CN101893677A

CN101893677A - 三极管在反向偏压安全工作区下的测试装置及测试方法

Info

Publication number: CN101893677A
Application number: CN 201010219663
Authority: CN
Inventors: 张国光; 王自鑫; 李佳明; 姚剑锋; 李冠文; 黄武洪
Original assignee: FOSHAN BLUE ROCKET ELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: Foshan Blue Rocket Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: CN101893677B

Abstract

本发明公开了一种三极管在反向偏压安全工作区下的测试装置及测试方法，所述装置包括用于连接待测三极管三极的三个端子：基极端、集电极端和发射极端；可调电流脉冲模块，用于控制待测三极管开启或关断的电流脉冲；电压电流检测模块，用于检测集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE；钳位电路模块，用于设定集电极与发射极之间的反向偏压V_CES；控制模块，用于接收电压电流检测模块检测到的集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE，并根据检测到的集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE之间的关系确定待测三极管在反向偏压安全工作区下是否合格。本发明检测准确可靠可以实现对各种不同型号三极管的性能检测。

Description

三极管在反向偏压安全工作区下的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于半导体器件检测应用领域，具体说，涉及一种测试判断三极管在反向偏压安全工作区(RBSOA)的性能状况，以确保其可靠性的测试装置及测试方法。

背景技术

三极管自从问世以来，以简单的构造，广泛的运用，为集成电路的高速发展做出了卓越的贡献，并为计算机的诞生铺平了道路。正是三极管在我国的大力发展，就必然产生对三极管可靠性检测的需求。

目前专门用于检测三级管性能的仪器相对较少，对于一些现有技术中的相关的检测仪器，例如型号为BJ2923的晶体管测试仪，只能检测三极管的参数，如反向电压V_CEO、V_CBO等，却无法检测该三极管在极限参数工作下，性能是否有下降或损坏。又如另外一种型号为BJ2986的晶体管直流及脉冲开关安全工作区测试仪，用于检测计量晶体管在规定条件下的直流及脉冲BE极正向偏压时的安全工作区，但是该测试仪的装置结构复杂，所有元器件精密，因而价格昂贵，而且，该测试仪的电源一般只到150V；它的电路只能承受150V，再高就可能破坏电路，因而对于VCEO大于150V的三极管检测能力有限，在业界里难以广泛推广应用。另外一种型号为EAS2100的检测仪，专门用来检测场效应管(MOSFET)在雪崩能量下的性能状况，但是仅限于MOSFET检测领域，而不能对三极管进行检测。因而有必要发展针对三极管的反向偏压安全工作区(RBSOA)的检测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种三极管反向偏压安全工作区测试装置及测试方法，可实现三极管性能的准确可靠检测。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种三极管反向偏压安全工作区测试装置，包括：

用于连接待测三极管三极的三个端子：基极端、集电极端和发射极端；

可调电流脉冲模块，其输出与所述基极端连接，输出用于控制待测三极管开启或关断的电流脉冲；

电压电流检测模块，用于检测集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE；

钳位电路模块，用于设定集电极与发射极之间的反向偏压V_CES；

电源电路，用于提供稳定可靠的电压和电流；

电感，连接在所述电源和集电极端之间；

控制模块，用于控制可调电流脉冲模块的输出电流的大小，设定钳位电路模块的集电极与发射极之间的反向偏压V_CES，接收电压电流检测模块检测到的集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE，并根据检测到的集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE之间的关系确定待测三极管在反向偏压安全工作区下是否合格。

本发明还提供了一种基于前述三极管反向偏压安全工作区测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1，将待测三极管的三端分别对应连接到测试装置的基极端、集电极端和发射极端；

