CN108777572B - 一种半导体管保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体电路领域，具体涉及一种半导体管保护电路及方法。本发明包括电源电压、负载电路、稳压电路和半导体管；所述电源电压和所述负载电路的高电势端连接，所述负载单元的低电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述稳压电路的低电势端接地，所述半导体管的高电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述半导体管的低电势端接地。本发明使用稳压二极管引流，在继电器和半导体管中间加入晶体管做缓冲，增加了半导体管的抗压能力，有效地保护了半导体管不被击穿。

Description

一种半导体管保护电路及方法

技术领域

本发明属于保护电路领域，尤其涉及一种半导体管保护电路及方法。

背景技术

MOS(Metal Oxide Semiconductor)管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。

MOS电路为单极型集成电路，又称为MOS集成电路，它采用金属－氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造，其主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低。

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。

近年来，半导体器件发展迅猛，MOS管因开关频率高、无机械损耗等特点成为电力设备中主要的电流控制元件，例如在开关放大器中，MOS管是控制其电流的关键器件。但是，MOS管缺乏电路过载能力，MOS管极易被击穿。目前，解决该问题的方法通常为给MOS管增加保护电路。

申请号为CN201710787460.7的国内发明专利提出了一种MOS管过流保护电路，其具体提出了利用MOS管发生过流时其导通电压VDS将产生压降这一特性，判断MOS管是否发生过流，其具体判断过程为，在接通MOS管后，若MOS管的导通电压VDS稳定，则判定MOS管正常运行中；若MOS管的导通电压VDS升高，则判定MOS管发生过流故障。与传统的MOS管过流保护电路相比，本申请的MOS管过流保护电路利用MOS管发生过流时其导通电压VDS将产生压降这一特性，避免了高成本、高功耗电流采样器等装置的使用，大幅降低了保护电路的功耗与成本。但该发明的电路在保护电路的时候用MOS管的耗损了换取了电路的稳定。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种半导体管保护电路及方法。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

一种半导体管保护电路，包括电源电压、负载电路、稳压电路和半导体管；

所述电源电压和所述负载电路的高电势端连接；

所述负载单元的低电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述稳压电路的低电势端接地；

所述半导体管的高电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述半导体管的低电势端接地。

作为本技术方案的优选，所述稳压电路包括稳压二极管、继电器；

所述稳压二极管和所述继电器并联；

所述稳压二极管的阴极与所述负载单元的低电势端连接，所述稳压二极管的阳极接地。

作为本技术方案的优选，所述稳压电路包括稳压单元、继电器；

所述稳压单元和所述继电器并联；

所述稳压单元的高电势与所述负载单元的低电势端连接，所述稳压单元的低电势接地；

所述稳压单元包括至少两个稳压子单元，相连两个所述稳压子单元串联连接，所述稳压子单元包括一个稳压二极管和一个均压电阻。

作为本技术方案的优选，所述均压电阻的阻值小于所述稳压二极管反向的电阻值。

作为本技术方案的优选，所述继电器为常开型继电器。

作为本技术方案的优选，所述稳压电路还包括晶体管；

所述晶体管的基极与所述半导体管的漏极连接，所述晶体管的集电极与所述负载单元的低电势端连接，所述晶体管的发射极接地。

作为本技术方案的优选，所述晶体管为N型晶体管。

作为本技术方案的优选，所述负载电路呈感性。

一种半导体管保护方法，基于一种半导体管保护电路，包括以下步骤：

S1，在电路中加入所述稳压二极管进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压；

S2，在所述继电器和所述半导体管中加入所述晶体管，利用所述晶体管集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管的电压。

一种半导体管保护方法，基于一种半导体管保护电路，包括以下步骤：其特征在于，包括以下步骤：

S10，在电路中加入所述稳压单元进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压；

S20，在所述继电器和所述半导体管中加入所述晶体管，利用所述晶体管集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管的电压。

本发明的有益效果：

1、使用稳压二极管引流，使得大部分的浪涌能量向地流去。

2、在继电器和半导体管中间加入晶体管做缓冲，浪涌的能量聚集在晶体管的集电极，增加了半导体管的抗压能力，有效地保护了半导体管不被击穿。

附图说明

图1为本发明一种半导体管保护电路的电路图；

图2为现有技术下半导体管保护电路的电路图；

图3为本发明实施例1的电路图；

图4为本发明实施例2的电路图；

图5为实施例1对应的一种半导体管保护方法的流程图；

图6为实施例2对应的一种半导体管保护方法的流程图。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

当由继电器控制MOS管的开关时，MOS管驱动感性负载。由于继电器的瞬间开启，使得dV/dt太大，即电压的瞬间变化过大，使得堆积在MOS管上的电压变化率太快，造成MOS管的寄生晶体管击穿。

