功率半导体器件的过压保护电路和过压保护方法与流程

本发明涉及电气工程技术领域，特别是涉及功率半导体器件的过压保护电路和过压保护方法。

背景技术：

功率半导体(Power Semiconductor)器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件。电力电子变换装置具有功率处理功能。典型的功率处理功能包括逆变、整流、斩波等。

功率半导体器件的换流回路通常难以避免杂散电感。杂散电感包括回路母线寄生电感和器件内部的端子杂散电感。当功率半导体器件被关断(turn off)时，流经杂散电感的电流变化率较大，从而产生峰值过冲电压(peak overshoot voltage)。峰值过冲电压和直流母线电压施加到功率半导体器件上，可能导致功率半导体器件因为过压而失效。因此，如何降低关断功率半导体器件时的峰值过冲电压对于保护功率半导体器件具有重大意义。

在现有技术中，通常采用瞬变电压抑制(TVS)二极管来抑制关断功率半导体器件时的峰值过冲电压。然而，TVS二极管的击穿功率损失较大。而且，TVS二极管的击穿电压个体差异较大且不可按需要被调节，因此难以精确抑制峰值过冲电压。

技术实现要素：

本发明实施方式提出功率半导体器件的过压保护电路和过压保护方法，从而降低功率损失。

本发明实施方式的技术方案如下：

本发明实施方式提出一种功率半导体器件的过压保护电路，该过压保护电路包括：

一比较器，用于比较预先设置的一基准电压值与所述功率半导体器件的一关断电压的一采样值，其中当所述采样值大于所述基准电压值时，发送一控制信号；

一驱动模块，用于基于所述控制信号降低所述功率半导体器件的一关断速度。

根据一种实施方式，所述功率半导体器件为一绝缘栅双极型晶体管，所述关断电压为所述绝缘栅双极型晶体管被关断时一集电极与一发射极之间的电压；或

所述功率半导体器件为一金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述关断电压为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管被关断时一漏极与一源极之间的电压。

根据一种实施方式，所述比较器为一滞回比较器；所述滞回比较器的一同相输入端与一输出端之间串联一可调电阻器。

根据一种实施方式，该驱动模块与所述功率半导体器件的一门极连接。

根据一种实施方式，该驱动模块为一推挽输出电路，所述推挽输出电路包括一NPN晶体管与一PNP晶体管。

根据一种实施方式，所述NPN晶体管的一基极与所述PNP晶体管的一基极分别与一电容器连接，该电容器与所述比较器的一输出端连接。

本发明实施方式还提出一种功率半导体器件的过压保护方法，该方法包括：

获取一功率半导体器件的一关断电压的一采样值；

比较预先设置的一基准电压值与所述采样值，其中当所述关采样值大于所述基准电压值时，发送一控制信号；

基于所述控制信号降低所述功率半导体器件的一关断速度。

根据一种实施方式，所述基于控制信号降低所述功率半导体器件的关断速度包括：

基于所述控制信号提升所述功率半导体器件的门极电压。

根据一种实施方式，所述功率半导体器件为一绝缘栅双极型晶体管，所述关断电压为所述绝缘栅双极型晶体管被关断时一集电极与一发射极之间的电压；或

所述功率半导体器件为一金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述关断电压为所述金属-氧化物半导体场效应晶体管被关断时一漏极与一源极之间的电压。

根据一种实施方式，所述基准电压值是可调的。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，过压保护电路包括：比较器，用于比较预先设置的基准电压值与功率半导体器件的关断电压的采样值，其中当关断电压的采样值大于基准电压值时，发送控制信号；驱动模块，用于基于控制信号降低功率半导体器件的关断速度。可见，由于本发明采用比较器而不采用TVS二极管，可以避免TVS二极管的击穿功率损失。

而且，在一种实施方式中，比较器的基准电压值优选是可调的，因此本发明的一种实施例还可以精确抑制峰值过冲电压。另外，本发明的其他实施例还可以降低或克服比较器的输出振荡。

附图说明

图1为根据本发明的功率半导体器件的过压保护电路的结构图；

图2为根据本发明第一实施方式的功率半导体器件的过压保护电路的应用结构图；

图3为根据本发明第二实施方式的功率半导体器件的过压保护电路的应用结构图；

图4为根据本发明的功率半导体器件的过压保护方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细 说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

图1为根据本发明的功率半导体器件的过压保护电路的结构图。该过压保护电路10用于保护功率半导体器件20。

如图1所示，该过压保护电路10包括：

比较器11，用于比较预先设置的基准电压值与功率半导体器件20的关断电压的采样值，其中当关断电压的采样值大于基准电压值时，发送控制信号；

驱动模块12，用于基于控制信号降低功率半导体器件20的关断速度。

可见，在本发明一个实施方式中，采用比较器而不采用TVS二极管实现功率半导体器件的过压保护。本发明实施方式无需击穿比较器，从而避免了TVS二极管被击穿所导致的击穿功率损失，因此相比采用TVS二极管的现有技术可以降低功率损失。

