一种功率半导体器件的驱动和控制电路及方法

1.本公开实施例涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于电流测量的门极换流晶闸管的驱动和控制电路及方法。


背景技术：

2.如图1所示，现有igct的驱动电路包括：gct芯片1、关断电路储能电容14、关断电路开关元件15和开通电路2，其中，gct芯片1包括gct芯片阳极11、gct芯片阴极12、gct芯片门极13；现有igct驱动通常采用电容组向门极施加反压的方式强迫换流实现关断，但是电容组的电压受限于gct芯片的门阴极反向耐压，不能过高。当需要关断较大电流时，由于回路杂散电感的存在，现有的较低电容组电压无法在阳极电压建立之前完成换流，从而造成关断失效。因此，现有igct驱动存在关断电流的理论上限。
3.在不考虑门阴极反向击穿的前提下，电容组的预充电电压越高，驱动的关断能力越强，但是单次关断产生的损耗越大。
4.在现有技术[cn111669160a]中，给出了一种gct器件的关断电路，借助大于门阴极反偏电压安全阈值的功率电路在动态关断状态下向门阴极提供反偏电压，之后在静态时借助控制电路向门阴极提供低于反偏电压安全阈值的电压。此技术的有利效果是减小电容组的容量，提升寿命。从效果来看，若关断较大电流，在动态关断阶段施加较大的反偏电压有助于加快换流速度，提升驱动整体的关断能力；但是在关断小电流时，动态关断阶段持续时间极短，施加的反偏电压会导致门阴极短时击穿，对gct芯片造成损伤，极大降低了器件整体可靠性。从实际应用来看，不能在不知道关断电流的前提下盲目地向门阴极提供高于反偏电压安全阈值的电压，上述技术在实用性方面稍有欠缺。


技术实现要素：

[0005]
本公开实施例提供一种功率半导体器件的驱动和控制电路及方法，以解决或缓解现有技术中的以上一个或多个技术问题。
[0006]
根据本公开的一个方面，提供一种功率半导体器件驱动及控制电路，包括：连接于功率半导体器件门极和阴极之间的开通电路、第一关断电路和第二关断电路，还包括电流检测电路和控制电路；
[0007]
所述开通电路用于向功率半导体器件门极注入开通触发电流；
[0008]
第一关断电路和第二关断电路用于向功率半导体器件的门极和阴极施加反偏电压，使功率半导体器件关断；
[0009]
电流检测电路用于检测功率半导体器件关断时刻的阳极电流或阴极电流并上报至控制电路；
[0010]
控制电路用于根据电流检测电路的的检测结果，使能第一关断电路和/或第二关断电路。
[0011]
在一种可能的实现方式中，所述第一关断电路包括串联的第一电容组、第一开关
元件和第一二极管。
[0012]
在一种可能的实现方式中，所述第二关断电路包括串联的第二电容组和第二开关元件；
[0013]
或，所述第二关断电路包括串联的第二电容组、第二开关元件和第二二极管；
[0014]
所述第二电容组的预充电电压高于第一电容组。
[0015]
在一种可能的实现方式中，所述电流检测电路直接测量阳极电流或阴极电流；
[0016]
或，所述电流检测电路通过测量各组件上的压降间接计算出阳极电流或阴极电流值；各组件包括gct器件阳极、gct器件门阴极、串联在gct器件阳极或阴极上的电阻；
[0017]
所述电流检测电路包括电流霍尔、罗氏线圈或巨磁阻传感器。
[0018]
在一种可能的实现方式中，还包括连接于功率半导体器件门极和阴极之间的n个第n关断电路，n≥1，n＝n 2。
[0019]
在一种可能的实现方式中，所述第n关断电路包括串联的第n电容组、第n开关元件和第n二极管。
[0020]
在一种可能的实现方式中，所述第一电容组、n个第n电容组和第二电容组的预充电电压逐次提高。
[0021]
在一种可能的实现方式中，所述控制电路用于根据电流检测电路的的检测结果，使能第一关断电路、第二关断电路、n个第n关断电路中的任意一个或多个。
[0022]
在一种可能的实现方式中，还包括连接于第二关断电路上的补能电路，所述补能电路用于实现第二关断电路的补能；所述补能电路包括第零电容组、第零开关元件和第零二极管；在第二电容组正常充电时，第零电容组通过第零二极管同步实现充电，达到与第二电容组相同的电压；在第二电容组放电时，第零二极管承受反压并防止第零电容组放电；在第二电容组需要快速充电时，第零开关元件导通并由第零电容组向第二电容组充电。
[0023]
在一种可能的实现方式中，还包括分别连接于n个第n关断电路上的补能电路，用于分别实现n个第n关断电路的补能。
[0024]
在一种可能的实现方式中，所述功率半导体器件为门极换流晶闸管。
[0025]
根据本公开的一个方面，一种功率半导体器件驱动及控制方法，基于上述任一项所述的功率半导体器件驱动及控制电路，包括：
[0026]
当检测到功率半导体器件的关断电流小于第一电流阈值时，只使能第一开关元件，利用第一关断电路完成换流；
[0027]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第一电流阈值且小于第二电流阈值时，同时使能第一开关元件和第二开关元件，利用第一关断电路和第二关断电路完成换流；
