一種保護半導體器件串聯運行的有源保護電路的製作方法

2023-05-08 12:55:01

專利名稱：一種保護半導體器件串聯運行的有源保護電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於具有半導體器件的電路領域，特別涉及一種保護半導體器件串聯運行的有源保護電路。
背景技術：
目前的功率半導體器件，例如絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)和金屬氧化物半導體型場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)等，都只能承受一定限量的電壓。如果電路中有其它因素影響，半導體器件在關斷時可能要承受一個較大的電壓過衝，這個電壓可能會超出器件的安全工作的範圍，造成器件損壞。另外，如果在一些場合下需要開斷的電壓較高，必須要對半導體器件進行串聯使用。在這種使用方式下，由於器件本身特性的不一致、主電路雜散參數的影響以及控制電路所存在的差異等，將會導致在串聯運行中各個器件上電壓分配的不平衡，使得一些器件上產生較大的過電壓。尤其是在動態運行(開通和關斷過程)過程中，串聯器件間的電壓均衡就更加難以獲得。因為在開通或者關斷過程中，只有當各個半導體器件及其驅動的特性完全一致時才可以保證通過半導體器件上的電壓對稱分布。但是，由於各個串聯器件的開關特性或開關延遲都有差異，而且各個器件本身的開通和關斷時間還會隨著時間和溫度的變化而變化。這使得每個器件在高速的開通和關斷過程中所成的電壓都不盡相同。而且，使用的半導體器件速度越快，在關斷時承受的電壓越高，因為這時較慢的開關仍然在導通，大部分電壓還需要較快關斷的器件來承受。這樣，速度最快的半導體器件所承受的電壓可能會超出最大耐受電壓，從而導致器件被損壞。同樣的情況也可以發生在開通過程中。在這種情況下，是由較慢的開關承受較大的電壓。
而器件上所施加的過電壓會導致器件受到的電氣應力增加，加速了器件的老化過程。同時，在較高的電壓下運行可能會使半導體器件的失效率顯著增加。在嚴重的情況下，這個電壓可能會超出器件所能夠承受的最大運行電壓，使器件造成不可恢復的損壞。因此，必須有一個保護性的設備來確保在任何運行狀態下每個半導體器件上的電壓都不會超過其最大耐受電壓。
因此，參見圖1，在由電力電子器件組成的設備中，特別是對於在高電壓大電流下工作的串聯電力電子設備來說，必須使用一定的措施來限制這個過電壓的影響，以使各個器 件上的電壓處於安全工作的範圍以內，保護電力電子設備的可靠運行。
目前，在半導體器件的單管應用或低頻半導體器件(如高壓直流輸電晶閘管串聯閥)
的串聯運行中，通常使用和半導體器件並聯的RCD緩衝電路來限制器件上的過電壓。參 見圖2顯示了一個現有技術的RCD緩衝器的例子，其中的門極驅動電路是用來控制半導 體器件開通或者關斷的觸發電路，可以由成熟的商業化驅動晶片來完成，而緩衝電路由電 阻R、電容C和二極體D組成。這種緩衝電路可以限制半導體器件上的電壓變化速率，增 加半導體器件的電流處理能力，從而降低了關斷過電壓。在器件的串聯使用中，RCD緩衝 電路也可以改進串聯器件上的電壓分配。但是為了獲得較好的電壓分配，緩衝器中的電容 必須很大，這將會使得緩衝電路的損耗也會很大，不利於電力電子器件IGBT等高頻器件 的串聯運行。而且如果過電壓的水平較大或者串聯的器件數量較多，RCD緩衝電路也無法 完全保證串聯器件間的電壓分配。
因此，在較快速的半導體器件，例如MOSFET、電力電子器件IGBT等半導體器件(下 文都用電力電子器件IGBT來作為代表)的串聯工作中，需要一些性能更加良好的過電壓 保護電路，用來防止那些關斷較快(或開通較慢)的器件承受過高的電壓。對於這類門極 控制型半導體器件，可以考慮採用更加優秀的方法來限制過電壓的大小，即使用工作在門 極側的保護電路，也就是所謂的有源式保護電路。有源式過電壓保護電路意味著保護電路 可以較大的改變器件的動作特性，也就是說通過器件的電壓如果上升太快的話，它可以增 加器件的等效電導，來降低器件的電壓變化率。
參見圖3，現有技術的最簡單的有源過電壓保護設備是使用一個齊納二極體和一個二 極管串聯到電力電子器件IGBT的集電極和門極之間。但是這個方法的缺點是會顯著增加 關斷損耗。
