Схема защиты для полупроводникового переключающего элемента и устройство преобразования мощности Российский патент 2018 года по МПК H03K17/16 H02M1/00 H03K17/08 H03K17/10 

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 R_Goff 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 V_ZD11 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.

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.

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.