CN104280676B - 带偏置电源的功率半导体器件的检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，所述检测电路包括：齐纳二极管、三极管、包括发光器及受光器的光耦合器、电压检测器、及若干电阻，其中：所述齐纳二极管的阴极通过第一电阻与所述三极管的集电极相连，作为检测电路的第一检测端，阳极通过第二电阻与所述三极管的基极相连，并通过第三电阻与所述发光器的阴极相连并作为检测电路的第二检测端；所述三极管的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器串联第四电阻后连接于所述受光器的两端。本发明的检测电路具有较高的灵敏度和准确性，检测相应速度高，可以在很短的时间内将功率半导体器件的工作状态检测出来。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，特别是涉及一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路。
背景技术
普通晶闸管(SCR)靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。
门极可关断晶闸管(GTO)是一种具有自断能力的晶闸管，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。
GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极.阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。目前，大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
目前，对GTO的工作状态检测的方法通常采用比较传统的检测方法，如电流表、电压表等直接进行检测，传统的检测方法的往往需要耗费较多的时间，并且，检测的灵敏度及准确度较低。
鉴于以上原因，提供一种具有高效率、较高灵敏度及准确度的检测方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，用于解决现有技术中功率半导体器件工作状态检测耗时、且检测灵敏度及准确度较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，所述检测电路包括：齐纳二极管、三极管、包括发光器及受光器的光耦合器、电压检测器、及若干电阻，其中：
所述齐纳二极管的阴极通过第一电阻与所述三极管的集电极相连，作为检测电路的第一检测端，阳极通过第二电阻与所述三极管的基极相连，并通过第三电阻与所述发光器的阴极相连并作为检测电路的第二检测端；所述三极管的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器串联第四电阻后连接于所述受光器的两端；
所述功率半导体器件包括门极及阴极，所述门极及阴极间形成有PN结；所述偏置电源的正端连接于所述功率半导体器件的阴极，负端通过开关连接于所述功率半导体器件的门极；所述检测电路的第一检测端连接于所述偏置电源的正端，第二检测端连接于所述偏置电源的负端。
优选地，所述开关为MOS管。
作为本发明的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路的一种优选方案，所述功率半导体器件包括晶闸管及绝缘栅双极型晶体管IGBT。
优选地，所述晶闸管包括门极可关断晶闸管GTO、及集成门极换流晶闸管IGCT。
作为本发明的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路的一种优选方案，所述偏置电源的工作电压为15V。
作为本发明的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路的一种优选方案，所述第一电阻、第三电阻及第四电阻的阻值范围为500～1500Ω，所述第二电阻的阻值范围为50～150Ω。
如上所述，本发明提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，所述检测电路包括：齐纳二极管、三极管、包括发光器及受光器的光耦合器、电压检测器、及若干电阻，其中：所述齐纳二极管的阴极通过第一电阻与所述三极管的集电极相连，作为检测电路的第一检测端，阳极通过第二电阻与所述三极管的基极相连，并通过第三电阻与所述发光器的阴极相连并作为检测电路的第二检测端；所述三极管的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器串联第四电阻后连接于所述受光器的两端。本发明的检测电路具有较高的灵敏度和准确性，检测相应速度高，可以在10uS以内将功率半导体器件的工作状态检测出来。
附图说明
图1显示为本发明的一种GTO应用电路结构示意图，该GTO应用电路结构包括GTO、MOS管以及偏置电源。
图2显示为本发明的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路的结构示意图。
图3显示为本发明在应用中的偏置电源电压及电压检测器失效反馈信号FS的时间关系示意图。
元件标号说明
Q1 MOS管
D1 齐纳二极管
Q2 三极管
T1 光耦合器
F1 电压检测器
R1 第一电阻
R2 第二电阻
R3 第三电阻
R4 第四电阻
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，当功率半导体器件(在本实施例中，所述功率半导体器件采用GTO作为说明)，GTO处于截止状态时，通常需要在GTO的门极与阴极之间保持一个﹣15V的偏置电压(一般采用偏置电源实现)，来保证GTO不被外部干扰信号误触发，该电压正15V端(正端)连接GTO阴极，零电位端(负端)通过MOS管Q1的导通，连接GTO的门极。
在正常情况下，GTO的门极与阴极是是一个反偏PN结，整个电路只有几毫安的漏电流存在，15V电压保持稳定。
