RU2641479C2 - Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности - Google Patents

Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности Download PDF

Info

Publication number
RU2641479C2
RU2641479C2 RU2016119940A RU2016119940A RU2641479C2 RU 2641479 C2 RU2641479 C2 RU 2641479C2 RU 2016119940 A RU2016119940 A RU 2016119940A RU 2016119940 A RU2016119940 A RU 2016119940A RU 2641479 C2 RU2641479 C2 RU 2641479C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
avalanche
resistor
semiconductor switching
voltage
switching element
Prior art date
Application number
RU2016119940A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016119940A (ru
Inventor
Хироми САКО
Original Assignee
Мейденша Корпорейшн
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Мейденша Корпорейшн filed Critical Мейденша Корпорейшн
Publication of RU2016119940A publication Critical patent/RU2016119940A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2641479C2 publication Critical patent/RU2641479C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/107—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Изобретение относится к схеме защиты для полупроводникового переключающего элемента. Технический результат заключается в уменьшении риска выхода из строя полупроводникового переключающего элемента вследствие пробоя, вызванного перенапряжением. В схеме защиты для каждого из множества полупроводниковых переключающих элементов 50, соединенных последовательно, между коллектором и эмиттером полупроводникового переключающего элемента 50 подключается последовательная цепь, состоящая из лавинных элементов D1~D5, резистора R4 и лавинного элемента D6. Конденсатор С1 и резистор R1 соединяются параллельно между обоими выводами лавинного элемента D4, а конденсатор С2 и резистор R2 соединяются параллельно между обоими выводами лавинного элемента D5. Между общей точкой соединения резистора R4 и лавинного элемента D6 и затвором полупроводникового переключающего элемента 50 подключается последовательная цепь, состоящая из резистора R5, параллельной цепи, состоящей из конденсатора С3 и резистора R6, и последовательного компонента, включающего стабилитроны ZD1 и ZD2, соединенные в обратной полярности по отношению друг к другу. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству преобразования мощности, использующему управляемый напряжением переключающий элемент, а более конкретно к схеме защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройству преобразования мощности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В ряде случаев в качестве средства для повышения напряжения устройства преобразования мощности применяется схема с множеством полупроводниковых переключающих элементов (например, IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором)), соединенных последовательно. Переключающий элемент переводится в открытое/закрытое состояние путем подачи команды открытия/закрытия затвора на вывод затвора переключающего элемента.
[0003] Когда команды закрытия затвора одновременно подаются на затворы переключающих элементов, соединенных последовательно, может произойти пробой переключающего элемента из-за различия временных характеристик команд затвора и/или из-за различия в напряжениях между переключающими элементами в период прохождения остаточного тока.
[0004] В патентном документе 1 предлагается технология выравнивания напряжения коллектор-эмиттер (напряжения между коллектором и эмиттером) последовательно подключенного переключающего элемента путем применения между выводом коллектора и выводом затвора переключающего элемента схемы защиты, состоящей из резистора и конденсатора. На фиг. 3 показана конфигурация схемы, предложенной в патентном документе 1.
[0005] На фиг. 3 показано, что в модуле 15 IGBT используется параллельное обратное соединение IGBT 17 и диода 18, а также показаны вывод С коллектора, вывод Ε эмиттера, вывод G затвора и управляющий вывод Е1 эмиттера. IGBT 17 переходит в открытое или закрытое состояние под воздействием напряжения Vg затвора, приложенного между выводами G и Ε через резистор 21, и состояние между выводами С-Е модуля 15 IGBT меняется на открытое или закрытое, в результате чего выполняется операция переключения. На чертеже ссылка 19 указывает емкость затвора модуля 15 IGBT, а ссылки 20 и 20а указывают паразитную индуктивность (или индуктивность рассеяния), наводимую проводным монтажом в модуле 15 IGBT.
[0006] Резистор 23 и конденсатор 22, образующие защитную схему, соединены последовательно между выводом С коллектора и выводом G затвора IGBT 17.
[0007] Кроме того, в патентных документах 3 и 4 предложена технология применения схемы защиты, в которой объединены элемент с лавинными характеристиками и конденсатор. Помимо этого, в патентных документах 5 и 6 предложена схема защиты, в которой объединены лавинный элемент, резистор и конденсатор.
[0008] На фиг. 4 показана конфигурация схемы, предложенной в патентном документе 5. На фиг. 4 изображена индуктивная нагрузка L, один вывод которой соединяется с источником напряжения +V постоянного тока, а другой вывод этой нагрузки L соединяется со стоком Dr полевого транзистора Т. Между стоком Dr и затвором G полевого транзистора Τ последовательно соединяются диод D, полярность которого показана на чертеже, лавинные элементы ZD3~ZD10, полярность которых противоположна полярности диода D, и резистор Rs. Конденсатор С1 параллельно соединен с лавинным элементом ZD3, резистор R3 и конденсатор СЗ соединены последовательно между обоими выводами лавинного элемента ZD5. Резистор R5 и конденсатор С5 соединены параллельно между обоими выводами лавинного элемента ZD7, а резистор R8 соединен параллельно с лавинным элементом ZD10.
