CN110174603A - 功率半导体器件导通压降的在线测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率半导体器件导通压降的在线测量电路，包括第一场效应管、电阻和第二场效应管，第一场效应管的漏极与被测量的功率半导体器件连接，第一场效应管的源极与电阻的一端相连，电阻的另一端分别连接第一场效应管的栅极、第二场效应管的栅极和第二场效应管漏极，第二场效应管的源极与被测量的功率半导体器件连接，第二场效应管的漏极与源极为电路的输出端。本发明的功率半导体器件导通压降的在线测量电路结构简单、便于测量、测量精准、成本低廉，具有更广泛的应用范围。

Description

功率半导体器件导通压降的在线测量电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及功率半导体器件导通压降的测量电路。
背景技术
功率半导体器件是电力电子变流器中重要的元件，并且功率半导体器件的非正常工作是变流器的主要故障原因。导通压降是功率半导体器件的重要特征参数之一，它与功率半导体器件的结温相关，可以作为温敏系数用于监测器件的发热状态。此外，当功率半导体器件内部键合线发生断裂时，导通压降会发生变化，因此导通压降也是器件老化状态检测的重要参数。综上所述，准确地在线测量功率半导体器件的导通压降有助于预测器件的故障，从而提高电力电子变流器的可靠性。
为了对器件的状态进行准确的监测，导通压降的精确度需要达到mV级。但是通常情况下，当功率半导体器件关断时，其两端需耐受数百伏甚至上千伏高电压，而当器件导通时，其导通压降仅为1V左右。由于在开关过程中器件电压变化范围较大，若直接测量器件两端的电压，测量系统的大量程会使导通压降的测量精度下降。
为了提高测量系统的分辨率，需要通过测量电路将功率半导体器件关断时的高电压钳位在一个较低的电压值。传统的导通压降在线测量电路采用功率二极管与辅助电源配合的电压钳位方案(例如中国专利CN201610244644.4，一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路)，其局限性在于：1)测量结果包括二极管导通压降，但二极管导通压降易受电路温度变化影响，造成测量误差；2)测量电路的暂态过程存在电压尖峰，容易损坏后续调理电路，需要增加尖峰抑制电路；3)测量电路需要低压辅助电源，电路结构复杂。因此，如何简化导通压降测量电路的结构、提高在线测量结果的准确度，成为亟需解决的技术挑战。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单、测量精准、便于测量的功率半导体器件导通压降的在线测量电路。
本发明通过以下技术方案实现。
一种功率半导体器件导通压降的在线测量电路，所述在线测量电路包括第一场效应管、电阻和第二场效应管，其中，所述第一场效应管的漏极与被测量的功率半导体器件连接，所述第一场效应管的源极与所述电阻的一端相连，所述电阻的另一端分别连接所述第一场效应管的栅极、所述第二场效应管的栅极和所述第二场效应管漏极，所述第二场效应管的源极与所述被测量的功率半导体器件连接，所述第二场效应管的漏极与源极为电路的输出端。
优选地，所述第一场效应管为耗尽型场效应管。
进一步地，所述第一场效应管为N沟道场效应管。
优选地，所述第二场效应管为增强型场效应管。
进一步地，所述第二场效应管为N沟道场效应管。
优选地，所述被测量的功率半导体器件包括功率晶体管以及与所述功率晶体管反并联的二极管。
进一步地，所述第一场效应管的漏极与所述功率晶体管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述功率晶体管的源极连接；具体的，当所述功率晶体管关断时，在线测量电路的输出电压为第二场效应管的栅极阈值电压，当所述功率晶体管导通时，所述在线测量电路的输出电压等于所述功率晶体管的导通压降。
进一步地，所述第一场效应管的漏极与所述二极管的负极连接，所述第二场效应管的源极与所述二极管的正极连接；具体的，当所述二极管关断时，在线测量电路的输出电压为第二场效应管的栅极阈值电压，当所述二极管导通时，所述在线测量电路的输出电压等于所述二极管的导通压降的负值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1.本发明提供的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，电路结构简单，依靠场效应管的特性将被测量的功率半导体器件两端的高电压钳位在一个较低的电压值，不需要额外的低压辅助电源与尖峰抑制电路。
2.本发明提供的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，在被测量的功率半导体器件导通时，在线测量电路中无压降，避免了在线测量电路中元器件压降的变化对测量结果造成影响。
3.本发明提供的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，可以同时测量功率晶体管及其反并联二极管的导通压降，避免需要分开测量的窘境，简化测量步骤，提高测量速度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的功率半导体器件导通压降的在线测量电路的连接示意图；
图2为本发明的功率半导体器件导通压降的在线测量电路用于测量全桥电路中一个桥臂的导通压降的实施例连接示意图；
图3为本发明一实施例的功率半导体器件导通压降的在线测量电路用于测量功率晶体管导通压降时的波形图；
图4为本发明一实施例的功率半导体器件导通压降的在线测量电路用于测量功率二极管导通压降时的波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的功率半导体器件导通压降的在线测量电路包括场效应管和电阻，场效应管的型号可根据实际情况进行选择。以N沟道场效应管为例，如图1所示，为本发明的功率半导体器件导通压降的在线测量电路一实施例的连接示意图，该在线测量电路可以包括第一场效应管M1、电阻R、第二场效应管M2，其中，第一场效应管M1的漏极与被测量的功率半导体器件的一端D相连，第一场效应管M1的源极与电阻R的一端相连，电阻R的另一端分别与第一场效应管M1的栅极、第二场效应管M2的栅极、漏极连接，第二场效应管M2的源极连接被测量的功率半导体器件的另一端S，第二场效应管M2的漏极与源极分别连接输出端A、B。
