一种半导体器件短路保护电路及方法
阅读说明：本技术 一种半导体器件短路保护电路及方法 (Semiconductor device short-circuit protection circuit and method ) 是由 熊凯 傅俊寅 黄辉 于 2021-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半导体器件短路保护电路,包括驱动控制单元、副边处理单元、原边处理单元及短路检测单元,所述短路检测单元用于检测半导体器件是否短路,并在短路时发出短路信号；所述副边处理单元用于根据短路信号发出降压信号,使得驱动控制单元为半导体器件提供第一驱动电阻,以降低半导体器件的门极电压,且保持其工作状态不变,以及用于将短路信号传输至原边处理单元；所述原边处理单元根据短路信号发出关断信号至副边处理单元,以使得驱动控制单元为半导体器件提供第二驱动电阻,以关断半导体器件。本发明还公开了一种半导体器件短路保护方法。如此,提高了保护电路的可靠性和通用型。(The invention discloses a semiconductor device short-circuit protection circuit, which comprises a drive control unit, a secondary side processing unit, a primary side processing unit and a short-circuit detection unit, wherein the short-circuit detection unit is used for detecting whether a semiconductor device is short-circuited or not and sending a short-circuit signal when the semiconductor device is short-circuited; the secondary side processing unit is used for sending a voltage reduction signal according to the short circuit signal, enabling the driving control unit to provide a first driving resistor for the semiconductor device so as to reduce the gate voltage of the semiconductor device and keep the working state of the semiconductor device unchanged, and transmitting the short circuit signal to the primary side processing unit; and the primary side processing unit sends a turn-off signal to the secondary side processing unit according to the short-circuit signal so that the driving control unit provides a second driving resistor for the semiconductor device to turn off the semiconductor device. The invention also discloses a short-circuit protection method of the semiconductor device. Thus, the reliability and general-purpose type of the protection circuit are improved.)
技术领域
本发明涉及IGBT驱动技术领域，尤其涉及一种半导体器件短路保护电路及方法。
背景技术
由于半导体器件的短路承受时间有限，在针对其短路保护电路设计时需要充分考虑短路保护响应时间，必须在既定的时间内关断，防止器件损坏。
不同的半导体器件短路承受时间不同，例如Si器件短路承受时间通常可达10us，而SiC器件通常最多只能承受3～4us，传统的短路保护技术通常是通过检测半导体器件的VCE压降来设置短路响应时间，响应时间结束后发出故障信号，通过逻辑控制关断器件，实现短路保护功能，但是现有方案通常会存在以下问题：
1、现有的短路保护电路只能按照半导体器件规格参数给定的短路承受时间来设计，由于本身器件短路承受时间短，加之短路故障时需要进行原副边逻辑处理再关断器件，往往会导致真正的短路时间超过额定时间，存在损坏器件的风险；
