CN115201536A - 三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置 - Google Patents

三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置，三端半导体器件串联扩展电压电路包括电阻分压单元、N个阻抗变换单元、功率放大单元和N个浮动辅助电源，所述电阻分压单元由N个均压电阻R串联组成，用于提供给阻抗变换单元作为输入信号；所述阻抗变换单元是具有高输入阻抗和低输出阻抗的电路单元；所述功率放大单元由N个功率半导体器件Q串联组成，所述功率半导体器件为三端半导体器件；所述浮动辅助电源用于提供给阻抗变换单元供电电压。本发明通过加入阻抗变换单元，阻抗变换后对应的功率半导体器件的驱动电流可以达到数十毫安，可以对串联网络中的器件提供较大的驱动电流，可适用于高压线性电子负载、高压功放类产品。

Description

三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置
技术领域
本发明涉及高压功率放大电路技术领域，具体涉及一种三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置。
背景技术
目前，在现有高压功率放大方案中，由于受到半导体功率器件耐压的影响，在实际应用中往往采用高压功率半导体器件（比如：MOS管）串联结构，而通常电路直接通过电阻网络实现对MOS管的串联均压，但受制于电阻网络的阻值大驱动电流小的缘故串联网络中的半导体器件的均压速度则受到限制。从而也就限制了整个回路的速度。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种三端半导体器件串联扩展电压电路及电子负载装置。
本发明公开了三端半导体器件串联扩展电压电路，包括电阻分压单元、N个阻抗变换单元、功率放大单元和N个浮动辅助电源，
所述电阻分压单元由N个均压电阻R串联组成，通过N个均压电阻串联来实现一定的比例分压，用于提供给阻抗变换单元作为输入信号；
所述功率放大单元由N个功率半导体器件Q串联组成，所述功率半导体器件为三端半导体器件；
所述阻抗变换单元是具有高输入阻抗和低输出阻抗的电路单元，N个所述阻抗变换单元的输入端分别对应连接到N个所述电阻分压单元均压电阻R串联节点，N个所述阻抗变换单元的输出端分别对应连接到N个所述功率半导体器件Q的第一端；
所述浮动辅助电源用于提供给阻抗变换单元供电电压，N个所述浮动辅助电源的输出参考端分别对应连接于N个所述功率半导体器件Q的第二端，N个所述浮动辅助电源的输出电源端分别对应连接于N个所述阻抗变换单元的供电端。
进一步地，所述电路的连接方式为：第i个所述均压电阻Ri的第一端分别与第i+1个所述均压电阻Ri+1 的第二端和第i个阻抗变换单元的输入端电连接，第i个所述阻抗变换单元的输出端与第i个所述功率半导体器件Qj的第一端电连接,第i个所述阻抗变换单元的供电端与第i个所述浮动电源的输出电源端电连接， 第i个所述功率半导体器件Qi的第二端分别与第i+1个所述功率半导体器件Qi+1的第三端和第i个所述浮动辅助电源的输出参考端电连接，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，第一个所述功率半导体器件Q1的第三端和第一个所述均压电阻R1的第二端电连接，第N个所述均压电阻RN的第一端与第N个所述阻抗变换单元的输入端电连接，第N个所述阻抗变换单元的输出端与第N个所述功率半导体器件QN的第一端电连接，第N个所述阻抗变换单元的供电端与第N个浮动电源的输出电源端电连接，第N个所述功率半导体器件QN的第二端与第N个浮动辅助电源输出参考端电连接。
进一步地，所述阻抗变换单元采用电压跟随器，所述电压跟随器的一个输入端对应连接于串联均压电阻之间的节点，另一个输入端与其输出端连接，输出端对应耦接到所述功率半导体器件的第一端。
进一步地，所述浮动辅助电源为DC-DC隔离电源模块，所述DC-DC隔离电源模块包括输出参考端和输出电源端，所述输出电源端连接到所述阻抗变换单元，所述输出参考端连接到所述功率半导体器件的第二端。