在一个实施方式中，功率半导体器件20具体实施为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。关断电压为IGBT被关断时集电极与发射极之间的电压。驱动模块12与IGBT的门极连接。当IGBT的关断电压的采样值大于基准电压值时，比较器11发送控制信号。驱动模块12基于控制信号提升IGBT的门极电压，从而降低IGBT的关断速度。IGBT的关断速度被降低，流经杂散电感的电流变化率相应降低，从而IGBT的集电极与发射极之间的峰值过冲电压也被降低。

可见，在本发明一个实施方式中，将IGBT被关断时集电极与发射极之间的电压与基准电压值进行比较，并基于比较结果控制IGBT的门极电压，从而可以降低IGBT被关断时集电极与发射极之间的峰值过冲电压。

在一个实施方式中，功率半导体器件20具体实施为金属-氧化物半导体场效应(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)晶体管。关断电压为MOSFET被关断时漏极与源极之间的电压。驱动模块12与MOSFET的门极连接。当MOSFET的关断电压的采样值大于基准电压值时，比较器11发送控制信号。驱动模块12基于控制信号提升MOSFET的门极电压，从而降低MOSFET的关断速度。MOSFET的关断速度被降低，流经杂散电感的电流变化率相应降低，从而MOSFET的漏极与源极之间的峰值过冲电压也被降低。

可见，在本发明一个实施方式中，将MOSFET被关断时漏极与源极之间的电压与基准电压值进行比较，并基于比较结果控制MOSFET的门极电压，从而可以降低MOSFET被关断时漏极与源极之间的峰值过冲电压。

以上以IGBT和MOSFET为实例详细描述了本发明。实际上，本领域技术人员可以意识到，本发明并不局限于IGBT和MOSFET，而是可以适用于任意的全控型功率半导体器件，包括并不局限于：静电感应晶闸管(SITH)、MOS控制晶闸管(MCT)、门极可关断晶闸管(GTO)或电力晶体管(GTR)，等等。

在一个实施方式中，驱动模块12为推挽输出电路。推挽输出电路的输出端与功率半导体器件20的门极连接。推挽输出电路包括NPN晶体管与PNP晶体管。NPN晶体管的基极和PNP晶体管的基极分别与电容器连接。该电容器与比较器11的输出端连接。当比较器11输出控制信号(如低电平到高电平的脉冲信号)时，电容器产生电流脉冲。电容器产生的电流脉冲流入功率半导体器件20的门极，功率半导体器件20的门极电压得到提升，因此功率半导体器件20的关断速度被降低，从而功率半导体器件20的峰值过冲电压被降低。

可见，本发明一个实施方式中，利用NPN型和PNP型三极管的互补特性，比较器11输出的控制信号可以同时激励NPN型和PNP型三极管以提升功率半导体器件20的门极电压，从而降低了元件数目，并降低了成本。

在一个实施方式中，，比较器11的基准电压值是可调的，因此本发明的一种实施方式还可以精确抑制峰值过冲电压。比如，当在某应用中需要抑制600V以上的峰值过冲电压，则将比较器11的基准电压值设置为与600V对应的电平；当在另一应用中要抑制700V以上的峰值过冲电压，则将比较器11的基准电压值设置为与700V对应的电平。

由于比较器11的输入端通常叠加有很小的波动，这些波动所产生的差模电压可能导致比较器11的输出发生连续变化并产生输出振荡。为了降低或克服比较器11的输出振荡，可以将比较器11具体实施为滞回比较器。

在一个实施方式中，比较器11具体实施为滞回比较器。该滞回比较器的同相输入端与输出端之间串联有优选为可调电阻器的电阻。应用滞回比较器后，本发明的一个实施方式可以降低或克服比较器11的输出振荡。

可以在多种功率半导体器件的具体实施中，应用图1所示的过压保护电路实现过压保护。与MOSFET相比，IGBT更常用于高电压和高电流电路，尤其是大容量电源应用，因此本发明实施方式尤其适用于IGBT应用。

下面以IGBT应用为例，详细说明本发明的示范性实施方式。

图2为根据本发明第一实施方式的功率半导体器件的过压保护电路的应用结构图。

图2示出示范性的IGBT半桥臂针对下管(bottom)IGBT的保护电路。该IGBT半桥臂包括下管IGBT 和上管(top)IGBT。端子A是IGBT半桥臂的输出。一个NPN晶体管和一个PNP晶体管共同构成推挽输出的IGBT门极驱动电路。电阻Rg为IGBT门极驱动电阻；Ls为杂散电感。

下管IGBT和上管IGBT互补工作。比较器的同相(即“+”)输入端通过连接电阻R2接地。同相输入端还依次串联连接R1和二极管D1。二极管D1与下管IGBT的集电极(c1)连接。二极管D1还与上管IGBT的发射极(e2)连接。比较器的反相(即“－”)输入端依次串联连接电阻R3和电源VCC，并经电阻R4接至参考地。通过调整电阻R3和电阻R4的电阻值，可以调整反相输入端的基准电压值。通过调整电阻R1和R2的电阻值，可以调整下管IGBT关断电压的采样值。