[0009] В то же время, в непатентном документе 1 раскрыта технология защиты переключающего элемента от пробоя из-за перенапряжения между затвором и эмиттером переключающего элемента путем подключения стабилитрона между затвором и эмиттером переключающего элемента. На фиг. 5 показана конфигурация схемы, раскрытой в непатентном документе 1.
[0010] На фиг. 5 изображены стабилитрон 31 и диод Ds, полярность которого показана на чертеже, соединенные последовательно между коллектором и затвором IGBT 50. Стабилитроны 32 и 33, подключенные между затвором и эмиттером IGBT 50, соединены последовательно друг с другом в противоположной полярности. Кроме того резистор RGoff затвора и управляемый напряжением источник 34 соединены последовательно между затвором и эмиттером IGBT 50. Lk обозначает индуктивность.
[0011] Путем объединения схем, показанных на фиг. 4 и 5, можно сконфигурировать схему, выполняющую обе вышеуказанные функции: защиту от перенапряжения напряжения коллектор-эмиттер переключающего элемента и защиту от перенапряжения напряжения затвор-эмиттер переключающего элемента, как показано на фиг. 6.
[0012] На фиг. 6 ссылка 50 обозначает IGBT как переключающий элемент, являющийся одним из множества IGBT, последовательно соединенных в устройстве преобразования мощности. Ссылка 60 указывает на микросхему драйвера, которая выводит команду затвора (напряжение команды открытия/закрытия затвора) в затвор IGBT 50 через резистор Rg затвора.
[0013] Между коллектором и затвором IGBT 50 подключена последовательная цепь лавинных элементов D1~D5 (лавинных диодов, обладающих характеристиками лавинного пробоя), полярности которых показаны на чертеже, и резистор R4. Конденсатор С1 и резистор R1 соединены параллельно между обоими выводами лавинного элемента D4, а конденсатор С2 и резистор R2 соединены параллельно между обоими выводами лавинного элемента D5. Схема 41 защиты от броска напряжения Vce сконфигурирована посредством этих лавинных элементов D1~D5, конденсаторов С1 и С2 и резисторов R1, R2 и R4.
[0014] Катод стабилитрона ZD11 соединен с общей точкой соединения затвора IGBT 50 и резистора R4. Анод стабилитрона ZD11 соединен с эмиттером IGBT 50 через анод и катод стабилитрона ZD12. Схема 42 защиты от броска напряжения Vge сконфигурирована посредством этих стабилитронов ZD11 и ZD12.
СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ДОКУМЕНТОВ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
[0015]
Патентный документ 1: Публикация патента №3462032 Японии
Патентный документ 2: Публикация патента №3632385 Японии
Патентный документ 3: Публикация патента №3598933 Японии
Патентный документ 4: Публикация патента Tokkai №2010-124643 Японии
Патентный документ 5: Публикация патента №DE 19640433A1 Германии
Патентный документ 6: Публикация патента №DE 19740540C1 Германии
НЕПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ [0016]
Непатентный документ 1: SEMIKRON Inc. HP, техническая информация, "IGBT and MOSFET power module" (силовые модули IGBT и MOSFET), раздел 3.6.3.2 "overvoltage limit" (предел перенапряжения), фиг. 3.61 (а), адрес в Интернете:
http://www.semikron.com/skcompub/ja/application_manual_2000-193.htm, результаты поиска от 24 октября 2013 года.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] На фиг. 7 показаны кривые напряжения и тока в каждой части схемы, изображенной на фиг. 6, при закрытии IGBT 50. На фиг. 6 и 7, I1 обозначает ток, протекающий через схему 41 защиты от броска напряжения Vce, I2 обозначает ток, ответвляющийся от I1 и протекающий в затвор IGBT, и I3 обозначает ток, ответвляющийся от I1 и протекающий через схему 42 защиты от броска напряжения Vge.
[0018] Вначале, когда напряжение команды закрытия, выводится из микросхемы 60 драйвера в момент времени t1, напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50 (напряжение Vd2 схемы 42 защиты от броска напряжения Vge) уменьшается, и напряжение Vce коллектор-эмиттер увеличивается. Затем, когда в момент времени t2 напряжение Vd1, приложенное к последовательной цепи лавинных элементов D1~D3, достигает порогового значения Vava1, которое определяется характеристиками выдерживаемого напряжения лавинных элементов D1~D3, токи I1 и I2 в результате лавинного пробоя протекают через лавинные элементы D1~D3, конденсаторы С1 и С2 и резистор R4, а напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50 увеличивается. Вследствие этого, импеданс между коллектором и эмиттером IGBT 50 уменьшается, затем устанавливается баланс напряжения коллектор-эмиттер между множеством IGBT, соединенных последовательно.