进一步地，所述功率半导体器件包括MOS管和晶体管，当功率半导体器件为MOS管时，其第一端为MOS管的栅极，第二端为MOS管的源极，第三端为MOS管的漏极，当功率半导体器件为晶体管时，其第一端为晶体管的基极，第二端为晶体管的射极，第三端为晶体管的集电极。
本发明还公开了一种电子负载装置，包括采样单元、控制单元以及由上述三端半导体器件串联扩展电压电路组成的功率单元，所述控制单元的输入端连接采样单元，另一个输入端连接参考信号的输出端，所述控制单元的输出端连接功率单元，所述控制单元根据参考信号和采样信号误差放大控制功率单元，所述功率单元一端连接待测物的一端，另一端通过采样单元与待测物另一端相连，所述采样单元用于采样待测物输出信号并反馈给控制单元，所述功率单元用于实现对待测物的拉载测试。
进一步地，所述功率单元的第一个功率半导体器件Q1的第三端与待测物一端电连接，第N个功率半导体器件QN的第二端通过采样单元后与待测物另一端电连接。
本发明的有益效果：
本发明公开的三端半导体器件串联扩展电压电路通过加入阻抗变换单元，阻抗变换后对应的功率半导体器件的驱动电流可以达到数十毫安。由于阻抗变换单元的特性可以对串联网络中的器件提供较大的驱动电流，这可以使得功率半导体器件的工作速度提升数十倍以上。
本发明可适用于高压线性电子负载、高压功放类产品，三端半导体器件串联扩展电压电路作为电子负载的功率单元，连接待测物，待测物可以是待测电源，电子负载实现对待测电源的拉载测试，大大提升了电子负载输出端的耐压等级，从而为某些需要高速电子负载的高压电源提供了测试解决方案。
附图说明
图1是本发明公开的三端半导体器件串联扩展电压电路。
图2是本发明公开的半导体器件串联扩展电压电路的阻抗变换单元示例性电路图。
图3是本发明公开的半导体器件串联扩展电压电路应用于电子负载时示例性原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明公开了一种功率半导体器件串联扩展电压电路，该电路由电阻分压单元、阻抗变换单元、功率放大单元和浮动辅助电源构成。电阻分压单元通过若干电阻串联来实现一定的比例分压，以提供给阻抗变换单元作为输入信号，由N个均压电阻R串联组成，N个均压电阻分别为R1、R2、R3、…、RN。功率放大单元由N个功率半导体器件Q串联组成，功率半导体器件为如MOS管、晶体管一类的三端半导体器件，N个半导体器件Q分别为Q1、Q2、Q3、…、QN。阻抗变换单元为一个具有高输入阻抗、相对低的输出阻抗和一定的驱动电流的单元。浮动辅助电源为DC-DC隔离电源模块，用于提供给阻抗变换单元供电电压，其输出参考端为三端半导体器件控制引脚的近端，如MOS的源极或晶体管的E极等。阻抗变换单元和浮动辅助电源均有N个。
功率半导体器件可以是MOS管也可以是晶体管，本方案的功率半导体器件为三端半导体器件，为清晰地描述方案中的附图，将三端半导体器件的三端分别标示为第一端、第二端及第三端，第一端为MOS管的栅极或晶体管的基极，第二端为MOS管的源极或晶体管的射极，第三端为MOS管的漏极或晶体管的集电极。
如图1所示，N个功率半导体器件Q中，以MOS管为例，电路连接方式为：第i个功率半导体器件Qi的源极与第i+1个功率半导体器件Qi+1的漏极电连接，第i个功率半导体器件Qi的栅极与第i个阻抗变换单元的输出端电连接，第一个均压电阻R1的第二端与第一个功率半导体器件Q1的漏极电连接，第i个阻抗变换单元的输入端连接于均压电阻Ri及均压电阻Ri+1串联的节点，
Figure 893688DEST_PATH_IMAGE001
。第N个均压电阻RN的第一端与第N个阻抗变换单元的输入端电连接，第N个阻抗变换单元的输出端与第N个功率半导体器件QN的栅极电连接。N个浮动辅助电源的输出参考端对应N个功率半导体器件Q的源极端的近端，N个浮动辅助电源给对应的N个阻抗变换单元供电。
