[发明专利]电压箝位电路、过流保护电路、电压测量探头和设备

说明书

相关申请的交叉引用

本非临时申请基于2007年6月15日向日本专利局提交的日本专利申请No.2007-159032，其全部内容通过引用而被合并于此。

技术领域

本发明涉及一种电压箝位电路以及分别使用该电压箝位电路的半导体器件(device)、过流保护电路、电压测量探头(probe)、电压测量设备和半导体评估设备。更具体地，本发明涉及一种当输入电压低于箝位电压时将输入电压传送到输出节点并且当输入电压高于箝位电压时将输出节点处的电压固定到箝位电压的电压箝位电路、以及分别使用该电压箝位电路的半导体器件、过流保护电路、电压测量探头、电压测量设备和半导体评估设备。

背景技术

近来，随着电力电子技术开发的推进，诸如场效应晶体管(FET)和隔离栅型双极晶体管(IGBT)的高击穿电压半导体开关元件已经实现了高性能。具体地，由于实现低损耗是最重要的挑战，与功率损耗直接相关的导通电阻需要尽可能的小。为此目的，精确测量导通电阻是必不可少的。最近的高击穿电压半导体开关元件频繁执行高速操作，因此从直流(DC)特性计算而来的导通电阻不足以作为性能准则。为了在开关操作期间提供有效的性能准则，要测量动态导通电阻。然而，该动态导通电阻的测量存在困难。

也就是说，在半导体开关元件中，在开关操作期间，高压低电流状态(关断状态期间)反复地与低压高电流状态(导通状态期间)交替。典型地，通过使用示波器观察波形以便允许跟踪随着时间而从高压低电流状态(关断状态期间)到低压高电流状态(导通状态期间)的改变，来执行动态导通电阻的测量。

在利用示波器测量电压波形时，除非在导通状态期间和在关断状态期间电压波形都在相同范围之内，否则示波器内部的放大器的特性是失真的，导致无法精确测量电压波形。因此，需要在对于关断状态期间的高电压(即，电源电压)而言足够宽的范围内测量电压波形。然而，这降低了对于低电压的测量精度，该对于低电压的测量对于测量动态导通电阻是必需的。例如，在导通状态期间的电压为0.1V并且电源电压为100V的情况下，示波器必须被设置在不低于100V的范围内。在此情况下，即使高精度示波器的精度为满量程(full scale)的1％，在100V电压范围下精度为1V。所测量的值完全不可靠。为了解决该问题，已经设计了可以在低电压范围内测量半导体开关元件的端子之间的电压的半导体评估设备。

图10是示出这样的半导体评估设备的配置的电路图。在图10所示的半导体评估设备中，待评估的半导体开关元件(N型场效应晶体管)70的源极接地，其栅极经由电阻元件71连接到脉冲产生电路72，其漏极经由电阻元件73和电流检测器74连接到DC电源75。半导体开关元件70的漏极经由电压箝位电路76连接到示波器80的第一输入端子T1，示波器80的第二输入端子T2和第三输入端子T3分别连接到电流检测器74和半导体开关元件70的栅极。

电压箝位电路76包括连接在输入节点N77和输出节点N78之间的电阻性元件77、串联连接在输出节点N78和地电压GND的线路之间的二极管78和齐纳二极管79。输入节点N77连接到半导体开关元件70的漏极，输出节点N78连接到示波器80的第一输入端子T1。电阻性元件77的电阻值为例如1MΩ，齐纳二极管79的齐纳电压Vz为例如2V。相应地，输出节点N78处的电压Vout被限制为最大Vz，因此示波器70的第一输入端子T1处的电压的范围可以被设置为对于Vz而言足够宽的范围。

图11A是示出半导体开关元件70的栅极电压Vg的时序图，图11B是示出电压箝位电路76的输出电压Vout的时序图。栅极电压Vg在低电压Vgoff和高电压Vgon之间交替切换。当Vg为Vgoff时，半导体开关元件70关断，使得半导体开关元件70的漏极电压Vin变为大约DC电源电压(100V)，而电压箝位电路76的输出电压Vout被固定为箝位电压Vc＝Vz。当Vg从Vgoff上升到Vgon时，半导体开关元件70导通，使得漏极电压Vin突然下降，并且当Vin变为不大于Vc＝Vz时，Vout＝Vin。例如，如果通过使用具有10比特分辨率的示波器80在2V电压范围内进行测量，则测量精度为0.002V，足以允许测量0.1V的导通状态电压。

还存在一种半导体评估设备，其具有连接在半导体开关元件和示波器之间的开关，将半导体开关元件的端子间电压与参考电压进行比较，并且当端子间电压变为低于参考电压时该开关导通(请参见例如日本专利特许公开第2001-004670号)。