2、现有技术通常只能改变短路保护电路中RC充放电时间和原副边逻辑处理时间，不能降低短路保护发生时一定时间内的器件损耗。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种通用型强的半导体器件短路保护电路及方法，能够延长短路承受时间，提高电路的抗干扰能力及可靠性。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种半导体器件短路保护电路，所述半导体器件短路保护电路包括驱动控制单元、副边处理单元、原边处理单元及短路检测单元，所述驱动控制单元的输出端与所述半导体器件的门极电连接，所述驱动控制单元的输入端与所述副边处理单元电连接，所述原边处理单元与所述副边处理单元电连接，所述短路检测单元的输入端与所述半导体器件的集电极电连接，所述短路检测单元的输出端与所述副边处理单元电连接；
所述短路检测单元用于实时检测半导体器件是否发生短路，并在其短路时发出短路信号至所述副边处理单元；
所述副边处理单元用于根据所述短路信号发出降压信号至所述驱动控制单元，使得所述驱动控制单元为半导体器件提供第一驱动电阻，以降低半导体器件的门极电压，且保持半导体器件的工作状态不变，以及用于将所述短路信号传输至所述原边处理单元；
所述原边处理单元根据短路信号发出关断信号，并通过所述副边处理单元传输至所述驱动控制单元，使得所述驱动控制单元为半导体器件提供第二驱动电阻，以将门极电压下降后的半导体器件关断。
进一步地，所述原边处理单元及所述副边处理单元之间至少包含一隔离单元。
进一步地，所述驱动控制单元包括MOS管(Q1)、MOS管(Q2)、MOS管(Q3)、电阻(R1)、电阻(R2)及电阻(R3)，所述MOS管(Q1)的栅极与所述副边处理单元电连接，所述MOS管(Q1)的源极电连接电源(V1)，所述MOS管(Q1)的漏极通过所述电阻(R1)与半导体器件的门极电连接，所述MOS管(Q2)的栅极与所述副边处理单元电连接，所述MOS管(Q2)的源极电连接电源(V2)，所述MOS管(Q2)的漏极通过所述电阻(R2)与半导体器件的门极电连接，所述MOS管(Q3)的栅极与所述副边处理单元电连接，所述MOS管(Q3)的源极电连接电源(V3)，所述MOS管(Q3)的漏极通过所述电阻(R3)与半导体器件的门极电连接。
进一步地，所述半导体器件为IGBT或SiC。
一种半导体器件短路保护方法，包括如下步骤：
S1、实时检测半导体器件是否发生短路，并在其短路时发出短路信号至副边处理单元；
S2、通过副边处理单元对短路信号进行逻辑处理后发出降压信号，控制为半导体器件提供第一驱动电阻，以降低半导体器件的门极电压，且保持半导体器件的工作状态不变；
S3、通过副边处理单元将短路信号传输至原边处理单元，经原边处理单元对短路信号逻辑处理后发出关断信号至副边处理单元；
S4、根据副边处理单元所传输的关断信号，控制为半导体器件提供第二驱动电阻，以关断所述半导体器件。
进一步地，所述半导体器件为IGBT或SiC。
本发明的有益效果：
1、本发明采用门极电压控制电路来改善这一现状，根据半导体器件发生短路时，门极电压和短路电流成正相关，通过调节降低门极电压，从而降低器件短路电流大小，如此可降低发生短路时的瞬时损耗，并延长短路承受时间，从而提高了短路检测电路的抗干扰能力。
2、本发明能在既定时间内关断半导体器件，提高了电路的通用性。
3、能将较高的短路关断尖峰分化为两次较低的关断尖峰，从而避免了过高的关断尖峰电压导致器件损坏，提高了电路的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的半导体器件短路保护电路的一较佳实施方式的方框图。
图2是图1中驱动控制单元的一较佳实施方式的电路连接图。
图3是本发明提供的半导体器件短路保护电路的一
具体实施方式
的短路波形图。
图4是本发明提供的半导体器件短路保护方法的一较佳实施方式的流程图。
主要元件符号说明
驱动控制单元 1
副边处理单元 2
原边处理单元 3
短路检测单元 4
半导体器件 5
门极 51
集电极 52
隔离单元 6
MOS管 Q1、Q2、Q3
电阻 R1、R2、R3
二极管 D1、D2、D3
电源 V1、V2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1，本发明提供一种半导体器件短路保护电路，用于在半导体器件(5)发生短路时实现可靠性地关断。所述半导体器件短路保护电路包括驱动控制单元(1)、副边处理单元(2)、原边处理单元(3)及短路检测单元(4)。所述驱动控制单元(1)的输出端与所述半导体器件(5)的门极(51)电连接，所述驱动控制单元(1)的输入端与所述副边处理单元(2)电连接，所述原边处理单元(3)与所述副边处理单元(2)电连接，所述短路检测单元(4)的输入端与所述半导体器件(5)的集电极(52)电连接，所述短路检测单元(4)的输出端与所述副边处理单元(2)电连接。
所述短路检测单元(4)用于实时检测半导体器件(5)是否发生短路，并在其短路时发出短路信号至所述副边处理单元(2)。
所述副边处理单元(2)用于根据所述短路信号发出降压信号至所述驱动控制单元(1)，使得所述驱动控制单元(1)为半导体器件(5)提供第一驱动电阻，以降低半导体器件(5)的门极电压，且保持半导体器件(5)的工作状态不变；以及用于将所述短路信号传输至所述原边处理单元(3)。
所述原边处理单元(3)根据短路信号发出关断信号，并通过所述副边处理单元(2)传输至所述驱动控制单元(1)，使得所述驱动控制单元(1)为半导体器件(5)提供第二驱动电阻，以将门极电压下降后的半导体器件关断。