如图2所示，为目前现有的一种MOS管保护电路。

当继电器关闭时，由于继电器的启动时间段，会产生巨大的瞬态电压(dV/dt)，形成巨大的浪涌现象，由于MOS管正好驱动感性负载，这个高的瞬态电压会激活在MOS管中包含的寄生晶体管(连接在MOS管的漏极和MOS管的源极之间的二极管，当电路中产生很大的瞬间反向电流时，就可以通过这个二极管导出，保护了MOS管的漏极和源极)。浪涌的能量将集中在这种寄生晶体管上面，并且这个能量可以破坏寄生双极性晶体管，并破坏MOS管本身。MOS管在漏级和源极之间的绝对短路会被损坏。

如图1和图3所示，为本发明一种半导体管保护电路的电路图。

一种半导体管保护电路，包括电源电压、负载电路1、稳压电路2和半导体管3。

所述电源电压和所述负载电路1的高电势端连接。

所述负载单元1的低电势端和所述稳压电路2的高电势端连接，所述稳压电路2的低电势端接地。

所述半导体管3的高电势端和所述稳压电路2的高电势端连接，所述半导体管3(即MOS管)的低电势端接地。

本技术方案中设计所述稳压电路2，所述稳压电路2中包括有起到开关控制作用的继电器22，所述继电器22为常开型的继电器，当所述继电器22关闭时，会产生巨大的瞬态电压(dV/dt)，形成巨大的浪涌现象，由于所述半导体管3正好驱动感性负载，这个高的瞬态电压会激活在所述半导体管3中包含的寄生晶体管，此时所述稳压电路2对瞬时产生的瞬态电压进行分流和引流，将所述继电器22闭合瞬间的瞬态电压降压分压后流向所述半导体管3，保护所述半导体管3不会击穿，延长电路的使用寿命。

所述负载电路1呈感性。在所述半导体管3驱动的电路中，通常设计有旁路电容(在本技术方案中即为呈感性的所述负载电路1)，通过对电容充电的方式，来存储这一部分浪涌能量，以此来减缓由于继电器的瞬间开启带来的浪涌伤害。但有一些现有技术中，简单粗暴的增加旁路电容的阻值来达到存储更多的浪涌能量，但是有以下缺点：

第一是旁路电容的耐压值需要很高，才能承受住瞬态的电压冲击。

第二是存储在旁路电容部分的能量最终会释放到MOS管上，可能会造成对MOS管的二次冲击。

第三是由于增加了旁路电容，使得MOS管增加了容性负载，该负载会跟随MOS管的负载电路结合在一起，对电路性能造成影响。

所述稳压电路2包括稳压二极管21、所述继电器22，在整个保护电路中所述继电器22起到了开关的作用。

所述稳压二极管21反接。稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能。当所述继电器22关闭时，由于所述继电器22瞬间上电，再加上所述半导体管3的感性负载，使得dV/dt很大，此时所述稳压二极管21的阴极(N极)接收浪涌能量，反向电压增大，使得浪涌电流通过所述稳压二极管21向系统地流出，由于所述稳压二极管21的引流作用，使得大部分的浪涌能量向地流去。

所述稳压二极管21和所述继电器22并联。

所述稳压二极管21的阴极与所述负载单元1的低电势端连接，所述稳压二极管21的阳极接地。

所述继电器22为常开型继电器。

所述稳压电路2还包括晶体管23。大部分的浪涌能量通过所述稳压二极管21向地流去，留下来的小部分浪涌能量加载到所述半导体管3正和所述继电器22之间的所述晶体管23上，当浪涌的能量聚集在所述晶体管23上的集电极(C极)，保护了所述半导体管3，防止所述半导体管3受到浪涌能量被击穿。

进一步的本发明中的所述晶体管23为N型晶体管。N型晶体管的特性，Vgs(晶体管的栅极与源极间的电压)大于一定的值就会导通。若加载到所述晶体管23的浪涌能量超过了所述晶体管23的承受范围，所述晶体管23被击穿导通，所以浪涌能量全部流向系统地，避免所述半导体管3受到伤害。

