CN114755551A - 双脉冲测试电路及双脉冲测试方法 - Google Patents

双脉冲测试电路及双脉冲测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双脉冲测试电路及双脉冲测试方法，所述双脉冲测试电路包括：低压电源、储能电感、高压电容、第一功率器件、第二功率器件及钳位模块；所述储能电感的第一端连接所述低压电源的正极，第二端连接所述第一功率器件的第一端及所述第二功率器件的第一端；所述第一功率器件的第二端连接所述低压电源的负极，控制端接入双脉冲信号；所述第二功率器件的第二端通过所述高压电容连接所述储能电感的第一端；所述钳位模块连接所述高压电容的两端，用于将电容电压钳位至设定高压。通过本发明提供的双脉冲测试电路及双脉冲测试方法，解决了现有双脉冲测试技术中存在高压触电风险及炸管风险的问题。

Description

双脉冲测试电路及双脉冲测试方法
技术领域
本发明涉及半导体功率器件测试领域，特别是涉及一种半导体功率器件的双脉冲测试电路及双脉冲测试方法。
背景技术
在半导体功率器件(如Si MOS、IGBT、SiC MOS及各种快恢复二极管或肖特基二极管等)测试中，双脉冲测试是一种非常基本的测试，主要用来测试二极管的恢复性能(恢复时间和恢复损耗等)和功率器件在开关过程中的损耗等开关性能。
如图1所示，通过对器件Q2的栅极施加一个双脉冲信号(由脉冲发生器提供)，完成待测器件的双脉冲测试；其中，第一个脉冲信号施加后，器件Q2导通，此时，在器件Q2的漏源电压作用下，电感L中的电流逐渐增大；然后器件Q2关断，此时，电感L中的电流通过器件Q1的体二极管(或者器件Q1本身是个单纯二极管)续流；第二个脉冲信号施加后，器件Q2再次导通，此时，器件Q1的体二极管会经过正向续流到反向截止的一个过程，此过程就伴随着体二极管的反向恢复；通过观察示波器电流和电压波形，就可以测出体二极管的反向恢复性能。
此种方法在测量高压器件时，需要用到高压电源(电容CDC上电压会有几百到几千伏)，整个电路中都是高压，为了防止触电，必须有安全可靠的隔离防护措施；某些情况下，若器件突然失效，电容CDC会以几百、上千安级别的电流通过失效器件放电，失效器件会瞬间产生巨大发热，导致炸管(管壳炸裂)。
可见，现有方法存在高压触电风险，且在器件因电流失控导致热失控引起炸裂时，会产生物理损伤风险；因此，在使用现有方法进行双脉冲测试时，必须做好安全可靠的防护措施。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双脉冲测试电路及双脉冲测试方法，用于解决现有双脉冲测试技术中存在高压触电风险及炸管风险的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双脉冲测试电路，所述双脉冲测试电路包括：低压电源、储能电感、高压电容、第一功率器件、第二功率器件及钳位模块；
所述储能电感的第一端连接所述低压电源的正极，第二端连接所述第一功率器件的第一端及所述第二功率器件的第一端；
所述第一功率器件的第二端连接所述低压电源的负极，控制端接入双脉冲信号；
所述第二功率器件的第二端通过所述高压电容连接所述储能电感的第一端；
所述钳位模块连接所述高压电容的两端，用于将电容电压钳位至设定高压。
可选地，所述钳位模块包括：钳位单元和/或电压控制单元；
所述钳位单元连接所述高压电容的两端，用于将电容电压钳位至所述设定高压；
所述电压控制单元连接所述高压电容的两端，用于采样电容电压，并控制电容电压维持在所述设定高压。
可选地，所述钳位单元采用串联的稳压管或TVS管实现。
可选地，所述钳位单元还包括：多路选通开关，两个连接端分别连接所述高压电容的两端，多个选通端连接串联稳压管或TVS管的相应节点处。