均压电阻R1与均压电阻R2串联节点处V1电压等于功率半导体器件Q1的栅极电压Vg，由于在高压模式，MOS管的栅极驱动电压Vgs远小于Vds，故可以忽略MOS管的栅极驱动电压Vgs，其中Vds为Q1管两端的电压，Vds即为MOS管的漏极D与源极S之间的电压，也即对应均压电阻R1两端的电压约等于功率半导体器件Q1两端的电压。同理，其他串联的功率半导体器件Q2～QN同Q1，对应均压电阻R2～RN两端的电压约等于功率半导体器件Q2～QN两端的电压。由于阻抗变换单元是高输入阻抗，其对电阻分压单元的各个节点电压不会产生影响。且阻抗变换单元的输出电压和输入电位基本相等。因此，保证每个管子工作于其耐压范围内。
阻抗变换单元为一种电路单元，其具有高输入阻抗和低输出阻抗，由于其输出端口的对外阻抗较低即能够提供一定的输出驱动电流能力。如图2，阻抗变换单元示例性的可以为电压跟随器，N个阻抗变换单元为N个电压跟随器,以第一个阻抗变换单元为电压跟随器U1A、第二个阻抗变换单元为电压跟随器U2A为例，第一个阻抗变换单元的一个输入端连接于串联均压电阻R1与均压电阻R2 之间的节点，另一个输入端与其输出端连接，输出端耦接到功率半导体器件Q1的栅极端，第二个阻抗变换单元的一个输入端连接于串联均压电阻R2与均压电阻R3之间的节点，另一个输入端与其输出端连接，输出端耦接到功率半导体器件Q2的栅极端，同理，其他的第3～N个阻抗变换单元的一个输入端对应连接于串联均压电阻R3～RN之间的节点，另一个输入端与其输出端连接，输出端对应耦接到功率半导体器件Q3～QN的栅极端。本方案通过加入阻抗变换单元，阻抗变换后对应的功率半导体器件的驱动电流可以达到数十毫安。由于阻抗变换单元的特性可以对串联网络中的器件提供较大的驱动电流，这可以使得功率半导体器件的工作速度提升数十倍以上。而现有技术中，普通的电阻网络直接均压的驱动电流也只有uA级别，即便某些电路中在电阻网络上并联电容可以适当提高一些速度但其在速度和均压效果上均不理想。
浮动辅助电源为一种输入电源和输出电源呈现高隔离特性的DC-DC隔离电源模块。通常情况下隔离电压在数百伏以上。其主要是给串联扩压的阻抗变换单元提供供电，且可以是DC-DC隔离电源模块的输出参考端连接到功率半导体器件的第二端。DC-DC隔离电源模块输出端包含DC+正电源端、DC-负电源端，具体是DC-DC隔离电源模块的正负电源端或正电源端连接阻抗变换单元的电压跟随器的供电端，电压跟随器的供电端可以是双端供电也可以是单端供电，不做限定。DC-DC隔离电源的参考端连接到功率MOS管的源极端，即DC-DC隔离电源模块的电位参考点连接高压侧MOS管的源极电位。
本发明公开的三端半导体器件串联扩展电压电路可适用于高压线性电子负载，高压功放类产品。以应用于高压线性电子负载为例，如图3，三端半导体器件串联扩展电压电路作为电子负载的功率单元，连接待测物，待测物可以是待测电源，电子负载实现对待测电源的拉载测试。具体电路连接方式为：半导体器件串联扩展电压电路的第1个功率半导体器件Q1的第三端（漏极）与待测物一端电连接，第N个功率半导体器件QN的第二端（源极）通过内部电路(如采样电路)后与待测物另一端电连接。采样单元用于采样待测物的输出信号并反馈给控制单元，控制单元根据参考信号和采样信号误差放大控制功率单元的拉载电流、功率等测试。其中，采样单元包括采样电阻，用于完成电流的采样，控制单元是可以包括运算放大器、输入电阻、反馈电阻等组成的负反馈模拟控制环路，也可以是由数字控制器实现PID调节的负反馈数字控制环路，用于实现电子负载的恒流、恒压、恒阻及恒功率等负载模式，本处采样单元及控制单元不是本发明的重点，在此处不做赘述。电子负载的功率单元由于采用了该三端半导体串联扩压电路，大大提升了电子负载输出端的耐压等级，从而为某些需要高速电子负载的高压电源提供了测试解决方案。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.三端半导体器件串联扩展电压电路，其特征在于，包括电阻分压单元、N个阻抗变换单元、功率放大单元和N个浮动辅助电源，
所述电阻分压单元由N个均压电阻R串联组成，通过N个均压电阻串联来实现一定的比例分压，用于提供给阻抗变换单元作为输入信号；
所述功率放大单元由N个功率半导体器件Q串联组成，所述功率半导体器件为三端半导体器件；