[0019] Когда напряжение (Vc1) на конденсаторах С1 или С2, достигает порогового значения или превышает его в течение временного периода t2-t3, ток I1, протекающий через схему 41 защиты от броска напряжения Vce, протекает через лавинные элементы D4 и D5, параллельно соединенные, соответственно, с конденсаторами С1 и С2. В результате увеличение напряжения Vce коллектор-эмиттер IGBT 50 ограничивается, и осуществляется защита от перенапряжения.
[0020] Далее, начиная с момента времени t3, когда напряжение Vce коллектор-эмиттер IGBT 50 и напряжение Vd1, приложенное к лавинным элементам D1~D3, уменьшаются и токи I1 и I2 падают до нуля, напряжение Vce и напряжение Vd1 снова увеличиваются.
[0021] Когда напряжение Vd1, приложенное к последовательной цепи лавинных элементов D1~D3, в момент времени t4 снова достигает порогового значения Vava1, определяемого характеристиками выдерживаемого напряжения лавинных элементов D1~D3, опять начинают протекать токи I1 и I2.
[0022] В данном случае ток I3, протекающий через стабилитроны ZD11 и ZD12 в схеме, показанной на фиг. 6, представляет собой ток, протекающий в том случае, когда напряжение Vd2, приложенное к ZD11 и ZD12, достигает порогового значения VZD11 или превышает это значение, определяемое характеристиками ZD11 и ZD12. Кроме того, поскольку выполняется соотношение ʺI2=I1-I3ʺ то при протекании I3 значение I2 уменьшается. Помимо этого, на данное значение I3 также влияет различие характеристик стабилитронов ZD11 и ZD12.
[0023] С учетом баланса (выравнивания) напряжения Vce коллектор-эмиттер между последовательно соединенными IGBT в процессе закрытия IGBT идеальным является соотношение ʺI2=I1ʺ. Однако, как объяснялось выше, факт протекания I3, вызванного характеристиками ZD11 и ZD12, приводит к различию токов I2 каждого IGBT в последовательной цепи. Это вызывает изменения напряжения Vce коллектор-эмиттер каждого IGBT 50 во временном периоде (в основном во временном периоде Т4), когда протекают токи I1 и I3. Кроме того, это также приводит к тому, что во временном периоде Т4 пиковые значения напряжения Vcepeak коллектор-эмиттер между IGBT, соединенными последовательно, различаются.
[0024] Различие в Vce приводит к возникновению следующих проблем.
[0025] (1) Vcepeak одного из IGBT в последовательной цепи превышает допустимое напряжение, что влечет за собой риск выхода IGBT из строя вследствие пробоя, связанного с броском напряжения Vce.
[0026] (2) Поскольку Т4 является временным периодом, в течение которого возрастают потери при переключении IGBT в последовательной цепи, существует вероятность теплового пробоя из-за роста потерь при переключении одного из IGBT. Для того чтобы избежать такого теплового пробоя, желательно устранять различия в Vce во временном периоде Т4.
[0027] Настоящее изобретение предлагает решение описанных выше проблем. Целью настоящего изобретения является реализация схемы защиты полупроводникового переключающего элемента и устройства преобразования мощности, которые способны устранить различия напряжений коллектор-эмиттер между последовательно соединенными полупроводниковыми переключающими элементами и уменьшить риск выхода из строя полупроводникового переключающего элемента вследствие пробоя, связанного с перенапряжением, и теплового пробоя при закрытии полупроводникового переключающего элемента.
[0028] Для решения указанных выше проблем предлагается схема защиты полупроводникового переключающего элемента по п. 1 формулы изобретения для каждого из множества соединенных последовательно полупроводниковых переключающих элементов, содержащая первую схему защиты, сконфигурированную так, что катод первого лавинного элемента соединен с коллектором полупроводникового переключающего элемента, анод первого лавинного элемента соединен с катодом второго лавинного элемента, первый конденсатор и первый резистор соединены параллельно со вторым лавинным элементом, а анод второго лавинного элемента соединен с одним из выводов второго резистор; и вторую схему защиты, сконфигурированную так, что катод третьего лавинного элемента соединен с другим выводом упомянутого второго резистора, анод третьего лавинного элемента соединен с эмиттером полупроводникового переключающего элемента, один из выводов последовательного компонента, состоящего из третьего и четвертого резисторов, соединен с общей точкой соединения второго резистора и третьего лавинного элемента, а первый и второй стабилитроны соединены друг с другом последовательно в противоположной полярности между другим выводом упомянутого последовательного компонента, состоящего из третьего и четвертого резисторов, и затвором полупроводникового переключающего элемента.
