CN117055674A - 一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，属于电力电子技术领域。该双极性脉冲恒流源包括正脉冲恒流源以及负脉冲恒流源，正脉冲恒流源包括正参考电位选取电路、正向恒流源电路和正脉冲恒流源控制电路，负脉冲恒流源包括负参考电位选取电路、反向恒流源电路和负脉冲恒流源控制电路。参考电位选取电路的噪声滤除电容和恒流源电路的滤波电感，极大地降低了恒流源输出电流的波动；本发明在保障了脉冲电流源能快速切换的同时，采用类电荷泵的方法驱动MOS管，不再需要隔离电源驱动开关管，极大地减小了电路的体积。该双极性脉冲恒流源具有切换速率快、高稳定性、高精度、小体积、可双极性输出等特点，可满足结温快速变化的工况下功率半导体器件多种温敏电参数快速提取的测量需求。

Description

一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体是一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源。

背景技术

高精度、低温漂、高可靠性、高切换速率的恒流源被广泛应用于功率半导体器件瞬态热特性测试、温度敏电参数测量、时钟电路、震荡器等各个领域。这些高精度仪器以及高精度测量对恒流源提出了非侵入性、快速响应、高精度的需求，特别是在功率半导体器件温敏电参数测量中，准确测量功率半导体器件的结温是器件实时状态监测、可靠性评估的前提，因此功率半导体器件的结温提取在电力电子***中有着重要地位。在实际应用中，常使用温敏电参数法实时获取功率半导体器件结温，该方法具有非侵入性、快速响应、高精度、低成本等优点。随着电力电子相关技术的发展，对于结温提取技术的精度要求也日益升高。

一方面，在提取功率半导体器件的温敏电参数时，常需要恒流源辅助测量，稳定的恒流源是保证温敏电参数提取准确性的前提。另一方面，不同的温敏电参数对辅助恒流源的电流极性有不同的要求，例如在测量SiC MOSFET体二极管压降时，需要提供一个由源极到漏极的恒定电流；在测量SiC MOSFET阈值电压时，需要提供一个由漏极到源极的恒定电流。因此，能够产生双极性脉冲电流的恒流源对于满足不同温敏电参数测量需求、减少测量操作复杂性、增加测量电路普适性具有重要意义。此外，恒流源的切换延时是影响结温提取准确性的一个关键因素，尤其是在结温快速变化的工况下，对恒流源的切换延时要求更高。在实际应用中，由于主电路的高压以及大电流的存在，需要恒流源具有耐高压以及防止电流倒灌的能力。现有的脉冲恒流源主要存在以下问题，其一，大多的脉冲恒流源切换速率较慢，脉冲电流具有百us级甚至ms级别输出延时，无法满足如瞬态热特性测试的高切换速率的需求。其二，输出电流稳定性不足，无法满足高精度的测量需求。其三，利用接地电阻反馈的恒流源难以与其他电路集成。

发明内容

本发明针对目前功率半导体器件温敏电参数的测量需求，提出一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源。该双极性脉冲恒流源具有切换速率快、高稳定性、高精度、小体积、可双极性输出等特点，可满足结温快速变化的工况下功率半导体器件多种温敏电参数快速提取的测量需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，包括正脉冲恒流源以及负脉冲恒流源；其特征在于，正脉冲恒流源包括正参考电位选取电路、正向恒流源电路和正脉冲恒流源控制电路；负脉冲恒流源包括负参考电位选取电路、反向恒流源电路和负脉冲恒流源控制电路；

所述正脉冲恒流源控制电路包含MOS管M1～M4、驱动电阻R4～R8、二极管D1～D2、电容C2、三极管Q2以及正脉冲电流控制端；其中，三极管Q2为NPN三极管，MOS管M1与M4为N沟道MOS管，MOS管M2与M3为P沟道MOS管；MOS管M1的漏极与正向恒流源电路的三极管Q1的集电极相连，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的栅极与驱动电阻R4的一端相连，驱动电阻R4的另一端和驱动电阻R5的一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与驱动电阻R5的另一端、驱动电阻R6的一端、驱动电阻R8的一端以及正脉冲恒流源控制端相连；驱动电阻R6的另一端与MOS管M3和MOS管M4的栅极相连，MOS管M4的源极与负电压源相连，MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极以及驱动电阻R7的一端相连，驱动电阻R7的另一端与电容C2的另一端相连，电容C2的一端和MOS管M2的源极与正向恒流源电路的三极管Q1的集电极相连；驱动电阻R8的另一端与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与MOS管M3的源极以及MOS管M2的栅极相连，三级管Q2的集电极与MOS管M2的源极相连，MOS管M2的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极为正脉冲恒流源的输出端；