当下管IGBT关断时，上管IGBT打开，下管IGBT的集电极(c1)电压上升。如果同相输入端的采样值大于反相输入端的基准电压值，比较器产生一个低到高的电平跃变信号。通过输出电容器C1产生流入IGBT门极驱动电路的电流脉冲。下管IGBT的门极(g1)电压被提升，下管IGBT的关断速度被降低。随着下管IGBT的关断速度降低，流经杂散电感Ls的电流变化率也相应降低，因此下管IGBT的集电极峰值过冲电压得到降低，从而针对下管IGBT实现了关断时的过压保护。

图3为根据本发明第二实施方式的功率半导体器件的过压保护电路的结构图。

图3中示出示范性的IGBT半桥臂针对下管IGBT的保护电路。该IGBT半桥臂包括下管IGBT和上管IGBT。端子A是IGBT半桥臂的输出。一个NPN晶体管和一个PNP晶体管共同构成推挽输出的IGBT门极驱动电路。电阻Rg为IGBT门极驱动电阻；Ls为杂散电感。

下管IGBT和上管IGBT互补工作。比较器的同相(即“+”)输入端串联通过电阻R2接地。同相输入端还依次串联连接R1和二极管D1。二极管D1与下管IGBT的集电极(c1)连接。二极管D1还与上管IGBT的发射极(e2)连接。

为了降低或克服输出振荡，比较器11具体实施为滞回比较器。该滞回比较器的同相输入端与输出端之间串联有电阻器R5。该电阻器R5可以实施为具有固定阻值的固定电阻，也可以实施为阻值可调的电位器。滞回比较器的反相输入端依次串联连接电阻R3和电源VCC，并通过电阻R4接至参考地。通过调整电阻R3和电阻R4的电阻值，可以调整反相输入端的基准电压值。通过调整电阻R1和R2的取值，可以调整下管IGBT关断电压的采样值。滞回比较器的高电压门限值(VTPIP+)和低电压门限值(VTPIP-)之差即为滞回比较器的滞回电压。通过调整电阻R5的取值，可以调整VTPIP+和VTPIP-。

当下管IGBT关断时，上管IGBT打开，下管IGBT的集电极电压上升。如果同相输入端的电压在逐渐升高的过程中大于VTPIP+，或同相输入端的电压在逐渐降低的过程中大于滞回比较器的低电压门限值(VTPIP-)，比较器产生一个低到高的电平跃变信号。通过输出电容器C1将产生流入IGBT门极驱动电路的电流脉冲。下管IGBT的门极(g1)电压提升，下管IGBT的关断速度将被降低。随着下管IGBT的关断速度被降低，流经杂散电感Ls的电流变化率降低，因此下管IGBT的集电极峰值过冲电压也得到了降低，从而针对下管IGBT实现了关断时的过压保护。

以上以IGBT为实例详细描述了本发明。类似地，当将本发明应用到MOSTFT中时，关断电压为MOSTFT被关断时漏极与源极之间的电压。

基于上述分析，本发明还提出了一种功率半导体器件的过压保护方法。

图4为根据本发明的功率半导体器件的过压保护方法的流程图。

如图4所示，该方法包括：

步骤401：获取功率半导体器件的关断电压的采样值。

步骤402：比较预先设置的基准电压值与功率半导体器件的关断电压的采样值，其中当关断电压的采样值大于基准电压值时，发送控制信号。

步骤403：基于控制信号降低功率半导体器件的关断速度。

在一个实施方式中，步骤403中基于控制信号降低功率半导体器件的关断速度包括：

基于控制信号提升功率半导体器件的门极电压。

在一个实施方式中，功率半导体器件为IGBT，关断电压为绝缘栅双极型晶体管被关断时集电极与发射极之间的电压；或

功率半导体器件为MOSFET，关断电压为MOSFET被关断时漏极与源极之间的电压。

在一个实施方式中，基准电压值是可调的。

可以遵循一定规范的应用程序接口，将本发明实施方式所提出的功率半导体器件的过压保护方法编写为安装到个人电脑或功率半导体器件控制元件等中的插件程序，也可以将其封装为应用程序以供用户自行下载使用。可以通过指令或指令集存储的储存方式将本发明实施方式所提出的功率半导体器件的过压保护方法存储在各种存储介质上。这些存储介质包括但是不局限于：软盘、光盘、DVD、硬盘、闪存等。另外，还可以将本发明实施方式所提出的功率半导体器件的过压保护方法应用到基于闪存(Nand flash)的存储介质中，比如U盘、CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、记忆棒、xD卡等。

综上所述，在本发明实施方式中，过压保护电路包括：比较器，用于比较预先设置的基准电压值与功率半导体器件的关断电压的采样值，其中当关断电压的采样值大于基准电压值时，发送控制信号；驱动模块，用于基于控制信号降低功率半导体器件的关断速度。可见，由于本发明采用比较器而并不采用TVS二极管，可以避免TVS二极管的击穿功率损失。

而且，比较器的基准电压值优选是可调的，因此本发明所提供的实施例还可以精确抑制峰值过冲电压。另外，本发明所提供的实施例还可以降低或克服比较器的输出振荡。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。