因此，在實際應用中需要對上面的電路進行改進。考慮在上面的電路中加入一隻電容 和電阻，同樣也是接到電力電子器件IGBT的集電極和發射極之間，並且讓過電壓保護設 備在半導體器件上的電壓超過給定的電壓水平時開始啟動。這樣，只要保護電路開始動作， 就有電流通過有源鉗位電路中的電容，因此電容開始充電。在電力電子器件IGBT的開關 過程中，只要通過功率器件上的電壓上升超過保護電壓，保護電路就將開始動作。電容的 任務是當通過功率器件上的電壓超過指定的電壓水平時限制電壓的變化率。
其中，有源鉗位電路可以採用正向擊穿型或反向擊穿型，分別如圖4和圖5所示。在正向擊穿型有源鉗位電路中，當電力電子器件IGBT的集電極-門極電壓超過電壓限制器 Dz的擊穿電壓時，鉗位電路中的阻容迴路就被接入到電力電子器件IGBT的門極-集電極 之間，使電力電子器件IGBT的電壓變化率得到限制。而在反向擊穿型有源鉗位電路中， 當集電極-門極電壓低於一定程度時，則電容將反向擊穿電壓限制器而放電。
通常，為了增加有源保護設備的性能，還可以在有源鉗位電路中增加其它電路來改善 其性能，例如有源緩衝電路。參見圖6，有源緩衝電路是在電力電子器件IGBT集電極和 門極之間串聯的一個電容和一個電阻，其功能是可以在電力電子器件IGBT的開通和關斷 過程中限制集射極之間的電壓變化率。因此，參見圖7，將有源鉗位保護電路和一個有源 緩衝電路相結合，通過開通和關斷過程中有源緩衝電路對集射極電壓變化率的限制作用， 可以增加有源鉗位電路鉗位性能。

發明內容
本發明所提出的串聯半導體器件的過電壓保護電路，可以降低串聯體器件暫態過程中 所受到的過電壓影響。其中保護電路在功率半導體上的電壓超過給定的電壓水平(Vprot) 時開始啟動。過電壓保護設備可以用來保護包含最少一個功率器件的模塊，在一個電力電 子設備中，可能有幾個模塊進行串聯以承受閥串中的電壓。
由於有源型鉗位電路是通過對半導體功率器件的門極進行控制來起到對器件集射極 電壓限制的作用，因此有源鉗位電路可以應用的半導體功率器件只能是電壓控制型的(如 電力電子器件IGBT、 MOSFET等)，並且需要連接到可控功率器件的集電極和門極之間， 參見圖8有源型鉗位電路中的BH。
功率器件串聯的好處主要是可以使用多個具有較低的電壓耐受能力的器件來共同承
擔一個較大的電壓，這樣不僅擴大了半導體器件的應用範圍，還可能會降低電力電子設備 的損耗和成本。在具有串聯工作的半導體器件的電力電子設備中，其中的串聯器件中的每 個功率器件都由所發明的過電壓保護設備進行保護。這意味著在關斷和開通過程中的同步
需求被降低。在關斷、開通和短路過程中功率器件上的較大的統一性要求也得到緩和，同 時也降低了器件的控制要求。另外，在驅動電路中的差異也變得可以接受。否則，就不得 不考慮選擇具有較大同一性的器件並且調整驅動電路。這在實際的工業應用中比較困難， 而且在使用一段時間之後，還必須要替換掉老化的器件和驅動電路。
因此，本發明提出了一種功率半導體器件的有源保護電路，用於保護由串聯或單管運 行的壓控型功率半導體器件組成的電力電子設備中的半導體器件，其特徵在於該電路包括
5有源鉗位電路，電子開關(K)以及電阻組成的迴路。其中有源鉗位電路用來對壓控型功 率半導體器件在關斷過程中產生的過電壓起到抑制作用，所述有源鉗位電路的輸入和輸出 端分別連接到需要保護的功率半導體器件的集電極端(C)和門極端(G)，所述電子開關 K的受控端連接到所述有源鉗位電路的另一個輸出端，根據所述有源鉗位電路的動作狀態 來調節有源鉗位電路輸出並流入的壓控型功率半導體器件門極的電流大小，所述電子開關 K和一個用來限制電流大小的電阻(Rg2)串聯後，再與壓控型功率半導體器件的門極電 阻(Rgl)相併聯。
其中，所述壓控型功率半導體器件包括絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)、金屬氧化物半導體型場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)和注入增強柵極電晶體(Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)。
其中，所述的半導體器件包括至少一個串聯運行的功率半導體器件，其中每個半導體 器件都被所述的有源保護電路所保護。
其中，所述並聯的門極電阻(Rgl)控制迴路包括一個開關和一個電阻。
其中，所述電子開關K是不可控開關或可控開關，如果是可控開關，則可控開關的動 作閾值由所述半導體器件的保護電壓決定，且可控開關的動作由所述半導體器件的有源鉗 位電路來啟動。