所述负脉冲恒流源控制电路包括MOS管M5～M8、驱动电阻R12～R16、二极管D3～D4、电容C4、三极管Q4和负脉冲电流控制端；其中，MOS管M7与M8为N沟道MOS管，MOS管M5与M6为P沟道MOS管，三极管Q4为PNP三极管；MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极与反向恒流源电路的三极管Q3的集电极相连，MOS管M5的栅极与驱动电阻R12的一端相连，驱动电阻R12的另一端与驱动电阻R13的一端和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与驱动电阻R13的另一端、驱动电阻R14的一端、驱动电阻R16的一端以及负脉冲电流控制端相连；驱动电阻R14的另一端与MOS管M6和MOS管M7的栅极相连，MOS管M6的源极与正电压源相连，MOS管M6的漏极与MOS管M7的漏极以及驱动电阻R15的一端相连，驱动电阻R15的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端、MOS管M8的源极以及三极管Q4的集电极与反向恒流源电路的三极管Q3的集电极相连；驱动电阻R16的另一端与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极与MOS管M7的源极以及MOS管M8的栅极相连，三极管Q4的集电极与MOS管M8的源极相连，MOS管M8的漏极与二极管D4的阴极相连，二极管D4的阳极为负脉冲恒流源的输出端。

进一步的，所述正参考电位选取电路包括分压电阻R1、R2和噪声滤除电容C1；分压电阻R1的一端与正电压源连接，另一端与分压电阻R2的一端、噪声滤除电容C1的一端以及正向恒流源电路的运算放大器U1的同相输入端相连，分压电阻R2以及噪声滤除电容C1的另一端接地；或者正参考电位选取电路采用DAC信号经过同相比例运算电路输出正参考电位。

进一步的，所述正向恒流源电路包括滤波电感L1、电流调节电阻R3、运算放大器U1和三极管Q1，三极管Q1为PNP三极管；滤波电感L1的一端与正电压源连接，另一端与电流调节电阻R3的一端连接，电流调节电阻R3的另一端与三极管Q1的发射极以及运算放大器U1的反相输入端连接，三极管Q1的基极与运算放大器U1的输出端连接，三极管Q1的集电极与正脉冲恒流源控制电路相连。

进一步的，所述负参考电位选取电路包括分压电阻R9、R10和噪声滤除电容C3；分压电阻R10的一端与负电压源连接，另一端与分压电阻R9的一端、噪声滤除电容C3的一端以及反向恒流源电路的运算放大器U2的同相输入端相连，分压电阻R9以及滤除电容C3的另一端接地。

进一步的，所述反向恒流源电路包括滤波电感L2、电流调节电阻R11、运算放大器U2和三极管Q3，三极管Q3为NPN三极管；滤波电感L2的一端与负电压源连接，另一端与电流调节电阻R11的一端连接，电流调节电阻R11的另一端与三极管Q3的发射极以及运算放大器U2的反相输入端连接，三极管Q3的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q3的集电极与负脉冲恒流源控制电路相连。

进一步的，当正脉冲恒流源控制端输出高电平时，正脉冲恒流源控制端提供的正脉冲恒流源电流经过二极管D1、驱动电阻R4，为MOS管M1的栅极充电使MOS管M1快速开通，正脉冲恒流源控制端为三极管Q2提供基极电流，使MOS管M2断开，同时正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极放电以及MOS管M4栅极充电，使MOS管M3断开、MOS管M4开通，负电压源经过驱动电阻R7为电容C2充电，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M2，而只流经MOS管M1，完成电流切换；当正脉冲恒流源控制端输出低电平时，正脉冲恒流源控制端提供的正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R4、R5，为MOS管M1的栅极放电使MOS管M1快速断开，正脉冲恒流源控制端不再为三极管Q2提供基极电流，同时正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极充电以及MOS管M4栅极放电，使MOS管M3开通、MOS管M4断开，电容C2经过驱动电阻R7和MOS管M3为MOS管M2的栅极充电使MOS管M2开通，此时电流不再流经MOS管M1，而只流经MOS管M2，完成电流切换；

