TWI779519B

TWI779519B - 半導體裝置

Info

Publication number: TWI779519B
Application number: TW110109240A
Authority: TW
Inventors: 盧昭正
Original assignee: 盧昭正
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-10-01
Also published as: TW202239096A

Abstract

本發明半導體裝置包括：第一半導體、第二半導體、第三半導體、第一電阻器、第二電阻器、第三電阻器及第一電容器，構成一個具有負載發生過載或短路保護功能之應用電路，可以避免負載兩端發生過載或短路所造成之損害。

Description

半導體裝置

本發明半導體裝置，具有在直流電路應用過程中負載兩端發生過載或短路之保護功能及其包括有第一半導體、第二半導體、第三半導體、第一電阻器、第二電阻器、第三電阻器及第一電容器之電子技術領域。

如圖1所示，請參閱台灣專利證書號發明第I583089號「電池放電保護裝置」，其專利權人與本發明申請人係同一人；當充電動作完成時，將充電裝置100改為負載200，其電池11的正電端與第二半導體14的集極C之間連接有第一集極電阻15，其第二半導體14的基極B與第一半導體12的汲極D之間連接有第一基極電阻16，當電池11對負載200執行放電動作中發生負載200短路時，第二半導體14的基極B的電位為電路正電位，因此第二半導體14的基極B的電位高於射極E而使第二半導體14導通，此時第一半導體12的閘極G與源極S的電位相等，因此第一半導體12開路，此時第一半導體12的汲極電流中止，以保護電池11因發生負載200短路而造成電池11的損壞，若欲解除第二半導體14的導通狀態只需將短路原因去除，即可解除第二半導體14的導通狀態，而恢復第一半導體12的正常狀態，其缺點如下：

1.將負載200兩端造成短路的原因解除後，要設一個開關將負載200開路(Off)，再將所設的開關導通(On)電池11才能再供電於負載200，因此造成增加裝置成本及應用上之不便。

2.若要恢復正常的電路功能，將負載200兩端造成短路的原因解除後，再重新將電池11送電，也要增加一個開關，造成增加裝置成本及應用上之不便。

本發明的目的：

本發明應用第一半導體、第二半導體、第三半導體第一電阻器、第二電阻器、第三電阻器及第一電容器，達到能在直流電路供電中發生負載過載或短路時直流電源得到保護。

當負載發生短路時，本發明應用第二半導體能在極短之時間內執行第一半導體開路動作，達到保護直流電源電路之功能及避免因負載短路而引起之各種災害。

本發明之第三半導體、第二電阻器及第一電容器執行本發明在開機時，使第二半導體執行延時動作，達到短路原因排除時不必重新再送直流電源及不必在負載兩端的短路原因去除後，需要一個開關執行開路與導通的動作。

由上述可知，本發明在開機時，第一半導體的導通時間先，遀後第二半導體才導通，也就是說本發明在開機時第一半導體的導通時間快於第二半導體的導通時間。

本發明有下列之特徵：

1.本發明之第一半導體其負責直流電源之開路與導通供電於負載。

2.本發明之第二半導體，其負責控制第一半導體之開路與導通動作，以達到負載兩端發生短路時保護直流電源電路的目的。

3.本發明之第三半導體，負責控制第二半導體之開路與導通動作時間，以達到啟動第一半導體導通之動作目的。

4.本發明設有第一電阻器具有限制電流的功能，以防止第一半導體因為閘極或基極過大電流而損壞第一半導體。

5.本發明設有第二電阻器具有限制電流的功能，以防止第三半導體因為閘極過大電流而損壞第三半導體，並且具有延時之時間控制的功能。

6.本發明設有第三電阻器具有限制電流的功能，以防止第二半導體的閘極或基極過大電流而損壞第二半導體。

7.本發明之第一電容器，具有延時之時間控制的功能，若第三半導體的輸入電容量(Input Capacitance)，亦就是第三半導體的閘極(Gate)與源極(Source)間的電容量足够時，則可取代第一電容器。

8.本發明之第一半導體包括N通道金屬氧化半導體場效電晶體(N Channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,N Channel MOSFET)、N型電晶體(N Type Transistor)或絕緣閘極雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)三者可以根據需求自行選用。

9.本發明之第二半導體包括N通道金屬氧化半導體場效電晶體、N型電晶體或絕緣閘極雙極電晶體三者可以根據需求自行選用。

10.本發明之第三半導體包括N通道金屬氧化半導體場效電晶體或絕緣閘極雙極電晶體。

11.本發明之第三半導體、第二電阻器與第一電容器組成一時延電路(Time Delay Circuits)，負責執行延時動作，用於控制第二半導體之開路與導通動作時間。