步骤2，根据待测三极管的性能设定集电极最大电流Icmax、集电极与发射极之间的反向偏压V_CES；

步骤3，控制可调电流脉冲模块输出正的电流脉冲，开启待测三极管；

步骤4，检测集电极实时电流Ic，并判断是否达到设定的集电极最大电流Icmax，如果达到，则控制可调电流脉冲模块输出负电流脉冲，关断待测三极管，同时检测集电极与发射极之间的实时反向偏压V_CE；

步骤5，判断当集电极实时电流Ic在从90％Icmax下降到10％Icmax的过程中，集电极与发射极之间的实时反向偏压V_CE是否一直等于设定的集电极与发射极之间的反向偏压V_CE，如果等于，则该待测三极管在反向偏压安全工作区下合格，否则不合格。

本发明提供一种简单廉价、高可靠性的、应用于三极管性能检测的装置。检测准确可靠，实用性强，自动化操作，并且具有良好的人机操作显示界面，并可以实现对各种不同型号三极管的性能检测。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为三极管反向偏压安全工作区(RBSOA)的检测原理示意图；

图2为三极管的集电极和发射极间的反向偏压V_CE和集电极电流Ic的波形图；

图3为本发明所述测试装置的一个具体实施例的结构框图；

图4A为本发明可调电流脉冲模块的原理框图；

图4B为图4所示可调电流脉冲模块的电路原理图；

图5为本发明钳位电路模块的电路原理图；

图6A为本发明电源电路的一个具体实施例的电路原理图；

图6B为本发明电源电路的负反馈示意图；

图7为本发明电压电流检测模块的一个具体实施例的电路原理图；

图8为一个具体实施例的测试过程中得到的各参数关系图。

具体实施方式

本发明对于三极管反向偏压安全工作区(RBSOA)的检测原理如下：

测试原理如图1所示，在被检测三极管的基极(B极)输入一个电流脉冲，三极管会实现开关过程。在三极管开启过程中，电源Vcc通过导通的回路向电感Lc充电，在电感充电储能期间，集电极电流Ic逐渐近似呈线性上升，当Ic达到设定的最大值时，将基极的电流脉冲I_B关断，则三极管截止。这时Ic随之下降，而在电感瞬时感应作用下，三极管CE两极将会产生一个反向偏压V_CE。V_CE和集电极电流Ic波形的如图2所示。在Ic下降到最大值的90％与10％时分别检测V_CE，如果在这两点检测到的V_CE能够达到钳位电路(D3和Vclamp)所设定的电压值V_CES，则证明被检测三极管在反向偏压安全工作区下的性能达标，否则不达标。当然，在实际检测过程中，可以连续检测在Ic下降到最大值的90％与10％过程中的V_CE，最终通过将Ic最大值的90％与10％对应的V_CE与电压值V_CES进行比较，根据比较结果确定该三极管是否达标。

本发明提供了一种三极管反向偏压安全工作区测试装置，如图3所示，该测试装置包括：用于连接待测三极管三极的三个端子1：基极端B、集电极端C和发射极端E；可调电流脉冲模块2，其输出与所述基极端B连接，输出用于控制待测三极管1开启或关断的电流脉冲；电压电流检测模块3，用于检测集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE；钳位电路模块4，用于设定集电极与发射极之间的反向偏压V_CE；电源电路5，用于提供稳定可靠的电压和电流；电感6，连接在所述电源电路5和集电极端C之间；控制模块7，用于控制可调电流脉冲模块的输出电流的大小，设定钳位电路模块的集电极与发射极之间的反向偏压V_CE，接收电压电流检测模块检测到的集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE，并根据集电极电流Ic和集电极与发射极之间的反向偏压V_CE之间的关系确定待测三极管在反向偏压安全工作区下是否合格。在图3中，给出了控制模块7的一个具体实施例。在该实施例中，所述的控制模块7包括作为处理单元的单片机71和作为人机交互界面的计算机72。其中，所述单片机71分别与可调电流脉冲模块1、钳位电路模块4、电压电流检测模块3相连，所述计算机72通过通讯接口(如串口)与所述单片机71连接，在所述计算机72中装置有交互软件labview，通过该交互软件labview，可以进行参数设定、参数显示、关系图表的显示等人机交互操作。在本实例中，所述的单片机71包括中央处理器和相关的外围电路，如存储器、缓冲器、DA芯片等，关于单片机的这些电路为本领域的常用技术，本领域的普通技术人员可以根据要达到的功能等要求进行常规设计，因而在此不再赘述。