当负脉冲恒流源控制端输出低电平时，负脉冲恒流源控制端提供的负脉冲恒流源电流经过二极管D3、驱动电阻R13，为MOS管M5的栅极充电使MOS管M5快速开通，负脉冲恒流源控制端为三极管Q4提供基极电流，使MOS管M8断开，同时负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极放电以及MOS管M6栅极充电，使MOS管M7断开、MOS管M6开通，正电压源通过驱动电阻R15为电容C4充电，此时负脉冲恒流源电流不再流经MOS管M8，而只流经MOS管M5，完成电流切换；当负脉冲恒流源控制端输出高电平时，负脉冲恒流源控制端提供的负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R12、R13，为MOS管M5的栅极放电使MOS管M5快速断开，负脉冲恒流源控制端不再为三级管Q4提供基极电流，同时负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极充电以及MOS管M6栅极放电，使得MOS管M7开通、MOS管M6断开，电容C4经过驱动电阻R15以及MOS管M7，为MOS管M8的栅极充电使MOS管M8开通，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M5，而只流经MOS管M8，完成电流切换。

相比于现有技术，本发明的优势在于：

1、在结温快速单调变化的工况下，恒流源的切换延迟是影响功率半导体器件峰值/谷值结温提取的关键因素，过大的切换延时会导致峰值/谷值结温的测量结果与实际值具有较大偏差，不能准确反映功率半导体器件的工作状态。因此，本发明提出一种具有高切换速率的脉冲恒流源用于辅助功率半导体器件的温敏电参数提取。在测量功率半导体器件的电参数时，恒流源的恒流值会影响电参数的测量，由于在参考电位选取电路中添加了噪声滤除电容以及在恒流源电路中添加了滤波电感，极大地降低了恒流源输出电流的波动，在实际测试中，当设定输出电流为1mA时，电流的波动仅有不到50nA，具有极高的电流稳定性。因此，本发明所设计的双极性脉冲恒流源具有较高精度，可用于功率半导体器件电参数的精确测量。

2、现有的脉冲恒流源的控制电路中大多需要隔离电源用于驱动开关管，而本发明在保障了脉冲电流源能快速切换的同时，采用类电荷泵的方法驱动MOS管，不再需要隔离电源驱动开关管，极大地减小了电路的体积。

3、本发明采用低开关延迟的MOS管，具有极高的切换速率。相比于使用固态继电器充当切换开关需要us级甚至ms级的开通关断延迟，本发明所采用的切换延迟可达ns级，极大的缩短了电流的输出响应时间，适用于温度变化极快的瞬态热测试中充当辅助脉冲恒流源。

4、与常规电流源相比，本发明设计的电流源在结构上进行了优化，将恒流源的电流调节电阻R3、R11接在电源端，实现了电流负输出端与地的统一；而常规恒流源在设计时往往需要在电流负输出端与地之间添加反馈电阻，这种设计方法增加了结构的复杂性，在进行测量时，常规电流源在计算时因为有接地的反馈电阻的存在，需要减去电流负输出端电压才能得到脉冲恒流源的输出电压，而本发明无需进行相减操作，直接测量得到的电压即为脉冲恒流源的输出电压，简化了输出电压测量步骤。

5、本发明在电流输出端设有与输出电流同向的二极管，可防止电流倒灌进入恒流源电路。将发明所用的MOS管(M2、M8)以及二极管(D2、D4)替换为可耐受高电压的器件，即可在待测器件工作在高电压的场合下使用。将正脉冲恒流源的MOS管M2替换为耐高压器件，正脉冲恒流源则拥有耐受较高负压的能力，而将正脉冲恒流源的二极管M2替换为耐高压器件，正向脉冲恒流源则拥有耐受高正压的能力。同理，将负脉冲恒流源的MOS管M8替换为耐高压器件，负脉冲恒流源则拥有耐受较高正压的能力，而将负脉冲恒流源的二极管M4替换为耐高压器件，负向脉冲恒流源则拥有耐受高负压的能力。因此，通过选取不同耐压的MOS管、二极管可以提高该双极性脉冲恒流源的耐压等级，拓展其适用范围。