在本实施方式中，所述半导体器件(5)为IGBT，在其他实施方式中，所述半导体器件(5)也可为SiC。需要说明的是，上述半导体器件(5)的门极(51)与集电极(52)仅为引脚的区分表述，不对其类型进行限定，如当半导体器件(5)为SiC时，编号(51)与编号(52)将分别对应为栅极与漏极。在本实施方式中，所述关断信号为PWM信号。
在一较佳实施方式中，所述副边处理单元(2)与所述原边处理单元(3)之间电连接有至少一隔离单元(6)，所述隔离单元(6)用于原边低压侧和副边高压侧隔离。
如此一来，通过先降低半导体器件的门极电压后再进行彻底关断，延长了半导体器件短路承受时间，也能够避免干扰信号引起的假性短路故障所导致的误关断现象，提高了电路的抗干扰能力和可靠性。
请参考图2，在本实施方式中，所述驱动控制单元(1)包括MOS管(Q1)、MOS管(Q2)、MOS管(Q3)、电阻(R1)、电阻(R2)及电阻(R3)。
所述MOS管(Q1)的栅极与所述副边处理单元(2)电连接，所述MOS管(Q1)的源极电连接电源(V1)，所述MOS管(Q1)的漏极通过所述电阻(R1)与半导体器件(5)的门极电连接。所述MOS管(Q2)的栅极与所述副边处理单元(2)电连接，所述MOS管(Q2)的源极电连接电源(V2)，所述MOS管(Q2)的漏极通过所述电阻(R2)与半导体器件(5)的门极电连接。所述MOS管(Q3)的栅极与所述副边处理单元(2)电连接，所述MOS管(Q3)的源极电连接电源(V2)，所述MOS管(Q3)的漏极通过所述电阻(R3)与半导体器件(5)的门极电连接。
在本实施方式中，所述驱动控制单元(1)还包括二极管(D1)、二极管(D2)及二极管(D3)。所述二极管(D1)的阳极与阴极分别与所述MOS管(Q1)的漏极和源极电连接。所述二极管(D2)的阳极与阴极分别与所述MOS管(Q2)的源极和漏极电连接。所述二极管(D3)的阳极与阴极分别与所述MOS管(Q3)的源极和漏极电连接。所述二极管(D1)、二极管(D2)及二极管(D3)分别为对应MOS管体的二极管或外部连接反并联的二极管，主要作用于钳位和续流。
本实施方式所提供的电路其具体工作原理如下：
当IGBT未发生短路时，所述原边处理单元(3)发出的控制信号(PWM信号)，经所述副边处理单元(2)传输至所述驱动控制单元(1)，通过所述控制信号控制MOS管(Q1)和MOS管(Q2)的导通状态，所述MOS管(Q1)导通将为IGBT提供驱动开通信号，所述MOS管(Q2)导通将为IGBT提供驱动关断信号，所述MOS管(Q3)导通用于控制关断状态。
当IGBT发生短路时，请参考图3，IGBT关断过程将分为三个阶段：
第一阶段，所述短路检测单元(4)经过一段响应时间后检测到IGBT发生短路，并发出短路信号至所述副边处理单元(2)，该阶段的IGBT保持当前工作状态不变，此时MOS管(Q1)导通，MOS管(Q2)截止，MOS管(Q3)截止。
第二阶段，当所述副边处理单元(2)接收到短路信号后输出降压信号，使得MOS管(Q3)开通，由于MOS管(Q1)和MOS管(Q3)同时打开，经过电阻(R1)和电阻(R3)的电阻分压，使IGBT的门极电压下降，从而短路电流下降，且IGBT仍持续其工作状态；与此同时，所述副边处理单元(2)将所述短路信号传输至所述原边处理单元(3)。
第三阶段，当所述原边处理单元(3)根据所述短路信号进行逻辑处理后发出PWM信号，所述PWM信号传输至所述副边处理单元(2)，以控制MOS管(Q1)截止，使得IGBT的门极电压从所述电阻(R3)处放电关断。
从图3中的短路波形图可看出，将IGBT的关断过程分为两次，能将一次较高的短路关断尖峰分化为两次较低的关断尖峰，从而避免了过高的关断尖峰导致器件过压损坏。
请参考图4，本发明还提供了一种半导体器件短路保护方法，包括如下步骤：
S1、实时检测半导体器件是否发生短路，并在其短路时发出短路信号至副边处理单元；
S2、通过副边处理单元对短路信号进行逻辑处理后发出降压信号，控制为半导体器件提供第一驱动电阻，以降低半导体器件的门极电压，且保持半导体器件的工作状态不变；
S3、通过副边处理单元将短路信号传输至原边处理单元，经原边处理单元对短路信号进行逻辑处理后发出关断信号至副边处理单元；
S4、根据副边处理单元所传输的关断信号，控制为半导体器件提供第二驱动电阻，以关断半导体器件。
上述半导体器件短路保护电路及方法，通过设置副边处理单元(2)、原边处理单元(3)及驱动控制单元(1)，以在半导体器件(5)短路时先通过所述副边处理单元(2)对短路信号进行逻辑处理，以输出降压信号至驱动控制单元(1)，使得驱动控制单元(1)为半导体器件(5)提供第一驱动电阻，以降低半导体器件(5)的门极电压，且保持半导体器件(5)的工作状态不变；再通过原边处理单元(3)对短路信号进行逻辑处理，输出对应的关断信号，使得驱动控制单元(1)为半导体器件(5)提供第二驱动电阻，使得半导体器件(5)彻底关断。如此，既能延长半导体器件的短路承受时间，又能避免干扰引起的误关断，提高了保护电路的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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