其中，還包括有源緩衝電路和無源緩衝電路，其中所述有源緩衝電路連接到功率器件 的集電極和門極之間，用來減緩和平均器件關斷過程中的電壓應力，所述無源緩衝電路連 接到功率器件的集電極和發射極之間，用來吸收器件關斷過程中的過電壓。
本發明的有益效果是本發明的有源過電壓保護電路相比於傳統的有源鉗位電路來說 其優點為當使用了所發明的電路後，串聯工作的半導體器件在開關過程中，由於器件的 不平衡所導致的過電壓可以得到更好的抑制，因為所發明的電路大大增加了有源鉗位電路 的作用，使有源鉗位電路的性能得到了進一步提升；通過不同的門極側電阻組合，可以根 據實際需要來得到不同的開關速度，這樣可以降低半導體器件開關過程中的損耗。
所發明的有源過電壓保護設備，相比於原來的有源鉗位設備的優點可以進一步的被概
括為通過加入門極側控制電路，可以改進原有的有源鉗位電路的工作性能，同時降低了
器件的開關損耗。


圖1是現有技術的串聯工作的半導體器件的示意圖；圖2是現有技術的RCD緩衝器的示意圖3是一種現有技術的電力電子器件IGBT的有源過電壓保護設備的示意圖4是現有技術的正向擊穿型有源鉗位電路的示意圖5是現有技術的反向擊穿型有源鉗位電路的示意圖6是現有技術的電力電子器件IGBT的有源緩衝電路的示意圖7是現有技術的有源鉗位保護電路和有源緩衝電路的組合的示意圖8是依據本發明的有源鉗位電路的連接示意圖9是依據本發明的一個六橋臂換流器的示意圖10是依據本發明的需要進行保護的包含了一個半導體器件的功率模塊T的電路的 示意圖11是依據本發明的有源鉗位保護電路的一種改進結構的示意圖； 圖12是依據本發明的有源保護電路的最小配置結構示意圖； 圖13是依據本發明的有源保護電路的總體結構示意圖。
具體實施例方式
下面對發明的具體技術方案進行敘述。可以應用發明電路的一種類型的換流器三相電 壓源型自換相換流器如圖9所示，帶有六個閥臂的三相橋，其中每個閥包括一組串聯的半 導體器件。橋臂通過電感La、 Lb、 Lc連接到三相交流電網，直流端P、 N連接到電容C。 換流器中的每個閥臂都包括任意數量的組件L……TN，而每個組件又包括最少一隻半導體 器件電力電子器件IGBT，這個器件由所發明的過電壓保護設備進行保護。
參見圖10顯示了包括一個由一隻電力電子器件IGBT器件和一個反並聯二極體所組成 的功率半導體模塊，它包含了需要被進行過電壓保護的功率器件。電力電子器件IGBT由 連接到門極的驅動電路控制。在電力電子器件IGBT及反並聯二極體上有一個並聯電阻Rs， 是當閥處於斷態時作靜態電壓分配用的。
為了保護串聯閥中每個半導體器件，使其免受到在串聯閥開通或關斷時由於不同步造 成的閥中器件上所出現的過電壓，因此需要在每個功率半導體都裝有一個過電壓保護設 備。
由於在電力電子器件IGBT器件開通時，電壓的不平衡度一般比較輕微，電壓的分配 較為平均，因此可能不需要鉗位電路提供過大的抑制性能。所以此時可以考慮使用較小的 門極電阻來加快開關的動作速度，使得開通所用的時間較少，從而降低了開關損耗的產生。而在電力電子器件IGBT關斷時，由於集射極電壓之間的不平衡度較大，此時使用較大的 門極電阻，使得鉗位電路的電流流向門極的部分增加，從而增加了鉗位電路的效果。這樣， 可以考慮使用的一種有源保護電路的配置方式如圖11所示。其中使用一個二極體(Dr) 和一個較小的電阻(Rg2)進行串聯，然後再與一個較大的電阻(Rgl)進行並聯。最後將 這個電路串接到門極驅動電路和電力電子器件IGBT的有源鉗位電路之間。這樣，在開通 時，由於兩個電阻並聯，使得門極總阻值較小，可以加速開通速度，降低開關損耗。而在 關斷時，由於二極體的反向截止作用，使得只有一個較大的電阻(Rgl)起作用，這樣可 以使得集電極-門極間的有源鉗位電路部分的電流的較大部分流向電力電子器件IGBT的門 極，從而提高有源鉗位電路的性能。