10:直流電源

11:第一開關

12:負載

13:第二開關

20:半導體裝置

21:第一電阻器

22:第二電阻器

23:第三電阻器

24:第一電容器

25:第一半導體

26:第二半導體

27:第三半導體

28:接地端

30:第一接線端

40:第二接線端

50:第三接線端

圖1為習知電池放電保護裝置之實施例。

圖2本發明半導體裝置第一實施例。

圖3本發明半導體裝置第二實施例。

圖4本發明半導體裝置第三實施例。

圖5本發明半導體裝置第四實施例。

如圖2所示，為本發明半導體裝置第一實施例，自圖中可知，本發明半導體電路裝置20包括有第一半導體25、第二半導體26、第三半導體27、第一電阻器21、第二電阻器22、第三電阻器23及第一電容器24。

直流電源10連接第一開關11，第一開關11連接負載12的第一端，負載12的第二端連接第二接線端40、第一半導體25的汲極D(Drain,D)與第三電阻器23的第一端，第三電阻器23的第二端連接第三半導體27的汲極D，第三半導體27的源極S(Source,S)連接第二半導體26的基極B(Base,B)。

直流電源10連接第二開關13的第一端，第二開關13的第二端連接第一接線端30及第一電阻器21的第一端，第一電阻器21的第二端連接第一半導體25的閘極與第二半導體26的集極C。

直流電源10連接第二開關13的第一端，第二開關13的第二端連接第一接線端30及第二電阻器22的第一端，第二電阻器22的第二端連接第三半導體27的閘極G與第一電容器24的第一端，第一電容器24的第二端連接第二半導體26的射極E(Emitter,E)與第一半導體25的源極S成為接地端28或第三接線端50。

若第三半導體27的輸入電容量，也就是第三半導體27的閘極G與源極S間的電容量够大時，可以不連接第一電容器24，而用第三半導體27的輸入電容量取代。

第一開關11的第一端與第二開關13的第一端連接直流電源10的正電端，直流電源10的負電端連接連接第三接線端50及接地端28。

如圖2所示，當第一開關11與第二開關13導通時，即為本發明開機，負載12由直流電源10供電。

當負載12兩端短路時，根據第一半導體25的輸出特性曲線表(Output Characteristics)可知，當第一半導體25的汲極電流(Drain Current)上升到其相對應的汲源極電壓(Drain Source Voltage)到達高於第三半導體27的導通電壓而供電於第二半導體26的基極B，此時第二半導體26的集極C與射極E導通，於是第一半導體25的汲極D與源極S開路，直流電源10不供電於短路負載12，而使直流電源10受到保護；同理，適當的選擇第三電阻器23的電阻值與第三半導體27的汲極D與源極S之間的導通電壓值，配合第一半導體25所需的過載汲極電流亦可達到過載保護的功能；當第一半導體25在過大汲極電流或負載12短路之短路電流，其第一半導體25的汲極D與源極S開路，此即為第一半導體25具有自己保護(Self Protection)之功能。

如圖3所示，為本發明半導體裝置第二實施例，自圖中可知，其係將圖2中的第一半導體25由N通道金屬氧化半導體場效電晶體改為絕緣閘極雙極電晶體，第二半導體26由N型電晶體改為N通道金屬氧化半導體場效電晶體，第三半導體27亦為N通道金屬氧化半導體場效電晶體，其他電路結構皆與圖2相同而不贅述。

如圖3所示，當第一開關11與第二開關13導通時，即為本發明開機，負載12由直流電源10供電。

當負載12兩端短路時，根據第一半導體25的輸出特性曲線表可知，當第一半導體25的集極電流(Collector Current)上升到其相對應的集射極電壓(Collector Emitter Voltage)的導通電壓而供電於第二半導體26的閘極G，此時第二半導體26的汲極D與源極S導通，於是第一半導體25的集極C與射極E開路，直流電源10不供電於短路負載12，而使直流電源10受到保護；同理，適當的選擇第三電阻器23的電阻值與第三半導體27的汲極D與源極S之間的導通電壓值，配合第一半導體25所需的過載集極電流亦可達到過載保護的功能；當第一半導體25在過大汲極電流或負載12短路之短路電流，其第一半導體25的集極C與射極E開路，此即為第一半導體25具有自己保護之功能。