[0028]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第二电流阈值时，不使能任何开关元件。
[0029]
在一种可能的实现方式中，包括：当检测到功率半导体器件关断电流大于第n电流阈值且小于第n 1电流阈值时，同时使能第一开关元件至第n 1开关元件，利用第一关断电路至第n 1关断电路完成换流；
[0030]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第n电流阈值且小于第二电流阈值时，同时使能所有开关元件，利用全部关断电路完成换流；当检测到关断电流大于第二电流阈值时，不使能任何开关元件。
[0031]
在一种可能的实现方式中，包括：
[0032]
当关断动作完成后，若第二关断电路被使能，在拖尾结束之后取消使能第二关断电路，并使能补能电路，在功率半导体器件下次开通之前取消使能补能电路。
[0033]
本公开的示例性实施例具有以下有益效果：本公开的示例性实施例，利用不同预充电电压的电容组强迫门极换流晶闸管的换流，解决大电流关断下换流速度不足的问题，大幅提升门极换流晶闸管的电流关断能力。同时，借助电流检测电路，针对不同的关断电流启用不同的关断电路，规避小电流关断时门阴极击穿的风险，同时可以减小较小电流关断时驱动的功率。
[0034]
本技术的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本技术的其它特征和优点将从说明书附图变得明显。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
[0035]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。
[0036]
图1是现有igct的驱动电路示意图；
[0037]
图2是本发明示例性实施例一给出的驱动电路原理框图；
[0038]
图3是本发明示例性实施例二给出的驱动电路图；
[0039]
图4是本发明示例性实施例三给出的驱动电路图；
[0040]
图5是本发明示例性实施例四给出的驱动电路图；
[0041]
图6是本发明给出的补能电路图；
[0042]
图7是本发明给出的一种功率半导体器件驱动及控制方法的流程图；
[0043]
图中：1、gct芯片；11、gct芯片阳极；12、gct芯片阴极；13、gct芯片门极；14、关断电路储能电容；15、关断电路开关元件；2、开通电路；3、第一关断电路；31、第一电容组；32、第一开关元件；33、第一二极管；4、第二关断电路；41、第二电容组；42、第二开关元件；43、第二二极管；5、第三关断电路；51、第三电容组；52、第三开关元件；53、第三二极管；6、第n关断电路；61、第n电容组；62、第n开关元件；63、第n二极管；7、补能电路；71、第零电容组；72、第零开关元件；73、第零二极管。
具体实施方式
[0044]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
[0045]
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件单元或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0046]
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0047]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0048]
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或子模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或子模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或子模块。
[0049]
图2是本发明示例性实施例一给出的驱动电路原理框图；如图2所示，本公开的示例性实施例提供了一种功率半导体器件驱动及控制电路，包括：
[0050]
连接于功率半导体器件门极和阴极之间的开通电路、第一关断电路和第二关断电路，还包括电流检测电路和控制电路；
[0051]
所述开通电路用于向功率半导体器件门极注入开通触发电流；
[0052]
第一关断电路和第二关断电路用于向功率半导体器件的门极和阴极施加反偏电压，使功率半导体器件关断；
[0053]
电流检测电路用于检测功率半导体器件关断时刻的阳极电流或阴极电流并上报至控制电路；
[0054]
控制电路用于根据电流检测电路的的检测结果，使能第一关断电路和/或第二关断电路。
[0055]