附图说明

图1为本发明的双极性脉冲恒流源的拓扑图；

图2为基于DAC的正、负参考电位产生电路；

图3为SiC MOSFET阈值电压测量电路；

图4为SiC MOSFET体二极管压降测量电路。

具体实施方式

下面将结合附图给出具体实施例，具体实施例仅用于详细介绍本发明的技术方案，并不以此限定本申请的保护范围。

本发明提出一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源(简称双极性脉冲恒流源，参见图1～2)，该双极性脉冲恒流源具有高切换速率、高可靠性、高精度、小体积等特点，包括正脉冲恒流源以及负脉冲恒流源；

正脉冲恒流源包括正参考电位选取电路、正向恒流源电路和正脉冲恒流源控制电路；其中，正参考电位选取电路包括分压电阻R1、R2和噪声滤除电容C1；分压电阻R1的一端与正电压源Vcc连接，另一端与分压电阻R2的一端、正向恒流源电路的运算放大器U1的同相输入端以及噪声滤除电容C1的一端连接并形成连接点，连接点为后级恒流源电路提供正参考电位V_{ref_I+}；分压电阻R2以及噪声滤除电容C1的另一端接地。噪声滤除电容C1可选取1μF。正参考电位计算公式为：

其中，R₁、R₂为分压电阻R1、R2的阻值，V_cc为正电压源Vcc的电压。

正参考电位选取电路除了使用电阻分压的结构，还可通过DAC的方式；如图2所示，DAC信号可由专门的DAC芯片或者单片机的DAC外设产生，DAC信号接入电阻R3的一端，电阻R4的另一端与运算放大器的同相输入端连接，电阻R2一端与运算放大器输出端连接，电阻R2的另一端与运算放大器的反相输入端以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端接地，DAC信号经过同相比例运算电路输出得到正参考电位V_{ref_I+}。

正向恒流源电路包括滤波电感L1、电流调节电阻R3、运算放大器U1和三极管Q1；滤波电感L1的一端与正电压源Vcc连接，另一端与电流调节电阻R3的一端连接，电流调节电阻R3的另一端与三极管Q1的发射极以及运算放大器U1的反相输入端连接，三极管Q1的基极与运算放大器U1的输出端连接，三极管Q1的集电极与正脉冲恒流源控制电路的MOS管M1的漏极、MOS管M2的源极、三极管Q2的集电极以及电容C2的一端连接；其中，三极管Q1为PNP三极管，此处的PNP三极管也可用P沟道MOS管代替，P沟道MOS管的栅极、源极、漏极分别替代PNP三级管的基极、发射极、集电极。

运算放大器U1通过控制正电压源Vcc到电流调节电阻R3另一端的压差恒定的方式达到恒定电流的目的，三极管Q1的集电极电流即为该双极性脉冲电流源的正脉冲输出电流；由于三极管Q1的电流放大倍数较大，且三极管Q1基极电流可忽略，因此三极管Q1的集电极电流可约等于发射极电流；当集电极电流小于预设的正脉冲恒流源电流时，发射极电流同样减小导致正电压源Vcc到电流调节电阻R3另一端的压差减小，此时运算放大器U1反向输入端的电压大于同相输入端的电压，由于负反馈的作用运算放大器U1的输出电压会减小，而三极管Q1发射极到基极的二极管压降几乎不变，因此电流调节电阻R3另一端的电压会减小，使得正电压源Vcc到电流调节电阻R3另一端的压差增大，导致三极管Q1的发射极电流以及集电极电流增大，形成电流的负反馈作用，最终使输出电流稳定在预设的正脉冲恒流源电流。当三极管Q1的集电极电流大于预设的正脉冲恒流源电流时，发射极电流同样增大导致正电压源Vcc到电流调节电阻R3另一端的压差增大，此时运算放大器U1反向输入端的电压小于同相输入端的电压，由于负反馈的作用运算放大器U1的输出电压会增大，而三极管Q1发射极到基极的二极管压降几乎不变，因此电流调节电阻R3另一端的电压会增大，使得正电压源Vcc到电流调节电阻R3另一端的压差减小，导致三极管Q1的发射极电路以及集电极电流减小，形成电流的负反馈作用，最终使输出电流稳定在预设的正脉冲恒流源电流。预设的正脉冲恒流源电流计算公式为：