上述圖3可知，將圖2的第一半導體25由N通道金屬氧化半導體場效電晶體改為絕緣閘極雙極電晶體，其動作原理相同，而其負載12短路時之保護直流電源10的功能亦相同；同理，將圖3的第一半導體25由絕緣閘極雙極電晶體改為N型電晶體，其動作原理亦相同；同樣的，圖3的第二半導體26與圖3的第三半導體27亦可由N通道金屬氧化半導體場效電晶體改為絕緣閘極雙極電晶體，其動作原理相同，其選用則依需求而定而不予自限。

如圖4所示，為本發明半導體裝置第三實施例，自圖中可知，其係將圖2的第三半導體27的汲極D與源極S連接到第一半導體25的閘極G與第二半導體26的集極C之間，其第一電阻器21的第二端連接第三半導體27的汲極D，其他電路結構皆與圖2相同而不贅述。

如圖4所示，當第一開關11與第二開關13導通時，即為本發明開機，負載12由直流電源10供電。

當負載12兩端短路時，根據第一半導體25的輸出特性曲線表可知，當第一半導體25的汲極電流上升到其相對應的汲源極電壓到達高於第二半導體26的基射極導通電壓，此時第一半導體25的汲源極電壓供電於第二半導體26的基極B，因此第二半導體26的集極C與射極E導通，因為第三半導體27的汲極D與源極S之間亦是導通，於是第一半導體25的汲極D與源極S開路，直流電源10不供電於短路負載12，而使直流電源10受到保護；同理，適當的選擇第三電阻器23的電阻值與第二半導體26的汲極D與源極S之間的導通電壓值，配合第一半導體25所需的過載汲極電流亦可達到過載保護的功能；當第一半導體25在過大汲極電流或負載12短路之短路電流，其第一半導體25的汲極D與源極S開路，此即為第一半導體25具有自己保護之功能。

如圖5所示，為本發明半導體裝置第四實施例，自圖中可知，其係將圖3的第三半導體27的汲極D與源極S連接到第一半導體25的閘極G與第二半導體26的汲極D之間，其第一電阻器21的第二端連接第三半導體27的汲極D，其他電路結構皆與圖3相同而不贅述。

如圖5所示，當第一開關11與第二開關13導通時，即為本發明開機，負載12由直流電源10供電。

當負載12兩端短路時，根據第一半導體25的輸出特性曲線表可知，當第一半導體25的集極電流上升到其相對應的集射極電壓到達高於第二半導體26的閘源極導通電壓，此時第一半導體25的集射極電壓供電於第二半導體26的閘極G，因此第二半導體26的汲極D與源極S導通，因為第三半導體27的汲極D與源極S之間亦是導通，於是第一半導體25的集極C與射極E開路，直流電源10不供電於短路負載12，而使直流電源10受到保護；

同理，適當的選擇第三電阻器23的電阻值與第二半導體26的汲極D與源極S之間的導通電壓值，配合第一半導體25所需的過載集極電流亦可達到過載保護的功能；當第一半導體25在過大集極電流或負載12短路之短路電流，其第一半導體25的集極C與射極E開路，此即為第一半導體25具有自己保護之功能。

由上述圖5可知，將圖4的第一半導體25由N通道金屬氧化半導體場效電晶體改為絕緣閘極雙極電晶體，其動作原理相同，而其負載12短路時之保護直流電源10的功能亦相同；同理，將圖5的第一半導體25由絕緣閘極雙極電晶體改為N型電晶體，其動作原理亦相同；同樣的，圖5的第二半導體26與第三半導體27亦可由N通道金屬氧化半導體場效電晶體改為絕緣閘極雙極電晶體，其動作原理相同，其選用則依需求而定而不予自限。

由圖2、圖3、圖4與圖5可知，本發明之第三半導體27、第二電阻器22與第一電容器24組成為一時延電路，負責執行延時動作，用於控制第二半導體之開路與導通動作時間，為實際的應用需求亦然可以選用同等功能的時延積體電路或其他等功能的時延電子電路替代，而不自限。

由上述可知，本發明在開機時，第一半導體25的導通時間先，而後第二半導體26才導通，也就是說本發明在開機時第一半導體25的導通時間先於第二半導體26的導通時間。

由上述可知，本發明在負載12過載或短路時，其第二半導體26的汲源極或集射極先導通，第一半導體25的汲源極或集射極後開路。

由上述動作原理與功能動作的說明可知本發明可據於實施。