高压模块的ETO驱动保护电路。图6和图7的工作原理分别与所述图1和图4相同，差别仅在于图6和图7 中的半导体功率元件为ETO。

类似地，对于具有失效短路模式的电压控制开通和关断的功率半导体元件，如MOSFET、IGBT等，也可以在其驱动保护电路中使用包含备用开通模块或高压模块的安全单元，此时，在如MOSFET、IGBT等的功率半导体元件驱动保护电路故障时，控制单元向备用开通模块的使能控制端子提供信号，控制备用开通模块开始工作，向如MOSFET、IGBT等的功率半导体元件的门极施加正向电压使其导通；或控制单元向高压模块的使能控制端子提供信号，控制高压模块开始工作，向如MOSFET、IGBT等的功率半导体元件的门极施加高压使其击穿并失效，从而保证了串联系统整体处于导通状态。

本实用新型的功率半导体元件的驱动保护电路的控制方法，包括：

所述备用开通模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流，使得所述功率半导体元件处于导通状态，或向所述功率半导体元件门极施加正向电压使其导通；或所述高压模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

其中，

参考图2，驱动保护电路故障时，所述控制单元向所述使能控制端子提供信号，控制所述备用开通模块开始工作，外部电源通过具有隔离功能或不具有隔离供能的所述电压管理电路向所述电容充电，再由所述电容通过所述限流电阻、二极管向功率半导体元件如IGCT注入门极电流，使其工作在导通状态。通过改变所述电压管理电路参数，可以调节所述电容充电电压，从而控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值。

参考图3，所述驱动保护电路故障时，所述控制单元向所述电压管理电路A的使能控制端子提供信号，外部电源通过具有隔离功能或不具有隔离供能的所述电压管理电路A向所述电容C充电，再由所述电容C通过所述可控开关、电感、采样电阻、续流二极管和二极管D向功率半导体元件注入门极电流。通过改变所述电压管理电路A参数，调节所述电容C充电电压，控制注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值，也可通过所述控制单元控制所述可控开关，调节注入的所述门极电流或提供的所述正向电压的幅值、纹波等。

参考图5，所述驱动保护电路故障时，所述电压管理电路B接收到所述控制单元向电压管理电路B的使能控制端子提供的信号，控制所述高压模块开始工作，外部电源通过具有隔离功能或不具有隔离供能的所述电压管理电路B向所述高压电容充电，再由所述高压电容通过所述可控开关S、二极管D1向功率半导体元件如IGCT提供反向高压，将所述门极击穿。通过改变所述电压管理电路B参数，可以调节所述高压电容充电电压，从而控制该电压的幅值，也可通过所述控制单元控制所述可控开关S，调节所述反向高电压的幅值、纹波。

本实用新型的功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法，使得当驱动保护电路发生故障时，若接收到开通信号，驱动保护电路中的备用开通模块向元件注入门极电流或提供正向电压，从而使元件处于导通状态；或驱动保护电路中的高压模块向元件提供高于反向击穿电压的高压，从而使元件失效并处于短路状态。所述驱动保护电路在功率半导体元件串联系统整体接收到开通命令时，即使有数个元件的驱动保护电路故障，也能保证串联系统整体处于导通状态，提升了串联可靠性，所述备用开通模块、高压模块电路原理简单，易实现，成本低，体积小。

本实用新型的第一、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实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种功率半导体元件的驱动保护电路，包括开通模块和关断模块，其特征在于，还包括安全单元，

其中，

所述开通模块、关断模块、安全单元的一端均连接至所述功率半导体元件的门极，所述开通模块、关断模块、安全单元的另一端均连接至所述功率半导体元件的阴极，

所述安全单元在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态，或/和向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

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，

所述安全单元包括备用开通模块或高压模块，

所述备用开通模块连接在所述功率半导体元件的门极和阴极之间，所述备用开通模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件注入门极电流或提供正向电压，使得所述功率半导体元件处于导通状态；

所述高压模块连接在所述功率半导体元件的门极和阴极之间，所述高压模块在所述驱动保护电路故障时向所述功率半导体元件提供高于反向击穿电压的高压，使得所述功率半导体元件失效并处于短路状态。

3.根据权利要求2所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于，

所述备用开通模块包括第一电压管理电路、第一电容、限流电阻和第一二极管，

其中，

所述第一电容的正极和负极均连接至所述第一电压管理电路；

所述第一电容的正极通过所述限流电阻连接至所述第一二极管的正极；

所述第一二极管的负极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述第一电容的负极连接至所述功率半导体元件的阴极，

或所述备用开通模块包括第二电压管理电路、第二电容、续流二极管、第一可控开关、电感、采样电阻和第二二极管，

其中，

所述第二电容的正极和负极均连接至所述第二电压管理电路，且所述第二电容的负极连接至所述续流二极管的正极；

所述第一可控开关的一端连接至所述第二电容的正极，所述第一可控开关的另一端连接至所述续流二极管的负极和所述电感的一端；

所述电感的另一端通过所述采样电阻连接至所述第二二极管的正极；

所述第二二极管的负极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述第二电容的负极连接至所述功率半导体元件的阴极。

4.根据权利要求2所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于，

所述高压模块包括第三电压管理电路、高压电容、第二可控开关和第三二极管，

其中，

所述高压电容的正极和负极均连接至所述第三电压管理电路，且所述高压电容的负极连接至所述第二可控开关的一端；

所述第二可控开关的另一端连接至所述第三二极管的负极；

所述第三二极管的正极连接至所述功率半导体元件的门极；

所述高压电容的正极连接至所述功率半导体元件的阴极。

5.根据权利要求1至4任一所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于，

所述安全单元连接至外部电源。

6.根据权利要求2至4任一所述的功率半导体元件的驱动保护电路，其特征在于，

还包括控制单元、第一电源管理模块、第二电源管理模块；

所述控制单元连接至所述第一电源管理模块、备用开通模块或高压模块、开通模块和第二电源管理模块；

所述第二电源管理模块连接至所述开通模块和关断模块；

所述功率半导体元件在驱动保护电路故障时接收到开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或所述第二电源管理模块故障时，控制所述备用开通模块工作，向所述功率半导体元件注入门极电流使其导通，或向所述功率半导体元件门极施加正向电压使其导通，

或

所述功率半导体元件在驱动保护电路故障时接收到开通指令，当所述控制单元检测到所述开通模块或所述第二电源管理模块故障时，控制所述高压模块工作，向所述功率半导体元件门极提供反向高压，将所述门极击穿并导致其失效。

7.根据权利要求1至4任一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为集成门极换流晶闸管、发射极关断晶闸管、MOSFET或IGBT。

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