图3是本发明示例性实施例二给出的驱动电路图；具体地，如图3所示，所述第一关断电路包括串联的第一电容组31、第一开关元件32和第一二极管33，三者的顺序可调换，示例性地，第一电容组31的低压端连接第一二极管33的阴极，第一电容组31的高压端连接门极换流晶闸管的阴极，第一二极管33的阳极连接第一开关元件32的第一端，第一开关元件32的第二端连接门极换流晶闸管的门极。第一电容组31容量设置较大，在整个关断期间电压跌落极小，在门极换流晶闸管关断之后用于向其门阴极持续提供反向电压，防止误开通。
[0056]
具体地，所述第二关断电路包括串联的第二电容组和第二开关元件；
[0057]
或，所述第二关断电路包括串联的第二电容组、第二开关元件和第二二极管；
[0058]
所述第二电容组的预充电电压高于第一电容组。
[0059]
本实施例中，如图3所示，第二关断电路4由第二电容组41、第二开关元件42和第二二极管43串联构成，三者的顺序可调换，值得说明的是，第二电容组41的预充电电压高于第一电容组31，且第二二极管43可省略。第二电容组41容量设置较小，在整个关断换流期间电
压跌落至小于第一电容组31的电压，在门极换流晶闸管关断之后切除第二开关元件42，之后重新为第二电容组41充电，避免门极换流晶闸管门极击穿。
[0060]
图4是本发明示例性实施例三给出的驱动电路图；示例性地，如图4所示，第二关断电路4中的第二电容组41的低压端连接至第二开关元件42的第一端，第二电容组41的高压端连接至第二二极管43的阳极，第二二极管43的阴极连接至门极换流晶闸管阴极，第二开关元件42的第二端连接至门极换流晶闸管门极。
[0061]
具体地，所述电流检测电路直接测量阳极电流或阴极电流；
[0062]
或，所述电流检测电路通过测量各组件上的压降间接计算出阳极电流或阴极电流值；各组件包括gct器件阳极、gct器件门阴极、串联在gct器件阳极或阴极上的小电阻(例如器件管壳、杂散电阻、散热器等组件)；
[0063]
所述电流检测电路包括电流霍尔、罗氏线圈或巨磁阻传感器。
[0064]
本实施例中，电流检测电路直接测量阳极电流或阴极电流，具体手段为电流霍尔、罗氏线圈、巨磁阻传感器等；也可以通过测量上述电流在某些组件上的压降间接推测电流值，例如在gct器件阳阴极上的压降、在gct器件门阴极上的压降、在串联在gct器件阳极/阴极上的小电阻上的压降。
[0065]
具体地，还包括连接于功率半导体器件门极和阴极之间的n个关断电路，n≥1，n＝n 2。
[0066]
当n＝1时，示例性地，如图5所示，则包括连接于功率半导体器件门极和阴极之间的1个关断电路，记为第三关断电路5，当n＝2时，则包括连接于功率半导体器件门极和阴极之间的2个关断电路，分别记为第三关断电路5、第四关断电路(图5未示出)，当n＝3时，则包括连接于功率半导体器件门极和阴极之间的3个关断电路，分别记为第三关断电路5、第四关断电路(图5未示出)和第五关断电路(图5未示出)，当n＝n时，则n个关断电路分别记为第三关断电路5、第四关断电路(图5未示出)和第五关断电路(图5未示出)......第n关断电路6。n个关断电路均用于向门极换流晶闸管门阴极施加反偏电压，从而强迫晶闸管关断。
[0067]
具体地，所述第n关断电路包括串联的第n电容组、第n开关元件和第n二极管。
[0068]
本实施例中，第三关断电路5包括串联的第三开关元件52、第三二极管53、第三电容组51；第n关断电路6包括串联的第n开关元件62、第n二极管63、第n电容组61，三者的顺序可调换，均与第一关断电路类似。
[0069]
具体地，所述第一电容组、n个第n电容组和第二电容组的预充电电压逐次提高。
[0070]
本实施例中，第三电容组，
……
，第n电容组的预充电电压逐次提高，且均高于第一电容组，均低于第二电容组。
[0071]
具体地，所述控制电路用于根据电流检测电路的的检测结果，使能第一关断电路、第二关断电路、n个第n关断电路中的任意一个或多个。
[0072]
本实施例中，第三至n电容组容量设置均较小，在整个关断换流期间，所有被使能的支路中的电容电压均跌落至小于第一电容组的电压，在门极换流晶闸管关断之后切除所有被使能的开关元件，之后重新为相应的电容组充电，避免门极换流晶闸管门极击穿。
[0073]
图6是本发明给出的补能电路图；如图6所示，具体地，还包括连接于第二关断电路上的补能电路7，所述补能电路7用于实现第二关断电路的快速补能；所述补能电路包括第零电容组71、第零开关元件72和第零二极管73；在第二电容组正常充电时，第零电容组通过
第零二极管同步实现充电，达到与第二电容组相同的电压；在第二电容组放电时，第零二极管承受反压并防止第零电容组放电；在第二电容组需要快速充电时，第零开关元件导通并由第零电容组向第二电容组充电。本实施例中，第零电容组容量设置较大，在为第二电容组充电时其电压不会有太大的波动。
[0074]
值得说明的是，本实施例的补能电路是除用于为第二关断电路正常充电的电路以外的快速充电电路。以下所述的补能电路也是如此，因此不再赘述。
[0075]