当被测功率半导体器件关断时，在线测量电路的输入电压，即被测量的功率半导体器件两端的电压为高电压，第一场效应管M1饱和，在线测量电路的输出电压为第二场效应管M2的栅极阈值电压，其中第二场效应管M2的栅极阈值电压略高于被测量的功率半导体器件的导通压降。当被测功率半导体器件导通时，第一场效应管M1导通，且第一场效应管M1和电阻R的压降等于零，测量电路的输出电压等于被测量的功率半导体器件的导通压降。
在一种更优选的实施方式中，第一场效应管M1是耗尽型MOS管，第二场效应管M2是增强型MOS管。
如图2所示，为本发明提供的功率半导体器件导通压降的在线测量电路用于测量全桥电路中一个桥臂的导通压降的实施例连接示意图。图2所示的测试系统采用了两个在线测量电路(VCEM_H和VCEM_L)对右侧桥臂的两个功率半导体器件(DUT_H和DUT_L)进行导通压降的在线监测。其中，每个被测量的功率半导体器件包括一个功率晶体管和一个与之反向并联的续流二极管(T3和D3、T4和D4)。
以上桥臂的导通压降测量电路VCEM_H为例，第一场效应管M1H的漏极与被测量的功率半导体器件DUT_H的一端DH相连，第二场效应管M2H的源极连接被测量的功率半导体器件DUT_H的另一端SH，其中，DH为功率晶体管T3的漏极和二极管D3的负极的公共端，SH为功率晶体管T3的源极和二极管D3的正极的公共端。当被测量的功率半导体器件DUT_H关断时，测量电路的输入电压等于直流母线电压VDC，此时M1H饱和并承受高电压，在线测量电路的输出电压为第二场效应管M2H的栅极阈值电压。当被测量的功率半导体器件DUT_H(T3或D3)导通时，第一场效应管M1H导通且第一场效应管M1H和电阻R的压降等于零，测量电路的输出电压等于被测量的功率半导体器件DUT_H的导通压降。下桥臂的导通压降测量电路VCEM_L的原理与上桥臂的导通压降测量电路VCEM_H的原理相同，在此不再赘述。
本实施例的直流母线电压VDC为150V，被测器件开关频率为20kHz，流经被测量的功率半导体器件DUT_H和DUT_L的电流为10A直流电流。以上桥臂的导通压降测量电路VCEM_H为例，图3、图4分别给出了测量T3、D3导通压降时，DUT_H两端的电压波形VDS和导通压降测量电路的输出电压波形VAB。从图中可以看出当DUT_H关断时，电压等级较高的电压VDS(150V)被本发明实施例的电路钳位至较低等级的电压VAB(3.8V)，而且VAB的振荡峰值被限制在-1V至5V之间。当T3或D3开通时，本发明实施例的电路准确输出被测器件的导通电压。
本发明提供的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，依靠场效应管的特性将被测器件两端的高电压钳位在一个较低的电压值，输出电压的暂态尖峰小，不需要额外的低压辅助电源与尖峰抑制电路，优化电路结构；在被测量的功率半导体器件导通时，在线测量电路中无压降，避免了在线测量电路中元器件压降的变化对测量结果造成影响；并且可以同时测量功率晶体管及其反并联二极管的导通压降，避免需要分开测量的窘境，简化测量步骤，提高测量速度，本发明的功率半导体器件导通压降的在线测量电路电路结构简单、便于测量、测量精准、成本低廉，具有更广泛的应用范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述在线测量电路包括第一场效应管、电阻和第二场效应管，其中，所述第一场效应管的漏极与被测量的功率半导体器件连接，所述第一场效应管的源极与所述电阻的一端相连，所述电阻的另一端分别连接所述第一场效应管的栅极、所述第二场效应管的栅极和所述第二场效应管漏极，所述第二场效应管的源极与所述被测量的功率半导体器件连接，所述第二场效应管的漏极与源极为电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第一场效应管为耗尽型场效应管。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第一场效应管为N沟道场效应管。
4.根据权利要求1所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第二场效应管为增强型场效应管。
5.根据权利要求1或4所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第二场效应管为N沟道场效应管。
6.根据权利要求1所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述被测量的功率半导体器件包括功率晶体管以及与所述功率晶体管反并联的二极管。
7.根据权利要求6所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第一场效应管的漏极与所述功率晶体管的漏极连接，所述第二场效应管的源极与所述功率晶体管的源极连接。
8.根据权利要求7所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，当所述功率晶体管关断时，在线测量电路的输出电压为第二场效应管的栅极阈值电压，当所述功率晶体管导通时，所述在线测量电路的输出电压等于所述功率晶体管的导通压降。
9.根据权利要求6所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，所述第一场效应管的漏极与所述二极管的负极连接，所述第二场效应管的源极与所述二极管的正极连接。
10.根据权利要求9所述的功率半导体器件导通压降的在线测量电路，其特征在于，当所述二极管关断时，在线测量电路的输出电压为第二场效应管的栅极阈值电压，当所述二极管导通时，所述在线测量电路的输出电压等于所述二极管的导通压降的负值。
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