所述晶体管23的基极与所述半导体管21的漏极连接，所述晶体管23的集电极与所述负载单元1的低电势端连接，所述晶体管23的发射极接地。

综上所述，本技术方案的保护电路，没有增加容性负载，且同时增加所述晶体管23，作为缓冲，增加了所述半导体管3的抗压能力，有效地保护了所述半导体管3不被击穿。

实施例2

基于实施例1，与实施例1不同之处在于：

如图1和图4所示，为本发明一种半导体管保护电路的电路图。

由于电路的电源电压在不同的应用场景下不同，为了适应更多不同的电源电压，将实施例1中的所述稳压二极管21改进为稳压单元24。

所述稳压电路2包括稳压单元24、所述继电器22。

所述稳压单元24和所述继电器22并联。

所述稳压单元24的高电势端与所述负载单元1的低电势端连接，所述稳压单元24的低电势端接地。

所述稳压单元24包括至少两个稳压子单元241，相连两个所述稳压子单元241串联连接，所述稳压子单元241包括一个稳压二极管2411和一个均压电阻2412。

在每个所述稳压子单元241中的所述稳压二极管2411承受的反向电压等于总电压的一份(有几个所述稳压子单元241，所述稳压二极管2411承受的反向电压等于总电压的几分之一)。

所述均压电阻2412的阻值小于所述稳压二极管2411反向的电阻值。

由于实际中同个型号阻值的稳压二极管所带的反向电阻不可能精准的相同，这样就会造成了电压的分配不均，内阻大的稳压二极管有可能会电压过高击穿后逐个将其他所述稳压子单元241中的所述稳压二极管2411击穿。所以设置所述均压电阻2412与所述稳压二极管2411并联，使电压分配均匀。但所述均压电阻2412的阻值小于所述稳压二极管2411反向的电阻值。每个所述均压电阻2412的阻值要相等。

实施例3

基于实施例1，此实施例为实施例1对应的设计方法。

如图5所示,为实施例1对应的一种半导体管保护方法的流程图。

一种半导体管保护方法，包括：

S1，在电路中加入所述稳压二极管21进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压。

所述稳压二极管21利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。稳压管反向击穿后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。

S2，在所述继电器22和所述半导体管3中加入所述晶体管23，利用所述晶体管23集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管3的电压。

所述晶体管23的集电极和基极的PN结可以承受高的逆向电压，集电极可以承载高电压，通过所述稳压二极管21流过来的小部分浪涌能量被聚集在所述晶体管23的集电极上，分流浪涌能量，保护所述半导体管3。

本技术方案使用所述晶体管23和所述稳压二极管21来限制震荡电压，可以有效地减小瞬态电压，且不会对所述半导体管3造成损坏。

实施例4

基于实施例2，此实施例为实施例2对应的设计方法。

如图6所示,为实施例2对应的一种半导体管保护方法的流程图。

一种半导体管保护方法，包括：

S10，在电路中加入所述稳压单元进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压。

由于电路的电源电压在不同的应用场景下不同，为了适应更多不同的电源电压，改进为稳压单元24。

S20，在所述继电器和所述半导体管中加入所述晶体管，利用所述晶体管集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管的电压。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种半导体管保护电路，其特征在于，包括电源电压、负载电路、稳压电路和半导体管；

所述电源电压和所述负载电路的高电势端连接；

所述负载电路的低电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述稳压电路的低电势端接地；

所述半导体管的高电势端和所述稳压电路的高电势端连接，所述半导体管的低电势端接地；

所述稳压电路包括稳压单元、继电器、晶体管；所述晶体管的基极与所述半导体管的漏极连接，所述晶体管的集电极与所述负载电路的低电势端连接，所述晶体管的发射极接地；所述稳压单元和所述继电器并联；所述稳压单元的高电势与所述负载电路的低电势端连接，所述稳压单元的低电势接地；所述稳压单元包括至少两个稳压子单元，相连两个所述稳压子单元串联连接，所述稳压子单元包括一个稳压二极管和一个均压电阻，且稳压二极管和均压电阻并联；所述均压电阻的阻值小于所述稳压二极管反向的电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种半导体管保护电路，其特征在于，所述继电器为常开型继电器。

3.根据权利要求1所述的一种半导体管保护电路，其特征在于，所述晶体管为N型晶体管。

4.根据权利要求1所述的一种半导体管保护电路，其特征在于，所述负载电路呈感性。

5.一种半导体管保护方法，基于权利要求4的一种半导体管保护电路，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在电路中加入所述稳压二极管进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压；

S2，在所述继电器和所述半导体管中间加入所述晶体管，利用所述晶体管集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管的电压。

6.一种半导体管保护方法，基于权利要求4的一种半导体管保护电路，其特征在于，包括以下步骤：

S10，在电路中加入所述稳压单元进行引流，向系统地引流走所述继电器开启后的产生的大部分瞬时电压；

S20，在所述继电器和所述半导体管中间加入所述晶体管，利用所述晶体管集电极聚集电量，稳定电压，缓冲流向所述半导体管的电压。

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