所述阻抗变换单元是具有高输入阻抗和低输出阻抗的电路单元，N个所述阻抗变换单元的输入端分别对应连接到N个所述电阻分压单元均压电阻R串联节点，N个所述阻抗变换单元的输出端分别对应连接到N个所述功率半导体器件Q的第一端；
所述浮动辅助电源用于提供给阻抗变换单元供电电压，N个所述浮动辅助电源的输出参考端分别对应连接于N个所述功率半导体器件Q的第二端，N个所述浮动辅助电源的输出电源端分别对应连接于N个所述阻抗变换单元的供电端。
2.根据权利要求1 所述的三端半导体器件串联扩展电压电路，其特征在于，所述电路的连接方式为：第i个所述均压电阻Ri的第一端分别与第i+1个所述均压电阻Ri+1 的第二端和第i个阻抗变换单元的输入端电连接，第i个所述阻抗变换单元的输出端与第i个所述功率半导体器件Qj的第一端电连接,第i个所述阻抗变换单元的供电端与第i个所述浮动电源的输出电源端电连接， 第i个所述功率半导体器件Qi的第二端分别与第i+1个所述功率半导体器件Qi+1的第三端和第i个所述浮动辅助电源的输出参考端电连接，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，第一个所述功率半导体器件Q1的第三端和第一个所述均压电阻R1的第二端电连接，第N个所述均压电阻RN的第一端与第N个所述阻抗变换单元的输入端电连接，第N个所述阻抗变换单元的输出端与第N个所述功率半导体器件QN的第一端电连接，第N个所述阻抗变换单元的供电端与第N个浮动电源的输出电源端电连接，第N个所述功率半导体器件QN的第二端与第N个浮动辅助电源输出参考端电连接。
3.根据权利要求1所述的三端半导体器件串联扩展电压电路，其特征在于，所述阻抗变换单元采用电压跟随器，所述电压跟随器的一个输入端对应连接于串联均压电阻之间的节点，另一个输入端与其输出端连接，输出端对应耦接到所述功率半导体器件的第一端。
4.根据权利要求1 所述的三端半导体器件串联扩展电压电路，其特征在于，所述浮动辅助电源为DC-DC隔离电源模块，所述DC-DC隔离电源模块包括输出参考端和输出电源端，所述输出电源端连接到所述阻抗变换单元的供电端，所述输出参考端连接到所述功率半导体器件的第二端。
5.根据权利要求1 所述的三端半导体器件串联扩展电压电路，其特征在于，所述功率半导体器件包括MOS管和晶体管，当功率半导体器件为MOS管时，其第一端为MOS管的栅极，第二端为MOS管的源极，第三端为MOS管的漏极，当功率半导体器件为晶体管时，其第一端为晶体管的基极，第二端为晶体管的射极，第三端为晶体管的集电极。
6.电子负载装置，其特征在于，包括采样单元、控制单元以及由权利要求1-5任一项所述三端半导体器件串联扩展电压电路组成的功率单元，所述控制单元的输入端连接采样单元，另一个输入端连接参考信号的输出端，所述控制单元的输出端连接功率单元，所述控制单元根据参考信号和采样信号的误差放大控制功率单元，所述功率单元一端连接待测物的一端，另一端通过采样单元与待测物另一端相连，所述采样单元用于采样待测物输出信号并反馈给控制单元，所述功率单元用于实现对待测物的拉载测试。
7.根据权利要求6所述的电子负载装置，其特征在于，所述功率单元的第一个功率半导体器件Q1的第三端与待测物一端电连接，第N个功率半导体器件QN的第二端通过采样单元后与待测物另一端电连接。
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Assignor: ILD ELECTRONIC Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Three-terminal semiconductor device series extended voltage circuit and electronic load device

Granted publication date: 20221129

License type: Common License

Record date: 20230216

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