其中，R₃为电流调节电阻R3的阻值。

正脉冲恒流源控制电路包含MOS管M1～M4、驱动电阻R4～R8、二极管D1～D2、电容C2、三极管Q2以及正脉冲电流控制端I+_CTR；其中，MOS管M1与M4为N沟道MOS管，MOS管M2与M3为P沟道MOS管，三极管Q2为NPN三极管；MOS管M1的漏极与三极管Q1的集电极相连，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的栅极与驱动电阻R4的一端相连，驱动电阻R4的另一端和驱动电阻R5的一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与驱动电阻R5的另一端、驱动电阻R6的一端、驱动电阻R8的一端以及正脉冲恒流源控制端I+_CTR相连，正脉冲恒流源控制端I+_CTR用于控制正脉冲恒流源快速切换；驱动电阻R6的另一端与MOS管M3和MOS管M4的栅极相连，MOS管M4的源极与负电压源Vee相连，MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极以及驱动电阻R7的一端相连，驱动电阻R7的另一端与电容C2的另一端相连，电容C2的一端和MOS管M2的源极与三极管Q1的集电极相连；驱动电阻R8的另一端与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与MOS管M3的源极以及MOS管M2的栅极相连，三级管Q2的集电极与MOS管M2的源极相连，MOS管M2的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极即为正脉冲恒流源的输出端；驱动电阻R7与电容C2的位置可以互换；NPN三极管Q2可通过N沟道MOS管代替，N沟道MOS管的栅极、源极、漏极分别替代NPN三级管的基极、发射极、集电极。

当正脉冲恒流源控制端I+_CTR为高电平时，正脉冲恒流源控制端提供的电流经过二极管D1、驱动电阻R4，为MOS管M1的栅极充电促使其沟道快速开通，正脉冲恒流源控制端为三极管Q2提供基极电流，并经过三极管Q2的电流放大作用促使MOS管M2断开，与此同时，正脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极放电以及MOS管M4栅极充电，使得MOS管M3断开、MOS管M4开通，负电压源Vee经过驱动电阻R7为电容C2充电，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M2，而只流经MOS管M1，脉冲电流成功完成电流切换。当正脉冲恒流源控制端为低电平时，正脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R4、R5，为MOS管M1的栅极放电促使其延迟沟道夹断，正脉冲恒流源控制端不再为三极管Q2提供基极电流，与此同时，正脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极充电以及MOS管M4栅极放电，使得MOS管M3开通、MOS管M4断开，电容C2经过驱动电阻R7以及MOS管M3，为MOS管M2的栅极充电使其开通，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M1，而只流经MOS管M2，脉冲电流成功完成电流切换。值得注意的是，需要调节驱动电阻R4、R8使MOS管M1、M2具有一定的导通重叠时间，以防止滤波电感L1的电流没有续流回路。

负脉冲恒流源包括负参考电位选取电路、反向恒流源电路和负脉冲恒流源控制电路；其中，负参考电位选取电路包括分压电阻R9、R10和噪声滤除电容C3；分压电阻R10的一端与负电压源Vee连接，另一端与分压电阻R9的一端、运算放大器U2的同相输入端以及噪声滤除电容C3的一端连接形成连接点，连接点为后级恒流源电路提供负参考电位V_{ref_I-}；分压电阻R9以及滤除电容C3的另一端接地。噪声滤除电容C3可选取1μF。负参考电位计算公式为：

其中，R₉、R₁₀为分压电阻R9、R10的阻值，V_ee为负电压源Vee的电压。

负参考电位选取电路除了使用电阻分压的结构，还可通过DAC的方式产生如图2所示；DAC信号可由专门的DAC芯片或者单片机的DAC外设产生，DAC信号接电阻R4一端，电阻R4另一端与电阻R5以及运算放大器反向输入端连接，电阻R5的另一端与运算放大器输出端连接，电阻R6一端与运算放大器同相输入端连接另一端接地，DAC信号经过反相比例电路输出得到负参考电位V_{ref_I-}。