可选地，所述电压控制单元包括：采样控制器、功率开关管及功率电阻；
所述采样控制器用于采样电容电压，并比较电容电压和设定高压，以根据比较结果产生控制信号；
所述功率开关管的控制端连接所述采样控制器的输出端，第一端连接所述高压电容的第一端，第二端通过所述功率电阻连接所述高压电容的第二端。
可选地，所述双脉冲测试电路还包括：电压泄放模块，连接所述高压电容的两端，用于在测试完成后泄放电容电压。
可选地，所述电压泄放模块包括：电压检测单元、延时单元及泄放单元；
所述电压检测单元用于检测电容电压，并在电容电压达到设定高压时产生初始泄放信号；
所述延时单元连接所述电压检测单元的输出端，用于根据所述初始泄放信号进行设定时间的延时并产生泄放控制信号；
所述泄放单元连接所述延时单元的输出端及所述高压电容的两端，用于根据所述泄放控制信号对电容电压进行泄放。
可选地，在所述钳位模块中的电压控制单元包括功率开关管和功率电阻时，所述泄放单元共用所述功率开关管和所述功率电阻；此时，所述双脉冲测试电路还包括一或门，两输入端分别连接所述采样控制器的输出端和所述延时单元的输出端，输出端连接所述功率开关管的控制端。
可选地，所述低压电源的电压值小于100V，所述高压电容的容量为10nF-1μF。
本发明还提供了一种基于如上所述的双脉冲测试电路实现的双脉冲测试方法，所述双脉冲测试方法包括：
在第一个脉冲信号到来时，所述第一功率器件导通，所述储能电感存储能量；
在第一个脉冲信号结束时，所述第一功率器件关断，所述第二功率器件中的二极管续流并对所述高压电容充电，及将电容电压钳位至设定高压；
在第二个脉冲信号到来时，所述第一功率器件导通的瞬间，完成所述第一功率器件或所述第二功率器件的双脉冲测试。
可选地，在双脉冲测试完成后，所述双脉冲测试方法还包括：对电容电压进行泄放的步骤。
如上所述，本发明的一种双脉冲测试电路及双脉冲测试方法，利用低压电源产生测试高压，在不需要高压电源的情况下就可以测试几千伏高压下功率器件的开关性能和/或二极管反向恢复性能；而且，在测试完成后立即泄放掉测试高压，测试高压存在时间为μs级别，即使接触也没有触电风险。本发明整个测试电路中无高压电源存在，即使功率器件损坏，但由于低压电源的电压较低，并且电流能力有限，也不会产生炸管等可能的物理损伤；同时，节省了高压电源的费用，更省去了防触电以及物理伤害的防护装置的费用，缩小了测试电路的体积。
附图说明
图1显示为现有双脉冲测试电路的示意图。
图2显示为本发明双脉冲测试电路的示意图。
图3显示为本发明双脉冲测试电路中电容电压上升和泄放的局部放大图。
元件标号说明
10 钳位模块
11 钳位单元
12 电压控制单元
121 采样控制器
20 电压泄放模块
21 电压检测单元
22 延时单元
23 泄放单元
30 或门
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图2所示，本实施例提供一种双脉冲测试电路，所述双脉冲测试电路包括：低压电源VDC、储能电感L1、第一功率器件Q1、第二功率器件Q2、高压电容C1及钳位模块10。进一步的，所述双脉冲测试电路还包括：电压泄放模块20。
所述低压电源VDC的正极连接所述储能电感L1的第一端，负极连接所述第一功率器件Q1的第二端。其中，所述低压电源VDC的电压值小于100V；当然，其它电压值，如等于100V，或略大于100V也同样可以，电压值的大小不应对本实施例的方案有所限制。
进一步的，所述双脉冲测试电路还包括滤波电容CDC，并联于所述低压电源VDC的正极和负极之间。
所述储能电感L1的第一端连接所述低压电源VDC的正极，第二端连接所述第一功率器件Q1的第一端及所述第二功率器件Q2的第一端。实际应用中，应合理设计所述储能电感L1的感值，以得到所需大小的电感电流。