[0029] Кроме того, устройство преобразования мощности по п. 5 содержит схему защиты полупроводникового переключающего элемента по любому из пп. 1-4.
[0030] В соответствии с указанной выше конфигурацией при закрытии полупроводникового переключающего элемента, когда увеличивается напряжение коллектор-эмиттер, ток коллектора может протекать в сторону первой схемы защиты вследствие лавинного пробоя первого и второго лавинных элементов. Благодаря этому полупроводниковый переключающий элемент защищается от пробоя вследствие перенапряжения. Вторая схема защиты устраняет различия в напряжениях коллектор-эмиттер каждого полупроводникового переключающего элемента, при этом устраняется бросок напряжения затвор-эмиттер каждого полупроводникового переключающего элемента.
[0031] В схеме защиты полупроводникового переключающего элемента по п. 2 второй конденсатор соединен параллельно с третьим резистором или с четвертым резистором второй схемы защиты.
[0032] В соответствии с указанной выше конфигурацией, поскольку дифференциальная схема сконфигурирована посредством параллельного соединения третьего резистора или четвертого резистора и второго конденсатора, наклон кривой напряжения затвор-эмиттер полупроводникового переключающего элемента становится крутым, и улучшается переходная характеристика. Это приводит к уменьшению потерь при переключении.
[0033] В схеме защиты полупроводникового переключающего элемента по п. 3 множество первых лавинных элементов соединены последовательно.
[0034] В схеме защиты полупроводникового переключающего элемента по п. 4 последовательно соединены множество параллельных цепей, каждая из которых содержит второй лавинный элемент, первый конденсатор и первый резистор, соединенные параллельно в первой схеме защиты.
[0035] В соответствии с указанной выше конфигурацией возможно спроектировать оптимальную схему защиты согласно характеристикам выдерживаемого напряжения каждого лавинного элемента и напряжению цепи.
(1) В соответствии с изобретением по пп. 1-5 возможно устранить различия в напряжениях коллектор-эмиттер между последовательно соединенными полупроводниковыми переключающими элементами и уменьшить риск выхода из строя полупроводникового переключающего элемента вследствие пробоя, связанного с перенапряжением, и теплового пробоя при закрытии полупроводникового переключающего элемента.
(2) В соответствии с изобретением по п. 2 наклон кривой напряжения затвор-эмиттер полупроводникового переключающего элемента становится крутым, и переходная характеристика улучшается. Это приводит к уменьшению потерь при переключении.
(3) В соответствии с изобретением по пп. 3 и 4 возможно спроектировать оптимальную схему согласно характеристикам выдерживаемого напряжения каждого лавинного элемента и напряжению цепи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0036]
На фиг. 1 показана электрическая схема, соответствующая варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показаны кривые напряжения и тока каждой части схемы, изображенной на фиг. 1.
На фиг. 3 показана электрическая схема, иллюстрирующая пример схемы защиты переключающего элемента, используемой на современном уровне техники.
На фиг. 4 показана другая электрическая схема, иллюстрирующая пример схемы защиты переключающего элемента, используемой на современном уровне техники.
На фиг. 5 показана другая электрическая схема, иллюстрирующая пример схемы защиты переключающего элемента, используемой на современном уровне техники.
На фиг. 6 показана конфигурация схемы защиты от перенапряжения, реализуемая посредством объединения схем, изображенных на фиг. 4 и 5.
На фиг. 7 показаны кривые напряжения и тока каждой части схемы, изображенной на фиг. 6.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0037] В последующем описании со ссылкой на приложенные чертежи объясняются варианты осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничено приведенными ниже вариантами осуществления. На фиг. 1 показан вариант осуществления, применимый к полупроводниковому переключающему элементу, входящему в последовательную цепь полупроводниковых переключающих элементов устройства преобразования мощности. Одинаковые элементы на фиг. 1 и фиг. 6 отмечены одинаковыми ссылками.
[0038] На фиг. 1 ссылка 50 обозначает IGBT как переключающий элемент, являющийся одним из множества IGBT, последовательно соединенных в устройстве преобразования мощности. Хотя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения IGBT используется как полупроводниковый переключающий элемент, описываемые элементы не ограничиваются данным IGBT, и могут использоваться другие переключающие элементы.
[0039] Ссылка 60 указывает на микросхему драйвера, которая выводит команду затвора (напряжение VgeO команды открытия/закрытия) в затвор IGBT 50 через резистор Rg затвора. Согласно настоящему изобретению ʺVge0=+1,5 Вʺ выводится по команде открытия, a ʺVge0=-10 Вʺ по команде закрытия.