反向恒流源电路包括滤波电感L2、电流调节电阻R11、运算放大器U2和三极管Q3；滤波电感L2的一端与负电压源Vee连接，另一端与电流调节电阻R11的一端连接，电流调节电阻R11的另一端与三极管Q3的发射极以及运算放大器U2的反相输入端连接，三极管Q3的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q3的集电极与负脉冲恒流源控制电路的MOS管M5的漏极、MOS管M8的源极、三极管Q4的集电极以及电容C4的一端连接；其中，三极管Q3为NPN三极管，此处的NPN三极管也可用N沟道MOS管代替，N沟道MOS的栅极、源极、漏极分别替代PNP三级管的基极、发射极、集电极。

运算放大器U2通过控制负电压源Vee到电流调节电阻R11另一端的压差恒定的方式达到恒定电流的目的，三极管Q3的集电极电流即为该双极性脉冲电流源的负脉冲输出电流。由于三极管Q3的电流放大倍数较大基极电流可忽略，因此集电极电流可约等于发射极电流，当集电极电流小于预设的恒流源电流时，发射极电流同样减小导致负电压源Vee到电流调节电阻R11另一端的压差减小，此时运算放大器U2反向输入端的电压小于同相输入端的电压，由于负反馈的作用运算放大器U2的输出电压会增大，而三极管Q3发射极到基极的二极管压降几乎不变，因此电流调节电阻R11另一端的电压会增大，负电压源Vee到电流调节电阻R11另一端的压差增大，导致三极管Q3的发射极以及集电极电流增大，形成电流的负反馈作用，最终使输出电流稳定在预设的负脉冲恒流源电流。当三极管Q3的集电极电流大于预设的负脉冲恒流源电流时，发射极电流同样增大导致负电压源Vee到电流调节电阻R11另一端的压差减小，此时运算放大器U2反向输入端的电压大于同相输入端的电压，由于负反馈的作用运算放大器U2的输出电压会减小，而三极管Q3发射极到基极的二极管压降几乎不变，因此电流调节电阻R11另一端的电压会减小，负电压源Vee到电流调节电阻R11另一端的压差减小，导致三极管Q3的发射极以及集电极电流减小，形成电流的负反馈作用，最终使输出电流稳定在预设的负脉冲恒流源电流。预设的负脉冲恒流源电流的计算公式为：

其中，R₁₁为电流调节电阻R11的阻值。

负脉冲恒流源控制电路包括MOS管M5～M8、驱动电阻R12～R16、二极管D3～D4、电容C4、三极管Q4和负脉冲电流控制端；其中，MOS管M7与M8为N沟道MOS管，MOS管M5与M6为P沟道MOS管，三极管Q4为PNP三极管；MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极与三极管Q3的集电极相连，MOS管M5的栅极与驱动电阻R12的一端相连，驱动电阻R12的另一端与驱动电阻R13的一端和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与驱动电阻R13的另一端、驱动电阻R14的一端、驱动电阻R16的一端以及负脉冲电流控制端相连，负脉冲电流控制端用于控制负脉冲恒流源快速切换；驱动电阻R14的另一端与MOS管M6和MOS管M7的栅极相连，MOS管M6的源极与正电压源Vcc相连，MOS管M6的漏极与MOS管M7的漏极以及驱动电阻R15的一端相连，驱动电阻R15的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与MOS管M8的源极以及三极管Q4的集电极相连；驱动电阻R16的另一端与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极与MOS管M7的源极以及MOS管M8的栅极相连，三极管Q4的集电极与MOS管M8的源极相连，MOS管M8的漏极与二极管D4的阴极相连，二极管D4的阳极即为负脉冲恒流源的输出端；驱动电阻R15与电容C4的位置可以互换；PNP三极管Q2可通过P沟道MOS管代替，P沟道MOS管的栅极、源极、漏极分别替代PNP三级管的基极、发射极、集电极。

当负脉冲恒流源控制端I-_CTR为低电平时，负脉冲恒流源控制端提供电流经过二极管D3、驱动电阻R13，为MOS管M5的栅极充电促使其沟道快速开通，负脉冲恒流源控制端为三极管Q4提供基极电流，并经过三极管Q4的电流放大作用促使MOS管M8断开，与此同时，负脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极放电以及MOS管M6栅极充电，使得MOS管M7断开、MOS管M6开通，正电压源Vcc通过驱动电阻R15为电容C4充电，此时负脉冲恒流源电流不再流经MOS管M8，而只流经MOS管M5，脉冲电流成功完成电流切换。当负脉冲恒流源控制端I+_CTR为高电平时，负脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R12、R13，为MOS管M5的栅极放电促使其延迟沟道夹断，负脉冲恒流源控制端不再为三级管Q4提供基极电流，与此同时，负脉冲恒流源控制端提供电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极充电以及MOS管M6栅极放电，使得MOS管M7开通、MOS管M6断开，电容C4经过驱动电阻R15以及MOS管M7，为MOS管M8的栅极充电使其开通，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M5，而只流经MOS管M8，脉冲电流成功完成电流切换。值得注意的是，需要调节驱动电阻R4、R8，使MOS管M5、M8具有一定的导通重叠时间，以防止滤波电感L2的电流没有续流回路。