但是這樣帶來的一個不足之處是即使正常運行情況下(均壓或較低電壓)電力電子 器件IGBT的關斷延時會比較長，關斷過程的時間會變長，增大了關斷損耗。因此， 一種 更好的電路拓撲結構是在圖11所示的電路中，將其中的二極體(Dr)用一個可雙嚮導通 的開關(K)來代替，而開關K的開通和閉合受到有源鉗位電路中的電阻電壓的控制，如 圖12所示。如果各電力電子器件IGBT集射極之間的電壓Vce比較均衡，即各個器件上的 電壓都不超過有源鉗位電路的保護動作閾值，則有源鉗位電路不會動作，這時開關K處於 閉合狀態，使兩個電阻並聯接入到門極側，提高電力電子器件IGBT的開關速度，降低開 關損耗。而在電力電子器件IGBT的開關過程中，如果集電極-門極電壓開始上升超過有源 鉗位電路的保護動作電壓時，則有源鉗位電路中的電阻上的電壓將上升達到一定程度，這 時就認為電力電子器件IGBT上的電壓達到需要限制的水平。此時開關K的控制電路將開 關K斷開，使較大的電阻Rgl接入到門極，門極側電阻增加，使流向電力電子器件IGBT 側電流變大，減緩電力電子器件IGBT的關斷過程，將其上的過電壓進行抑制。
同時，也可以在圖12所述的電路中加入有源緩衝電路(參見圖6)，來減緩IGBT的 開關速度，降低IGBT開關過程中的電壓變化率的不一致水平。根據實際的過電壓情況， 如果主電路中的雜散電感的影響較大，還可以加入無源緩衝電路，來吸收IGBT關斷過程 中的過電壓。電路的配置如圖13所示。其中無源緩衝電路可以是由二極體、電容、電阻 組成的電路(參見圖2)或者其它能夠起到同樣功能的電路。
此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來說在 不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例 證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1、一種保護半導體器件串聯運行的有源保護電路，用於保護由串聯或單管運行的壓控型功率半導體器件組成的電力電子設備中的半導體器件，其特徵在於該電路包括有源鉗位電路，電子開關(K)以及電阻組成的迴路。其中有源鉗位電路用來對壓控型功率半導體器件在關斷過程中產生的過電壓起到抑制作用，所述有源鉗位電路的輸入和輸出端分別連接到需要保護的功率半導體器件的集電極端(C)和門極端(G)，所述電子開關K的受控端連接到所述有源鉗位電路的另一個輸出端，根據所述有源鉗位電路的動作狀態來調節有源鉗位電路輸出並流入的壓控型功率半導體器件門極的電流大小，所述電子開關K和一個用來限制電流大小的電阻(Rg2)串聯後，再與壓控型功率半導體器件的門極電阻(Rg1)相併聯。
2、 如權利要求1所述的有源保護電路，其特徵在於所述的壓控型功率半導體器件包 括絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)、金屬氧化物半導體型場效 應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)、注入增強柵極電晶體(Injection Enhanced Gate Transistor, IEGT)和其它由門極電壓控制可關斷的器件。
3、 如權利要求l-2任一所述的有源保護電路，其特徵在於所述半導體器件包括至少一 個串聯運行的功率半導體器件，其中每個半導體器件都被所述的有源保護電路所保護。
4、 如權利要求l-3任一所述的有源保護電路，其特徵在於所述並聯的門極電阻(Rgl) 控制迴路包括一個開關和一個電阻。
5、 如權利要求1-4任一所述的有源保護電路，其特徵在於所述電子開關K是不控開 關或可控開關，如果是可控開關，則可控開關的動作閾值由所述半導體器件的保護電壓決 定，且可控開關的動作由所述半導體器件的有源鉗位電路來啟動。
6、 如權利要求l-5任一所述的有源保護電路，其特徵在於還包括有源緩衝電路和無源 緩衝電路，其中所述有源緩衝電路連接到功率器件的集電極和門極之間，用來減緩和平均 器件關斷過程中的電壓應力，所述無源緩衝電路連接到功率器件的集電極和發射極之間， 用來吸收器件關斷過程中的過電壓。
全文摘要
本發明所提出的保護半導體器件串聯運行的有源保護電路可以降低單管或串聯器件在開關的暫態過程中所受到的過電壓影響。其中保護電路在功率半導體上的電壓超過給定的電壓水平時開始啟動。過電壓保護設備可以用來保護包含最少一個功率器件的模塊，在一個電力電子設備中，可能有幾個模塊進行串聯以承受閥串中的電壓。
文檔編號H02H7/20GK101478143SQ200810240400
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者雋 劉, 輝 龐, 榮 易, 強 李, 滕樂天, 湘 羅, 賀之淵 申請人:中國電力科學研究院;上海市電力公司