[0040] Между коллектором и эмиттером IGBT 50 подключена последовательная цепь, состоящая из лавинных элементов D1~D5 (лавинных диодов, обладающих характеристиками лавинного пробоя), катоды которых соединены с коллектором IGBT 50, резистора R4 и лавинного элемента D6, катод которого соединен с коллектором IGBT 50. Конденсатор С1 и резистор R1 соединены параллельно между обоими выводами лавинного элемента D4, а конденсатор С2 и резистор R2 соединены параллельно между обоими выводами лавинного элемента D5.
[0041] Количество лавинных элементов D1~D3 (первый лавинный элемент согласно настоящему изобретению), соединенных последовательно, определяется характеристиками выдерживаемого напряжения каждого лавинного элемента и напряжением цепи. Хотя количество последовательно соединенных лавинных элементов в варианте осуществления настоящего изобретения равно трем, может использоваться большее количество таких элементов. Количество последовательно соединенных лавинных элементов может выбираться произвольно - от одного или более.
[0042] При закрытии IGBT 50, когда напряжение Vd1, приложенное к лавинным элементам D1~D3, превышает лавинное напряжение Vava1, определяемое характеристиками лавинных элементов D1, D2 и D3, ток I1 протекает через конденсаторы С1 и С2, и конденсаторы С1 и С2 заряжаются. Ток I1 обычно протекает через конденсаторы С1 и С2. Однако, если напряжение, приложенное к конденсаторам С1 или С2, достигает порогового значения или превышает его, ток I1 также протекает через лавинные элементы D4 и D5, параллельно соединенные, соответственно, с конденсаторами С1 и С2. В результате повышение напряжения Vce коллектор-эмиттер IGBT 50 ограничивается, и осуществляется защита от броска напряжения Vce.
[0043] Резисторы R1 и R2 предназначены для разряда накопленной электрической энергии в конденсаторах С1 и С2. Количество параллельных цепей, соединенных последовательно, каждая из которых содержит конденсатор (С1 или С2 (первый конденсатор в настоящем изобретении)), лавинный элемент (D4 или D5 (второй лавинный элемент в настоящем изобретении)) и резистор (R1 или R2 (первый резистор в настоящем изобретении)), соединенные параллельно, определяется характеристиками выдерживаемого напряжения каждого элемента и напряжением цепи. В этом варианте осуществления настоящего изобретения используются две последовательные цепи. Однако указанное количество не ограничено данным значением, и число параллельных цепей, соединенных последовательно, может определяться произвольно, пока имеется одна или более последовательных цепей.
[0044] Первая схема защиты согласно настоящему изобретению сконфигурирована посредством этих лавинных элементов D1~D5, конденсаторов С1 и С2 и резисторов R1, R2 и R4.
[0045] Один вывод резистора R5 (третьего резистора в настоящем изобретении) подключен к общей точке соединения резистора R4 (второго резистора в настоящем изобретении) и лавинного элемента D6 (третьего лавинного элемента в настоящем изобретении).
[0046] Другой вывод резистора R5 соединен с одним из выводов резистора R6 (четвертого резистора в настоящем изобретении). Конденсатор С3 (второй конденсатор в настоящем изобретении) параллельно соединен с резистором R6.
[0047] Другой вывод резистора R6 соединен с катодом стабилитрона ZD2 (второй стабилитрон в настоящем изобретении) через анод и катод стабилитрона ZD1 (первый стабилитрон в настоящем изобретении). Анод стабилитрона ZD2 соединен с затвором IGBT 50.
[0048] Вторая схема защиты согласно настоящему изобретению содержит резисторы R5 и R6, конденсатор С3, стабилитроны ZD1 и ZD2 и лавинный элемент D6.
[0049] Стабилитроны ZD1 и ZD2 используются для подавления обратного тока, протекающего на выход микросхемы 60 драйвера при открытии IGBT 50, и для уменьшения напряжений, приложенных к резисторам R5 и R6 и конденсатору С3. Такое уменьшение приложенного напряжения позволяет уменьшить размер резисторов R5 и R6 и конденсатора С3. Кроме того, стабилитроны ZD1 и ZD2 совместно с лавинным элементом D6 выполняют функцию подавления броска напряжения Vge затвор-эмиттер IGBT 50.
[0050] Резистор R4 выполняет функцию ограничения тока I1. Резисторы R5 и R6 и конденсатор С3 выполняют функцию ограничения тока I2.
[0051] В данном случае путем использования дифференциальной схемы, образованной путем параллельного соединения резистора R6 и конденсатора С3, наклон кривой напряжения Vge затвор-эмиттер IGBT 50 становится крутым, и улучшается переходная характеристика. Это приводит к уменьшению потерь при переключении.