其中，如图4A所示，为图3中的可调电流脉冲模块的原理框图。由于不同的三极管所需的基极电流不一样，所以本模块实现了0-3A可调的电流脉冲。具体如图4A所示，所述可调电流脉冲模块包括电压脉冲源11、整形电路12、扩流电路13、可调电压源15、负电压电路14和电阻16，其中，所述电压脉冲源11与整形电路12连接，电压脉冲源11的一个具体实施方式是：该电压脉冲源11可由图3中的单片机直接产生。整形电路12将所述电压脉冲源11输出的脉冲整形后，电压脉冲的上升及下降时间都小于10ns，而后再分别与所述扩流电路13和所述负电压电路14相连，所述可调电压源15为所述扩流电路13提供可调电压，其中，可调电压源15的一个具体实施方式是：该可调电压可以由图3中的单片机71控制DA芯片产生，用于根据不同的输出电流需要，产生不同的可调电压。所述扩流电路13和所述负电压电路14分别与所述电阻16相连，用于将电压脉冲转为电流脉冲。所述电压脉冲源11输出的电压脉冲为高电平时，扩流电路13开启，负电压电路14关断，在所述基极端B输出正电流脉冲，当所述电压脉冲源11输出的电压脉冲为低电平时，扩流电路13关断，负电压电路14开启，在所述基极端B输出负电流脉冲，从而保证了三极管的可靠截止。其中，图4A所示的可调电流脉冲模块的原理框图的一个具体电路原理图如图4B所示。在本发明中，当系统需要更大的电流时，便可以在可调电源加上扩流电路，加强输出电流能力，而电压不变。此时，可调电流脉冲模块产生电流脉冲的过程是：先产生电压脉冲(输出电流较小)，经过扩流电路扩大，再经过电阻成为大电流脉冲。

如图5所示，为图3中的钳位电路模块4的电路原理图。在该原理图中，除了钳位电路模块4外，其他部分采用简化法，或者已省略，以突出、清楚地说明所述钳位电路模块4的电路。钳位电路模块4包括可调电源Vclamp和二极管D，所述二极管D的正极与集电极端C相连接，负极与所述可调电源Vclamp相连接，所述可调电源Vclamp根据所述控制模块，如单片机71的控制，在此处可以调整输出电压的高低。在图5所示的电路中，由于所述可调电源Vclamp只能输出电流，所以在电源两端加接一个负载电阻形成电流回路，使二极管能够通过电流。如果被测三极管1上的集电极电压比可调电源Vclamp输出的电位高，二极管将会导通，使集电极电压保持在(Vclamp+0.7)V。在电阻两端并接上一个电容，是利用电容充放电原理，使钳位电压值更稳定。

由于(Vclamp+0.7)V相当于设定的集电极与发射极之间的反向偏压V_CES，由于不同的三极管的V_CES不同，在测试三极管时，需要对该V_CES进行设定，而对V_CES的设定是通过对Vclamp的调整实现的。单片机可以编程直接控制DA芯片输出电压，此输出电压输入到Vclamp的控制端，实现对Vclamp的控制。通过改变相关参数的数值即可以实现对Vclamp值的调整。