所述第一功率器件Q1的第一端连接所述储能电感L1的第二端，第二端连接所述低压电源VDC的负极，控制端接入双脉冲信号。进一步的，所述第一功率器件Q1的控制端通过电阻R1接入所述双脉冲信号。
所述第二功率器件Q2的第一端连接所述储能电感L1的第二端，第二端连接所述高压电容C1的第二端。
一示例中，所述第二功率器件Q2为二极管；此时，所述第二功率器件Q2的第一端为二极管的正极，第二端为二极管的负极。
另一示例中，所述第二功率器件Q2为功率开关管；若功率开关管为NMOS管，则所述第二功率器件Q2的第一端为NMOS管的源极，第二端为NMOS管的漏极；若功率开关管为PMOS管，则所述第二功率器件Q2的第一端为PMOS管的漏极，第二端为PMOS管的源极。需要说明的是，无论功率开关管为NMOS管还是PMOS管，都可以通过控制栅极来使其始终处于关断状态，而如何控制栅极使MOS管始终处于关断状态则为本领域技术人员所公知的，如使MOS管的栅源短接等，此处就不再赘述。
所述高压电容C1的第一端连接所述储能电感L1的第一端，第二端连接所述第二功率器件Q2的第二端。其中，所述高压电容C1为小容量电容，如其容量为10nF-1μF，以利用小容量的电容实现快速充电至设定高压。本示例中，所述高压电容C1为高频低阻薄膜电容。
所述钳位模块10连接所述高压电容C1的两端，用于将电容电压钳位至设定高压。
具体的，所述钳位模块10包括：钳位单元11和/或电压控制单元12。实际应用中，所述钳位模块10可以仅包括钳位单元11，也可以仅包括电压控制单元12，更可以同时包括钳位单元11和电压控制单元12；钳位单元11和电压控制单元12均可以实现电压钳位，只是若仅通过钳位单元11实现电压钳位，那么，钳位单元11中的器件可能存在烧毁的风险。本示例中，所述钳位模块10同时包括钳位单元11和电压控制单元12。
所述钳位单元11连接所述高压电容C1的两端，用于将电容电压钳位至所述设定高压。
更具体的，所述钳位单元11采用串联的稳压管或TVS管(瞬态抑制二极管)实现。本示例中，所述钳位单元11采用串联的TVS管(如D1-Dn)实现。需要说明的是，稳压管或TVS管的串联数量可根据实际应用中所需要的测试高压(其与设定高压相等)来设定，本示例对此不做限制。
进一步的，所述钳位单元11还包括：多路选通开关S1；所述多路选通开关S1的两个连接端分别连接所述高压电容C1的两端，多个选通端连接串联稳压管或TVS管的相应节点处；用于选择稳压管或TVS管的串联数量，以此实现自动设置所述设定高压的值。需要说明的是，N个稳压管或TVS管串联，会形成(N+1)个节点，可在(N+1)个节点中选取多个节点对应连接多个选通端，也可以使(N+1)个节点都对应连接一个选通端，本示例对此不做限制。
所述电压控制单元12连接所述高压电容C1的两端，用于采样电容电压，并控制电容电压维持在所述设定高压。
更具体的，所述电压控制单元12包括：采样控制器121、功率开关管Q3及功率电阻R2。
所述采样控制器121用于采样电容电压，并比较电容电压和设定高压，以根据比较结果产生控制信号。在电容电压小于所述设定高压时，所述采样控制器121输出无效的控制信号；在电容电压大于所述设定高压时，所述采样控制器121输出有效的控制信号。
所述功率开关管Q3的控制端连接所述采样控制器121的输出端，第一端连接所述高压电容C1的第一端，第二端通过所述功率电阻R2连接所述高压电容C1的第二端。在所述采样控制器121输出无效的控制信号时，所述功率开关管Q3关断；在所述采样控制器121输出有效的控制信号时，所述功率开关管Q3导通；通过控制所述功率开关管Q3的导通和关断，来使所述高压电容C1上的电容电压维持在所述设定高压。
所述电压泄放模块20连接所述高压电容C1的两端，用于在测试完成后泄放电容电压。
具体的，所述电压泄放模块20包括：电压检测单元21、延时单元22及泄放单元23。