图3、4分别为SiC MOSFET阈值电压测量电路以及体二极管压降测量电路。在测量阈值电压时，需要将SiC MOSFET的栅极和漏极短接，通过上述双极性脉冲恒流源的正脉冲电流控制端I+_CTR控制正脉冲恒流源，当正脉冲恒流源输出恒定电流时，SiC MOSFET漏极与源极之间的端电压即为阈值电压。在测量体二极管压降时，需要将SiC MOSFET的栅极和源极施加负压，通过上述双极性脉冲恒流源的负脉冲电流控制端I-_CTR控制负脉冲恒流源，当负脉冲恒流源输出恒定电流时，SiC MOSFET漏极与源极之间的端电压即为体二极管压降。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，包括正脉冲恒流源以及负脉冲恒流源；其特征在于，正脉冲恒流源包括正参考电位选取电路、正向恒流源电路和正脉冲恒流源控制电路；负脉冲恒流源包括负参考电位选取电路、反向恒流源电路和负脉冲恒流源控制电路；

所述正脉冲恒流源控制电路包含MOS管M1～M4、驱动电阻R4～R8、二极管D1～D2、电容C2、三极管Q2以及正脉冲电流控制端；其中，三极管Q2为NPN三极管，MOS管M1与M4为N沟道MOS管，MOS管M2与M3为P沟道MOS管；MOS管M1的漏极与正向恒流源电路的三极管Q1的集电极相连，MOS管M1的源极接地，MOS管M1的栅极与驱动电阻R4的一端相连，驱动电阻R4的另一端和驱动电阻R5的一端与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与驱动电阻R5的另一端、驱动电阻R6的一端、驱动电阻R8的一端以及正脉冲恒流源控制端相连；驱动电阻R6的另一端与MOS管M3和MOS管M4的栅极相连，MOS管M4的源极与负电压源相连，MOS管M4的漏极与MOS管M3的漏极以及驱动电阻R7的一端相连，驱动电阻R7的另一端与电容C2的另一端相连，电容C2的一端和MOS管M2的源极与正向恒流源电路的三极管Q1的集电极相连；驱动电阻R8的另一端与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与MOS管M3的源极以及MOS管M2的栅极相连，三级管Q2的集电极与MOS管M2的源极相连，MOS管M2的漏极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极为正脉冲恒流源的输出端；

所述负脉冲恒流源控制电路包括MOS管M5～M8、驱动电阻R12～R16、二极管D3～D4、电容C4、三极管Q4和负脉冲电流控制端；其中，MOS管M7与M8为N沟道MOS管，MOS管M5与M6为P沟道MOS管，三极管Q4为PNP三极管；MOS管M5的源极接地，MOS管M5的漏极与反向恒流源电路的三极管Q3的集电极相连，MOS管M5的栅极与驱动电阻R12的一端相连，驱动电阻R12的另一端与驱动电阻R13的一端和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与驱动电阻R13的另一端、驱动电阻R14的一端、驱动电阻R16的一端以及负脉冲电流控制端相连；驱动电阻R14的另一端与MOS管M6和MOS管M7的栅极相连，MOS管M6的源极与正电压源相连，MOS管M6的漏极与MOS管M7的漏极以及驱动电阻R15的一端相连，驱动电阻R15的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端、MOS管M8的源极以及三极管Q4的集电极与反向恒流源电路的三极管Q3的集电极相连；驱动电阻R16的另一端与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极与MOS管M7的源极以及MOS管M8的栅极相连，三极管Q4的集电极与MOS管M8的源极相连，MOS管M8的漏极与二极管D4的阴极相连，二极管D4的阳极为负脉冲恒流源的输出端。