如图6A所示，为图3中的电源电路5的一个具体实施例的电路原理图。所述电源电路5主要由电源VCC、稳压管D1、大功率晶体管Q1和大容量电容C3组成。大功率晶体管Q1的栅极G通过稳压管D1与地GND连接，使得栅极G的电位在电路电压变化时不变。大功率晶体管Q1的漏极D通过电阻R1与电源VCC连接，大功率晶体管Q1的源极S作为该电源电路的输出U0，其中，连接在大功率晶体管Q1的漏极D与源极S之间的二极管D2为保护稳压二极管，防止大功率晶体管Q1压差过高而烧坏。电源VCC可以是经过变压整流后作为输入的电源，电容C1对该输入的电源进一步滤波，电阻R1、R2用于限流。在电源输出端采用小电容C4进行滤波。并且，采用LED灯D3作为电源指示灯，R3为LED灯的限流电阻。

如图6B所示，当电路电压减小或负载电阻变小而引起输出电压U0减小时，即大功率晶体管Q1的源极S电压降低，由于栅极G电位(基准电位)保持不变，因此栅极G与源极S之间压差增大，导致调整大功率晶体管Q1的导通能力增强，R_Ds(on)(漏源通态电阻)减少，管压降U_ds下降，从而使输出电压U0上升，由于整个过程时间非常短，从而保证了U0基本不变。

本发明中的电源电路5的电路由于引入了负反馈，当电网或者负载的电压发生变化时，大功率晶体管Q1通过自动调节作用使输出电压U0稳定，同时大功率晶体管Q1还起到放大电流的作用。该电路能够提供50A的脉冲电流，为测试提供了保证。

如图7所示，为所述电压电流检测模块3的电路原理示意图(请提供)，该模块包括连接在发射极端的电阻和在集电极端与发射极端之间连接的两个分压电阻。

因为I_C≈I_E，所以对于电流检测，通过在待测三极管发射极端E接一个精密小电阻，在发射极与该小电阻的连接处与单片机相关引脚连接，由单片机检测该处的电压信号，再根据公式V＝RI将电压信号围换转换成电流信号。对于检测V_CE，在CE两极之间连接两个串联电阻，通过读取其中一个较小阻值的电险的电压，再根据两个电阻的比例关系计算出V_CE。

基于图3-7，所示装置的测试方法如下：

步骤S1，将待测三极管1的三端分别对应连接到测试装置的基极端B、集电极端C和发射极端E。

步骤S2，根据待测三极管的性能，通过所述计算机72中的交互软件labview设定集电极最大电流Icmax、集电极与发射极之间的反向偏压V_CES、VCC的数值、电感量、B极电流I_B等参数值。

步骤3，单片机71根据公式

计算电流脉冲的时间宽度，其中，t为电流脉冲时间宽度，Lc为电感量，Ic为设定的集电极C最大电流，即Icmax，Vcc为集电极C极上的电源电压值。该时间宽度具体可由单片机定时器产生。

再根据B极电流I_B确定可调电流脉冲模块1中的可调电压源15的具体数值，

将依据上述计算出的时间宽度的正的电流脉冲输出给可调电流脉冲模块1，开启待测三极管。并根据计算出的可调电压源15的具体数值，由单片机71的DA芯片产生相应的可调电压给可调电流脉冲模块1。从而实现脉冲宽度可调、幅值可调的基极电流。

步骤4，在三极管导通过程中，由于集电极C上的电感作用，Ic将近似线性上升，因而，在此过程中，单片机71通过接收来自于发射极端连接的精密电阻的电压信号，通过换算得到集电极实时电流Ic，并与设定的集电极最大电流Icmax进行比较，判断集电极实时电流Ic是否达到设定的集电极最大电流Icmax，如果达到，则控制可调电流脉冲模块输出负电流脉冲，关断待测三极管。这时Ic随之下降，而V_CH迅速上升到钳位电路设定的钳位电压值V_CES。通过接收来自于发射极和集电极间的两个电阻中的小电阻的电压信号，经过换算，得到集电极与发射极之间的实时反向偏压V_CE；