[0052] На фиг. 2 показаны кривые напряжения и тока в каждой части схемы, изображенной на фиг. 1, при закрытии IGBT 50. На фиг. 1 и 2 I1 обозначает ток, протекающий через лавинные элементы D1D5, конденсаторы С1 и С2 и резистор R4. I2 обозначает ток, ответвляющийся от I1 и поступающий в затвор IGBT 50 через резисторы R5 и R6, конденсатор С3 и стабилитроны ZD1 и ZD2. I3 обозначает ток, ответвляющийся от I1 и протекающий через лавинный элемент D6.
[0053] Ниже разъясняются операции, выполняемые в каждый временной период, показанный на фиг. 2.
[0054] <Временной период Т1>
Вначале, когда выходной сигнал микросхемы 60 драйвера соответствует команде закрытия, и ʺVge0=-10 Вʺ выводится в момент времени t1, напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50 уменьшается, и IGBT 50 закрывается. Напряжение Vce коллектор-эмиттер затем увеличивается с определенной крутизной. С увеличением напряжения Vce коллектор-эмиттер также увеличивается напряжение Vd1, приложенное к последовательной цепи лавинных элементов D1, D2 и D3.
[0055] <Временной период Т2>
Когда напряжение Vd1 достигает лавинного напряжения Vava1, определяемого характеристиками лавинных элементов D1, D2 и D3, в момент времени t2, ток I1 протекает через лавинные элементы D1~D3, конденсаторы С1 и С2 и резистор R4 в результате лавинного пробоя. Затем, когда напряжение (Vc1) на конденсаторе С1 или С2, достигает порогового значения или превышает его в течение временного периода t2-t3, ток I1 протекает через лавинные элементы D4 и D5, параллельно соединенные, соответственно, с конденсаторами С1 и С2. В результате повышение напряжения Vce коллектор-эмиттер IGBT 50 ограничивается, и осуществляется защита от перенапряжения.
[0056] Ток I2, текущий в затвор IGBT 50, протекает так, что общее напряжение (сумма напряжений, приложенных к резисторам R5, R6 и стабилитронам ZD1, ZD2) уравновешивается напряжением Vd2, приложенным к лавинному элементу D6. Вследствие этого напряжение Vge затвор эмиттер IGBT 50 снова возрастает.
[0057] Когда приложенное напряжение Vd2 достигает уровня лавинного напряжения Vava2, которое определяется характеристиками лавинного элемента D6, ток I3 протекает через лавинный элемент D6. Увеличение тока I2 затем ограничивается, и уровень I2 немного уменьшается. Когда напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50 увеличивается до заранее определенного значения вследствие взаимосвязи разности потенциалов между Vd2 и Vge, I2 падает до 0 (I2=0), и I1 падает до 0 (I1=0). Поскольку ʺI1=0ʺ, I3 падает до 0 (I3=0) (в момент времени t3).
[0058] <Временной период Т3>
Напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50, которое увеличилось в результате действий, выполненных во временном периоде Т2, постепенно уменьшается, начиная с момента времени t3 вследствие операции разряда микросхемы 60 драйвера, выводящей ʺVge0=-10 Vʺ. В то же время напряжение Vce коллектор-эмиттер закрытого IGBT 50 увеличивается с уменьшением Vge. В результате увеличения Vce напряжение Vd1, приложенное к лавинным элементам D1~D3, также увеличивается.
[0059] <Временной период Т4
Когда приложенное напряжение Vd1 снова достигает лавинного напряжения Vava1 в момент времени t4, снова начинает протекать ток I1. Поскольку амплитуда тока I1 в этот момент меньше, чем во временной период Т2, напряжение Vd2, приложенное к лавинному элементу D6, не достигает лавинного напряжения Vava2 лавинного элемента D6, и ток не протекает в лавинный элемент D6, то есть ʺI3=0ʺ.
[0060] Таким образом, протекает ток ʺI2=I1ʺ, и напряжение Vge затвор-эмиттер IGBT 50 возрастает. Вследствие увеличения напряжения Vge затвор-эмиттер IGBT 50 импеданс между коллектором и эмиттером IGBT 50 уменьшается, затем устанавливается баланс напряжения коллектор-эмиттер между множеством IGBT, соединенных последовательно. Кроме того, такая регулировка приводит во временном периоде Т4 к устранению различий в пиковых напряжениях Vcepeak коллектор-эмиттер между IGBT, соединенными последовательно.