所述电压检测单元21用于检测电容电压，并在电容电压达到设定高压时产生初始泄放信号。
所述延时单元22连接所述电压检测单元21的输出端，用于根据所述初始泄放信号进行设定时间的延时并产生泄放控制信号。具体为：在接收到所述初始泄放信号后，所述延时单元22开始进行设定时间的延时，并在延时设定时间后产生泄放控制信号。需要说明的是，所述设定时间的选择需要考虑双脉冲测试的时间，也即，双脉冲测试必须在所述设定时间内完成；通常情况下，双脉冲测试会在几个μs内完成。
所述泄放单元23连接所述延时单元22的输出端及所述高压电容C1的两端，用于根据所述泄放控制信号对电容电压进行泄放。
更具体的，所述泄放单元23可采用功率开关管和功率电阻来实现；而在所述钳位模块10中的电压控制单元12包括功率开关管Q3和功率电阻R2时，所述泄放单元23共用所述功率开关管Q3和所述功率电阻R2；此时，所述双脉冲测试电路还包括一或门30，所述或门的两输入端分别连接所述采样控制器121的输出端和所述延时单元22的输出端，输出端连接所述功率开关管Q3的控制端。
本实施例还提供一种基于如上所述的双脉冲测试电路实现的双脉冲测试方法，所述双脉冲测试方法包括：步骤1)、步骤2)及步骤3)。进一步的，所述双脉冲测试方法还包括：步骤4)。
步骤1)在第一个脉冲信号到来时，所述第一功率器件Q1导通，所述储能电感L1存储能量。
具体的，在第一个脉冲信号到来时，所述第一功率器件Q1导通，所述低压电源VDC、所述储能电感L1及所述第一功率器件Q1形成通路，此时，所述储能电感L1存储能量，也即充电。
步骤2)在第一个脉冲信号结束时，所述第一功率器件Q1关断，所述第二功率器件Q2中的二极管续流并对所述高压电容C1充电，及将电容电压钳位至设定高压。
具体的，在第一个脉冲信号结束时，所述第一功率器件Q1关断，所述储能电感L1、所述第二功率器件Q2中的二极管及所述高压电容C1形成通路，此时，所述储能电感L1放电，并对所述高压电容C1充电，所述钳位模块10将所述高压电容C1的电容电压钳位至所述设定高压。
步骤3)在第二个脉冲信号到来时，所述第一功率器件Q1导通的瞬间，完成所述第一功率器件Q1或所述第二功率器件Q2的双脉冲测试。
具体的，在第二个脉冲信号到来时，所述第一功率器件Q1再次导通，在其导通的瞬间，所述高压电容C1向待测器件提供高电压，以此完成待测器件的双脉冲测试；其中，若所述第一功率器件Q1为待测器件，则在所述第一功率器件Q1导通的瞬间，完成所述第一功率器件Q1的开关性能测试；若所述第二功率器件Q2为待测器件，则在所述第一功率器件Q1导通的瞬间，完成所述第二功率器件Q2中二极管的反向恢复性能测试。
步骤4)在双脉冲测试完成后，对电容电压进行泄放。
具体的，在检测到所述高压电容C1的电容电压达到所述设定高压时，延时设定时间后直接泄放掉电容电压。
图3是对本实施例所述双脉冲测试电路进行实测所得的波形图，其中，电容电压上升至900V的设定高压仅需3.5μs，高压持续时间仅为2μs；由于高压持续时间非常短，实测用手触摸无任何感觉。
综上所述，本发明的一种双脉冲测试电路及双脉冲测试方法，利用低压电源产生测试高压，在不需要高压电源的情况下就可以测试几千伏高压下功率器件的开关性能和/或二极管反向恢复性能；而且，在测试完成后立即泄放掉测试高压，测试高压存在时间为μs级别，即使接触也没有触电风险。本发明整个测试电路中无高压电源存在，即使功率器件损坏，但由于低压电源的电压较低，并且电流能力有限，也不会产生炸管等可能的物理损伤；同时，节省了高压电源的费用，更省去了防触电以及物理伤害的防护装置的费用，缩小了测试电路的体积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种双脉冲测试电路，其特征在于，所述双脉冲测试电路包括：低压电源、储能电感、高压电容、第一功率器件、第二功率器件及钳位模块；