示例性地，所述第零二极管与第零开关元件并联，第零电容组的低压端连接于第零二极管与第零开关元件并联支路的第一端，第零电容组的高压端连接于第二电容组的高压端；第零二极管与第零开关元件并联支路的第二端连接于第二电容组的低压端。
[0076]
具体地，还包括分别连接于n个第n关断电路上的补能电路，用于分别实现n个第n关断电路的快速补能。
[0077]
本实施例中，n个第n关断电路上的补能电路的补能原理与上述第二关断电路上的补能电路补能原理相同，此处不再赘述。
[0078]
具体地，所述功率半导体器件为门极换流晶闸管。
[0079]
图7是本发明给出的一种功率半导体器件驱动及控制方法的流程图；如图7所示，本公开的示例性实施例提供了一种功率半导体器件驱动及控制方法，基于上述功率半导体器件驱动及控制电路，包括：
[0080]
当检测到功率半导体器件的关断电流小于第一电流阈值时，只使能第一开关元件，利用第一关断电路完成换流；
[0081]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第一电流阈值且小于第二电流阈值时，同时使能第一开关元件和第二开关元件，利用第一关断电路和第二关断电路完成换流；
[0082]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第二电流阈值时，不使能任何开关元件。
[0083]
具体地，包括：
[0084]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第n电流阈值且小于第n 1电流阈值时，同时使能第一开关元件至第n 1开关元件，利用第一关断电路至第n 1关断电路完成换流；
[0085]
当检测到功率半导体器件关断电流大于第n电流阈值且小于第二电流阈值时，同时使能所有开关元件，利用全部关断电路完成换流。当检测到关断电流大于第二电流阈值时，不使能任何开关元件。
[0086]
示例性地，当检测到关断电流小于第一电流阈值时，只使能第一开关元件，利用第一关断电路完成换流。当检测到关断电流大于第一电流阈值且小于第三电流阈值时，同时使能第一开关元件和第三开关元件，利用第一关断电路和第三关断电路完成换流。
……
。当检测到关断电流大于第n电流阈值且小于第n 1电流阈值时，同时使能第一开关元件、第三开关元件、
……
、第n 1开关元件，利用第一关断电路、第三关断电路、
……
、第n 1关断电路完成换流。当检测到关断电流大于第n电流阈值且小于第二电流阈值时，同时使能所有开关元件，利用全部关断电路完成换流。当检测到关断电流大于第二电流阈值时，不使能任何开关元件。
[0087]
值得说明的是，行数第一、第二......第n电流阈值是根据预期的目标最大关断电流和关断电路的数量直接划分的，例如：如果只有两个关断电路，目标电流是10ka，那么第一阈值就是5ka，第二阈值就是10ka。
[0088]
如果有三个关断电路，目标电流是18ka，那么第一阈值就是6ka，第二阈值就是18ka，第三阈值就是12ka。
[0089]
除第一关断电路之外的剩余每个关断电路中的电容容量要和上述目标关断电流匹配，具体匹配方法为：在关断完成之前，被使能的关断电路中的电容因为换流而消耗自身存储的电荷，导致全部放电至第一电容组的预充电电压以下。
[0090]
具体地，包括：
[0091]
当关断动作完成后，若第二关断电路被使能，在拖尾结束之后取消使能第二关断电路，并使能补能电路，在功率半导体器件下次开通之前取消使能补能电路。
[0092]
综上，本实施例提供了一种门极换流晶闸管的驱动电路及方法，利用不同预充电电压的电容组强迫门极换流晶闸管的换流，解决大电流关断下换流速度不足的问题，大幅提升门极换流晶闸管的电流关断能力。同时，借助电流检测电路，针对不同的关断电流启用不同的关断电路，规避小电流关断时门阴极击穿的风险，同时可以减小较小电流关断时驱动的功率。
[0093]
在关断电流不变时，单次关断动作向电容组注入的电荷量不变，因此启用的关断电路中预充电电容组的电压越低，单次关断产生的驱动损耗越小。
[0094]
本实施例拥有数量超过一个的关断电路，且每个关断电路均包含预充电电容组和开关元件，各组预充电电容组的电压不同。
[0095]
本实施例含有电流检测电路，且测量的电流为门极换流晶闸管关断时刻的阳极电流或阴极电流，通过电流值的不同来使能不同的关断电路。
[0096]
本实施例关断动作可由一个关断电路独立完成，亦可由多个关断电路配合完成。
[0097]
本实施例除第一关断电路外，其余关断电路均可独立设置相应的补能电路，实现多次连续动作。
[0098]
以上仅是本公开的优选实施方式，本公开的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本公开思路下的技术方案均属于本公开的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理前提下的若干改进和润饰，应视为本公开的保护范围。