2.根据权利要求1所述的具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，其特征在于，所述正参考电位选取电路包括分压电阻R1、R2和噪声滤除电容C1；分压电阻R1的一端与正电压源连接，另一端与分压电阻R2的一端、噪声滤除电容C1的一端以及正向恒流源电路的运算放大器U1的同相输入端相连，分压电阻R2以及噪声滤除电容C1的另一端接地；或者正参考电位选取电路采用DAC信号经过同相比例运算电路输出正参考电位。

3.根据权利要求1或2所述的具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，其特征在于，所述正向恒流源电路包括滤波电感L1、电流调节电阻R3、运算放大器U1和三极管Q1，三极管Q1为PNP三极管；滤波电感L1的一端与正电压源连接，另一端与电流调节电阻R3的一端连接，电流调节电阻R3的另一端与三极管Q1的发射极以及运算放大器U1的反相输入端连接，三极管Q1的基极与运算放大器U1的输出端连接，三极管Q1的集电极与正脉冲恒流源控制电路相连。

4.根据权利要求1所述的具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，其特征在于，所述负参考电位选取电路包括分压电阻R9、R10和噪声滤除电容C3；分压电阻R10的一端与负电压源连接，另一端与分压电阻R9的一端、噪声滤除电容C3的一端以及反向恒流源电路的运算放大器U2的同相输入端相连，分压电阻R9以及滤除电容C3的另一端接地。

5.根据权利要求1或4所述的具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，其特征在于，所述反向恒流源电路包括滤波电感L2、电流调节电阻R11、运算放大器U2和三极管Q3，三极管Q3为NPN三极管；滤波电感L2的一端与负电压源连接，另一端与电流调节电阻R11的一端连接，电流调节电阻R11的另一端与三极管Q3的发射极以及运算放大器U2的反相输入端连接，三极管Q3的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q3的集电极与负脉冲恒流源控制电路相连。

6.根据权利要求1所述的具有高切换速率的双极性脉冲恒流源，其特征在于，当正脉冲恒流源控制端输出高电平时，正脉冲恒流源控制端提供的正脉冲恒流源电流经过二极管D1、驱动电阻R4，为MOS管M1的栅极充电使MOS管M1快速开通，正脉冲恒流源控制端为三极管Q2提供基极电流，使MOS管M2断开，同时正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极放电以及MOS管M4栅极充电，使MOS管M3断开、MOS管M4开通，负电压源经过驱动电阻R7为电容C2充电，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M2，而只流经MOS管M1，完成电流切换；当正脉冲恒流源控制端输出低电平时，正脉冲恒流源控制端提供的正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R4、R5，为MOS管M1的栅极放电使MOS管M1快速断开，正脉冲恒流源控制端不再为三极管Q2提供基极电流，同时正脉冲恒流源电流经过驱动电阻R6为MOS管M3栅极充电以及MOS管M4栅极放电，使MOS管M3开通、MOS管M4断开，电容C2经过驱动电阻R7和MOS管M3为MOS管M2的栅极充电使MOS管M2开通，此时电流不再流经MOS管M1，而只流经MOS管M2，完成电流切换；

当负脉冲恒流源控制端输出低电平时，负脉冲恒流源控制端提供的负脉冲恒流源电流经过二极管D3、驱动电阻R13，为MOS管M5的栅极充电使MOS管M5快速开通，负脉冲恒流源控制端为三极管Q4提供基极电流，使MOS管M8断开，同时负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极放电以及MOS管M6栅极充电，使MOS管M7断开、MOS管M6开通，正电压源通过驱动电阻R15为电容C4充电，此时负脉冲恒流源电流不再流经MOS管M8，而只流经MOS管M5，完成电流切换；当负脉冲恒流源控制端输出高电平时，负脉冲恒流源控制端提供的负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R12、R13，为MOS管M5的栅极放电使MOS管M5快速断开，负脉冲恒流源控制端不再为三级管Q4提供基极电流，同时负脉冲恒流源电流经过驱动电阻R14为MOS管M7栅极充电以及MOS管M6栅极放电，使得MOS管M7开通、MOS管M6断开，电容C4经过驱动电阻R15以及MOS管M7，为MOS管M8的栅极充电使MOS管M8开通，此时正脉冲恒流源电流不再流经MOS管M5，而只流经MOS管M8，完成电流切换。