所述储能电感的第一端连接所述低压电源的正极，第二端连接所述第一功率器件的第一端及所述第二功率器件的第一端；
所述第一功率器件的第二端连接所述低压电源的负极，控制端接入双脉冲信号；
所述第二功率器件的第二端通过所述高压电容连接所述储能电感的第一端；
所述钳位模块连接所述高压电容的两端，用于将电容电压钳位至设定高压。
2.根据权利要求1所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述钳位模块包括：钳位单元和/或电压控制单元；
所述钳位单元连接所述高压电容的两端，用于将电容电压钳位至所述设定高压；
所述电压控制单元连接所述高压电容的两端，用于采样电容电压，并控制电容电压维持在所述设定高压。
3.根据权利要求2所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述钳位单元采用串联的稳压管或TVS管实现。
4.根据权利要求3所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述钳位单元还包括：多路选通开关，两个连接端分别连接所述高压电容的两端，多个选通端连接串联稳压管或TVS管的相应节点处。
5.根据权利要求2所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述电压控制单元包括：采样控制器、功率开关管及功率电阻；
所述采样控制器用于采样电容电压，并比较电容电压和设定高压，以根据比较结果产生控制信号；
所述功率开关管的控制端连接所述采样控制器的输出端，第一端连接所述高压电容的第一端，第二端通过所述功率电阻连接所述高压电容的第二端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述双脉冲测试电路还包括：电压泄放模块，连接所述高压电容的两端，用于在测试完成后泄放电容电压。
7.根据权利要求6所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述电压泄放模块包括：电压检测单元、延时单元及泄放单元；
所述电压检测单元用于检测电容电压，并在电容电压达到设定高压时产生初始泄放信号；
所述延时单元连接所述电压检测单元的输出端，用于根据所述初始泄放信号进行设定时间的延时并产生泄放控制信号；
所述泄放单元连接所述延时单元的输出端及所述高压电容的两端，用于根据所述泄放控制信号对电容电压进行泄放。
8.根据权利要求7所述的双脉冲测试电路，其特征在于，在所述钳位模块中的电压控制单元包括功率开关管和功率电阻时，所述泄放单元共用所述功率开关管和所述功率电阻；此时，所述双脉冲测试电路还包括一或门，两输入端分别连接所述采样控制器的输出端和所述延时单元的输出端，输出端连接所述功率开关管的控制端。
9.根据权利要求1所述的双脉冲测试电路，其特征在于，所述低压电源的电压值小于100V，所述高压电容的容量为10nF-1μF。
10.一种基于如权利要求1-9任一项所述的双脉冲测试电路实现的双脉冲测试方法，其特征在于，所述双脉冲测试方法包括：
在第一个脉冲信号到来时，所述第一功率器件导通，所述储能电感存储能量；
在第一个脉冲信号结束时，所述第一功率器件关断，所述第二功率器件中的二极管续流并对所述高压电容充电，及将电容电压钳位至设定高压；
在第二个脉冲信号到来时，所述第一功率器件导通的瞬间，完成所述第一功率器件或所述第二功率器件的双脉冲测试。
11.根据权利要求10所述的双脉冲测试方法，其特征在于，在双脉冲测试完成后，所述双脉冲测试方法还包括：对电容电压进行泄放的步骤。
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