[0061] Как объяснялось выше, согласно настоящему изобретению ток I3 не протекает во временном периоде Т4. Таким образом, на ток I2 каждого из IGBT, соединенных последовательно, не воздействует ток I3. Соответственно, в сравнение с показанной на фиг. 6 схемой, используемой на современном уровне техники, в которой ток I3 протекает во временном периоде Т4 и устраняются различия в токах I2, в настоящем изобретении достигается эффект дальнейшего устранения различий в напряжениях Vce коллектор-эмиттер каждого из IGBT, соединенных последовательно, во временном периоде Т4.
[0062] Согласно настоящему изобретению можно устранить различия в напряжениях Vce коллектор-эмиттер каждого из переключающих элементов, соединенных последовательно, и в то же время избежать броска напряжения Vge затвор-эмиттер при закрытии переключающего элемента, такого как IGBT, в последовательной цепи. Благодаря этому
(1) возможно уменьшить риск выхода из строя переключающего элемента вследствие пробоя, связанного с броском напряжения Vce.
[0063]
(2) Возможно также устранить дисбаланс потерь при переключении переключающих элементов, соединенных последовательно, и уменьшить риск выхода из строя полупроводникового переключающего элемента вследствие теплового пробоя.

Claims (12)

1. Схема защиты, обеспечиваемая для каждого из множества соединенных последовательно полупроводниковых переключающих элементов, содержащая:
первую схему защиты, сконфигурированную так, что катод первого лавинного элемента соединен с коллектором полупроводникового переключающего элемента, анод первого лавинного элемента соединен с катодом второго лавинного элемента, первый конденсатор и первый резистор соединены параллельно со вторым лавинным элементом, а анод второго лавинного элемента соединен с одним из выводов второго резистора;
вторую схему защиты, сконфигурированную так, что катод третьего лавинного элемента соединен с другим выводом упомянутого второго резистора, анод третьего лавинного элемента соединен с эмиттером полупроводникового переключающего элемента, один из выводов последовательного компонента, состоящего из третьего и четвертого резисторов, соединен с общей точкой соединения второго резистора и третьего лавинного элемента, а первый и второй стабилитроны соединены друг с другом последовательно в противоположной полярности между другим выводом упомянутого последовательного компонента, состоящего из третьего и четвертого резисторов, и затвором полупроводникового переключающего элемента; и
микросхему драйвера, сконфигурированную для вывода команды открытия затвора и команды закрытия затвора в затвор полупроводникового переключающего элемента для переключения этого элемента.
2. Схема защиты по п. 1, в которой
второй конденсатор соединен параллельно с третьим резистором или с четвертым резистором второй схемы защиты.
3. Схема защиты по п. 1, в которой
первый лавинный элемент содержит множество лавинных элементов, соединенных последовательно.
4. Схема защиты по п. 1, в которой
в первой схеме защиты второй лавинный элемент содержит множество лавинных элементов, соединенных последовательно, к каждому из которых параллельно подключены первый конденсатор и первый резистор.
5. Устройство преобразования мощности, содержащее:
схему защиты для полупроводникового переключающего элемента по любому из пп. 1-4.
RU2016119940A 2013-11-08 2014-11-06 Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности RU2641479C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-231641 2013-11-08
JP2013231641A JP6156073B2 (ja) 2013-11-08 2013-11-08 半導体スイッチング素子の保護回路および電力変換装置
PCT/JP2014/079410 WO2015068755A1 (ja) 2013-11-08 2014-11-06 半導体スイッチング素子の保護回路および電力変換装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016119940A RU2016119940A (ru) 2017-12-13
RU2641479C2 true RU2641479C2 (ru) 2018-01-17

Family

ID=53041532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119940A RU2641479C2 (ru) 2013-11-08 2014-11-06 Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10014763B2 (ru)
EP (1) EP3068051B1 (ru)
JP (1) JP6156073B2 (ru)
BR (1) BR112016010471B1 (ru)
RU (1) RU2641479C2 (ru)
WO (1) WO2015068755A1 (ru)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6312946B1 (ja) * 2017-03-30 2018-04-18 三菱電機株式会社 電力用半導体素子の駆動回路およびモータ駆動装置
CN107835002B (zh) * 2017-09-20 2024-03-12 同方威视技术股份有限公司 固态脉冲调制器中的保护电路、振荡补偿电路和供电电路
JP6985600B2 (ja) * 2018-01-25 2021-12-22 富士通株式会社 波形成形回路、半導体装置及びスイッチング電源装置
CN113889994B (zh) * 2021-10-09 2024-04-12 富芯微电子有限公司 一种igbt过压保护装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003023769A (ja) * 2001-07-06 2003-01-24 Sansha Electric Mfg Co Ltd 電力用半導体モジュール