假如GTO损坏(电压或者电流击穿)，根据实验研究发现，GTO的门极与阴极之间的PN结会损坏击穿，这时如果驱动MOS管Q1导通，那么15V电源、GTO、MOS管Q1会组成一个近似短路的回路，15V电源电压会迅速下降到零电位。
鉴于以上所述，本实施例提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，所述检测电路包括：齐纳二极管D1、三极管Q2、包括发光器及受光器的光耦合器T1、电压检测器F1、及若干电阻，其中：
所述齐纳二极管D1的阴极通过第一电阻R1与所述三极管Q2的集电极相连，作为检测电路的第一检测端，阳极通过第二电阻R2与所述三极管Q2的基极相连，并通过第三电阻R3与所述发光器的阴极相连，作为检测电路的第二检测端；所述三极管Q2的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器F1通过第四电阻R4连接于所述受光器的两端。
所述功率半导体器件包括门极及阴极，所述门极及阴极间形成有PN结。
进一步地，所述偏置电源的正端连接于所述功率半导体器件的阴极，负端通过开关连接于所述功率半导体器件的门极。所述偏置电源用于保证所述功率半导体器件的门极与阴极之间保持一个负值的偏置电压(一般采用偏置电源实现)，来保证功率半导体器件不被外部干扰信号误触发。在本实施例中，所述开关为MOS管，当然，其它的开关器件同样适用于本发明的方案，因此并不限定于此。
对于上述功率半导体器件结构，所述检测电路的第一检测端连接于所述偏置电源的正端，第二检测端连接于所述偏置电源的负端。
所述功率半导体器件包括晶闸管及绝缘栅双极型晶体管IGBT。优选地，所述晶闸管包括门极可关断晶闸管GTO、及集成门极换流晶闸管IGCT。在本实施例中，所述功率半导体器件为门极可关断晶闸管GTO。所述偏置电源的工作电压为15V。
另外，为了进一步提高检测电路的检测电路的灵敏度及准确度，本实施例采用的第一电阻R1、第三电阻R3及第四电阻R4的阻值范围为500～1500Ω，所述第二电阻R2的阻值范围为50～150Ω。进一步地，所述第一电阻R1、第三电阻R3及第四电阻R4的阻值范围可以选择为800～1200Ω，所述第二电阻R2的阻值范围为80～120Ω。
图3显示为偏置电源电压及电压检测器F1失效反馈信号FS的时间关系示意图，以GTO半导体功率器件为例，如图3所示，本发明的检测电路的工作原理为：
当GTO处于完好状态，GTO截止后，MOS管Q1导通，15V电压使GTO的门极与阴极之间的PN结反向偏置。齐纳二极管D1处于雪崩工作状态，使三极管Q2的基极与发射极流过一个基极电流IB，三极管Q2处于放大工作状态，驱动光耦合器T1，失效反馈信号FS此时输出0电位，表示GTO状态完好。
假如GTO失效，根据上文所述，GTO的阴极与门极PN结将被击穿，15V电压会迅速下降到0电位，此时齐纳二极管D1会处于截止状态，流过三极管Q2基极的电流IB会消失，三极管Q2会迅速处于截止状态，然后光耦合器T1停止导通，失效反馈信号FS的电位跳变至5V，表示GTO已经失效损坏。
由图3可以看出，本发明的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路具有较高的灵敏度和准确度，并且，可以在10uS以内将GTO的工作状态检测出来。
如上所述，本发明提供一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，所述检测电路包括：齐纳二极管D1、三极管Q2、包括发光器及受光器的光耦合器T1、电压检测器F1、及若干电阻，其中：所述齐纳二极管D1的阴极通过第一电阻R1与所述三极管Q2的集电极相连，作为检测电路的正检测端，阳极通过第二电阻R2与所述三极管Q2的基极相连，并通过第三电阻R3与所述发光器的阴极相连并作为检测电路的负检测端；所述三极管Q2的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器F1通过第四电阻R4连接于所述受光器的两端。本发明的检测电路具有较高的灵敏度和准确性，检测相应速度高，可以在10uS以内将功率半导体器件的工作状态检测出来。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：
所述检测电路包括：齐纳二极管、三极管、包括发光器及受光器的光耦合器、电压检测器、及若干电阻，其中：
所述齐纳二极管的阴极通过第一电阻与所述三极管的集电极相连，作为检测电路的第一检测端，阳极通过第二电阻与所述三极管的基极相连，并通过第三电阻与所述发光器的阴极相连，所述发光器的阴极作为检测电路的第二检测端；所述三极管的发射极与所述发光器的阳极相连；所述电压检测器串联第四电阻后连接于所述受光器的两端；
所述功率半导体器件包括门极及阴极，所述门极及阴极间形成有PN结；所述偏置电源的正端连接于所述功率半导体器件的阴极，负端通过开关连接于所述功率半导体器件的门极；所述检测电路的第一检测端连接于所述偏置电源的正端，第二检测端连接于所述偏置电源的负端。
2.根据权利要求1所述的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：所述开关为MOS管。
3.根据权利要求1所述的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：所述功率半导体器件包括晶闸管及绝缘栅双极型晶体管IGBT。
4.根据权利要求3所述的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：所述晶闸管包括门极可关断晶闸管GTO、及集成门极换流晶闸管IGCT。
5.根据权利要求1所述的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：所述偏置电源的工作电压为15V。
6.根据权利要求1所述的带偏置电源的功率半导体器件的检测电路，其特征在于：所述第一电阻、第三电阻、以及第四电阻的阻值范围为500～1500Ω，所述第二电阻的阻值范围为50～150Ω。
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