功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法技术

本发明专利技术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。

Driving protection circuit and control method of power semiconductor components

【技术实现步骤摘要】
功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法
本专利技术涉及电子电路
，特别是涉及一种功率半导体元件的驱动保护电路及其控制方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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及其控制方法。本专利技术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。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器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器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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，/n其中，/n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，/n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。/n

【技术特征摘要】
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。


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器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器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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾嵘，陈政宇，赵彪，余占清，刘佳鹏，周文鹏，尚杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11