US20030086227A1 (en) * 2001-11-05 2003-05-08 Alstom Device for protecting a power component against voltage surges
RU2208290C2 (ru) * 1997-06-10 2003-07-10 Ой Лексел Финланд Аб Способ и контур защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами
US20070159751A1 (en) * 2006-01-08 2007-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Power conversion device
US8283896B1 (en) * 2009-06-03 2012-10-09 Polarity, Inc. Method and system for charging and discharging high-voltage energy storage devices
JP2013207553A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Denso Corp 半導体装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19640433C2 (de) * 1996-09-30 2000-10-12 Siemens Ag Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher
JP3462032B2 (ja) 1997-03-04 2003-11-05 株式会社東芝 電力変換装置
JP3632385B2 (ja) 1997-07-30 2005-03-23 株式会社デンソー 誘導性負荷の駆動回路
DE19740540C1 (de) 1997-09-15 1999-03-18 Siemens Ag Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen bei Leistungshalbleitern
US5920224A (en) * 1998-02-17 1999-07-06 Harris Corporation Network for improving electro-magnetic interference response
JP3255147B2 (ja) * 1998-06-19 2002-02-12 株式会社デンソー 絶縁ゲート型トランジスタのサージ保護回路
JP3598933B2 (ja) 2000-02-28 2004-12-08 株式会社日立製作所 電力変換装置
JP5309923B2 (ja) 2008-11-21 2013-10-09 富士電機株式会社 半導体素子の駆動回路
US9030855B2 (en) * 2011-07-14 2015-05-12 Macronix International Co., Ltd. Semiconductor device, start-up circuit having first and second circuits and a single voltage output terminal coupled to a second node between the semiconductor unit and the first circuit, and operating method for the same
US8780516B2 (en) * 2012-05-08 2014-07-15 General Electric Conpany Systems, methods, and apparatus for voltage clamp circuits

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2208290C2 (ru) * 1997-06-10 2003-07-10 Ой Лексел Финланд Аб Способ и контур защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами
JP2003023769A (ja) * 2001-07-06 2003-01-24 Sansha Electric Mfg Co Ltd 電力用半導体モジュール
US20030086227A1 (en) * 2001-11-05 2003-05-08 Alstom Device for protecting a power component against voltage surges
US20070159751A1 (en) * 2006-01-08 2007-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Power conversion device
US8283896B1 (en) * 2009-06-03 2012-10-09 Polarity, Inc. Method and system for charging and discharging high-voltage energy storage devices
JP2013207553A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Denso Corp 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3068051A4 (en) 2017-06-28
JP2015092790A (ja) 2015-05-14
EP3068051B1 (en) 2019-08-07
US10014763B2 (en) 2018-07-03
US20160276921A1 (en) 2016-09-22
BR112016010471A2 (ru) 2017-08-08
RU2016119940A (ru) 2017-12-13
EP3068051A1 (en) 2016-09-14
WO2015068755A1 (ja) 2015-05-14
JP6156073B2 (ja) 2017-07-05
BR112016010471B1 (pt) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10897254B2 (en) Power semiconductor drive circuit, power semiconductor circuit, and power module circuit device
US20190393871A1 (en) Cascode switches including normally-off and normally-on devices and circuits comprising the switches
KR101723358B1 (ko) 스위칭 소자 구동 회로, 파워 모듈 및 자동차
US9019000B2 (en) Driver circuit having a storage device for driving switching device
CN103124170B (zh) 功率半导体器件驱动电路
US20130214824A1 (en) Driving circuit
RU2641479C2 (ru) Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности
KR20110123169A (ko) 스위칭 게이트 드라이브
CN104604134A (zh) 半导体装置
TW201340579A (zh) 半導體開關及電力轉換裝置
CN109314509A (zh) 驱动装置
US9621069B2 (en) Rectifier with voltage detection and controllable output path
US8670220B2 (en) Protection circuit for a cascode switch, and a method of protecting a cascode switch
WO2020135356A1 (zh) 一种保护电路及电池管理***
US9742404B2 (en) Level shifter circuit with improved time response and control method thereof
Maerz et al. A novel gate drive concept to eliminate parasitic turn-on of SiC MOSFET in low inductance power modules
JP5563050B2 (ja) ゲート駆動回路、およびパワー半導体モジュール
JP7038633B2 (ja) 電力変換装置
TWI846201B (zh) 用於電源轉換設備的控制裝置
Jerinic et al. IGBT power module in three-level neutral point clamped type 2 (NPC2, T-NPC, mixed voltage) topology in short circuit modes
Evans et al. Active control of series connected, voltage driven power devices using a single gate drive
Negi Two-stage Active Gate Driver for SiC MOSFET.
Duan et al. DPT of ANPC Three-Level Converters Based on GaN HEMT
TW202425513A (zh) 用於電源轉換設備的控制裝置
Pengfei et al. Design of low voltage and high current drive circuit based on MOSFET and analysis of key problems