步骤6，将检测到的数据及实时测得的参数和/或各参数之间的关系图表。这里所述的关系图表如图9所示的图表。

基于上述装置和方法对一具本型号的三极管进行测试如下：

1、测试参数确定

被测三极管型号：MJE13007。集电极C最大电流Ic＝8A，基极B电流I_B＝0.7A，钳位电压值Vclamp＝V_CEs＝700V，Vcc＝20V，电感量Lc＝500uH

2、电流脉冲时间宽度确定

电流脉冲时间宽度其中Lc为电感量，Ic为C极最大电流，Vcc为C极上电源电压值。

根据公式I_B＝(可调电压-0.7*3)/R_B(如图4B所示)，其中0.7为PN结压降，因为从可调电压到被测三极管E极之间经过了3个PN结，所以这里要减去3个PN结压降。当已知I_B和R_B，则可以得到可调电压的具体数值，该电压由单片机71控制DA芯片产生。

3、测试结果

通过图3所示装置和图8所示方法的测试后，结果如图9所示。可以看到，当Ic下降到90％及10％时，V_CE一直保持在Vclamp＝700V，说明该管的性能达到标准。

当需要测试其他型号的三极管时，只需重新设定相关参数即可。

本发明可以实现对不同型号的三极管在反向偏压安全工作区的测试，检测准确可靠，成本低廉。

在以上实施例中，控制模块由单片机及其外围电路构成，当然也可以由其他控制方式实现，如可编程序控制器等。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种三极管反向偏压安全工作区测试装置，其特征在于，包括：

电源电路，用于提供稳定可靠的电压和电流；

电感，连接在所述电源和集电极端之间；

2.根据权利要求1所述的三极管反向偏压安全工作区测试装置，其特征在于，所述可调电流脉冲模块包括电压脉冲源、扩流电路、可调电压源、负电压电路和电阻，其中，所述电压脉冲源分别与所述扩流电路和所述负电压电路相连，所述可调电压源为所述扩流电路提供可调电压，所述扩流电路和所述负电压电路分别与所述电阻相连；所述电压脉冲源输出的电压脉冲为高电平时，扩流电路开启，负电压电路关断，输出正电流脉冲，所述电压脉冲源输出的电压脉冲为低电平时，扩流电路关断，负电压电路开启，输出负电流脉冲；

在所述电压脉冲源之后还连接有整形电路，用于对电压脉冲进行整形。

3.根据权利要求1所述的三极管反向偏压安全工作区测试装置，其特征在于，所述电压电流检测模块包括连接在发射极端的电阻和在集电极端与发射极端之间连接的两个分压电阻。

4.根据权利要求1所述的三极管反向偏压安全工作区测试装置，其特征在于，所述钳位电路模块包括可调电源和二极管，所述二极管的正极与集电极端相连接，负极与所述可调电源相连接，所述可调电源根据所述控制模块的控制，调整电压的高低；

在所述可调电流源的两端并联一电阻；

在所述电阻的两端并联有电容。

5.根据权利要求1所述的三极管反向偏压安全工作区测试装置，其特征在于，所述控制模块包括处理单元和人机交互界面，所述处理单元分别与可调电流脉冲模块、钳位电路模块、电压电流检测模块相连，所述人机交互界面与所述处理单元连接，用于人机交互；

所述电源电路为一大功率稳压电源电路。

6.一种基于权利要求1-5任一所述三极管反向偏压安全工作区测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述步骤2中设定的集电极与发射极之间的反向偏压V_CES通过设定测试装置中的钳位电路模块的输出来实现。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，步骤4中的集电极实时电流Ic通过检测电压电流检测模块中的连接在发射极端的电阻处的电压获得。

9.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，步骤4中的集电极与发射极之间的实时反向偏压V_CE通过检测集电极端与发射极端之间连接的两个分压电阻中较小阻值的电阻的电压获得。

10.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，还包括实时显示数据的步骤；所述显示的数据包括设定参数、实时测得的参数和/或各参数之间的关系图表。