CN105811765B - 一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路，包括用于承受高压的功率二极管D1、低压直流电源Vcc、限流电阻R1。待测晶体管关断时，功率二极管D1承受关断高压，输出A、B两端电压维持在由Vcc决定的较低电压值；待测晶体管开通时，功率二极管D1导通，输出A、B两端电压为待测晶体管的导通压降与D1导通压降之和。本发明电路还可以包括瞬态抑制二极管D2以及其工作所需的电阻R2，待测晶体管开关瞬态的电压尖峰由瞬态抑制二极管D2吸收。本发明所提出的电路，具有结构简单、尖峰抑制效果好、测量结果易于修正等突出优点。

Description

一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及功率晶体管导通压降的测量。
背景技术
随着多电和全电飞机的发展，飞机用电量不断增加，机载电力电子设备越来越多，因此对机载电力电子变换装置的可靠性、可维护性及可测试性提出了更高的要求。导通压降作为功率晶体管内部键合线断裂的重要标志，已成为用于监测功率晶体管衰退的一个重要特征参数。然而，随着电力电子技术的发展，高耐压、低导通电阻的功率晶体管对于导通压降的在线测试提出了更高的要求。
一个正常工作的功率晶体管，其两端电压处于交变状态，当待测功率晶体管导通时，其两端电压较低(可以达到1V以下)；当待测功率晶体管关断时，其两端电压往往较高(可以达到数百伏)。要测量功率晶体管两端的电压波形，测量设备(一般指电压测量设备)的测量范围必须设计得足够宽，从而能够同时测量开通与关断两个等级的电压，否则，测量设备内部的放大器会饱和，若没有足够的恢复时间，会影响导通压降的测量精度。举个例子来说，如果晶体管两端电压范围为0.1V～400V，八位的模数转换提供28＝256个量化电平，该八位的模数转换可以提供的分辨率为400/256＝1.56V，而1.56V的分辨率下测量0.1V的电压，结果显然不具有置信度。随着GaN器件的发展，更低的导通电阻以及更高的电压应力使得该问题更加突出。因此，对于宽禁带的器件的测量需要更高的分辨率以及更快的测量速度。
发明内容
本发明旨在为功率晶体管的可靠性研究提供一种技术支持，提供一种可以将待测功率晶体管关断时的较高电压钳位到较低电压的电路，实现了在一个较小的电压范围内测量功率晶体管两端的电压，从而保证对待测功率晶体管的导通压降的测量精度。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路，包括二极管D1、低压直流电源Vcc、限流电阻R1，其中，二极管D1的阴极连接待测功率晶体管的漏极D，二极管D1的阳极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接低压直流电源Vcc的正端，低压直流电源Vcc的负端连接待测功率晶体管的源极S，二极管D1的阳极为正极输出端A，低压直流电源Vcc的负端为负极输出端B，输出端A、B分别连接电压测量设备的正负极。
进一步地，所述电压钳位电路还可以包括瞬态抑制二极管D2以及其工作所需的电阻R2，其中，电阻R2的一端连接二极管D1的阳极，电阻R2的另一端连接瞬态抑制二极管D2的阴极，瞬态抑制二极管D2的阳极连接待测功率晶体管的源极S，瞬态抑制二极管D2的阴极为正极输出端A，瞬态抑制二极管D2的阳极为负极输出端B，输出端A、B分别连接电压测量设备的正负极。
优选地，二极管D1为功率二极管。
该电路工作原理描述如下：
待测晶体管导通时，功率二极管D1导通，此时输出端电压为：
Vopen＝VDS(on)+VD1(on) (1)
其中VD1(on)为功率二极管D1的导通压降，是已知的；Vopen可以通过使用电压测量设备测量A、B两端的电压测得；通过公式(1)即可求出待测晶体管导通压降VDS(on)。
待测晶体管关断时，其两端电压为输入电压Vin，输入电压Vin通常可以为数百伏的高压，这时A、B两端的输出端电压为：
Vclosed＝Vcc-Ileakage(R1+R2) (2)
其中Ileakage为瞬态抑制二极管D2的漏电流，其值通常为μA级别，电阻R1+R2为kΩ级，因而待测晶体管关断时，输出端电压Vclosed被钳位在一略小于Vcc的值。由于Vcc被设计在一个低压(如5V)，所以本发明的电路可以将关断电压从高压(Vin)钳位至低压(略小于Vcc)。
本发明所提出的用于在线测量晶体管导通压降的电压钳位电路有如下突出优点：
本发明的电路利用功率二极管来阻隔待测晶体管关断时的高压，利用瞬态抑制二极管来抑制待测晶体管关断瞬时的电压尖峰，利用一个低压电源来实现待测晶体管导通时功率二极管的导通，将待测晶体管关断时的高压钳位至指定低压等级，这样输出电压范围为零伏到几伏，从而保证能够实现对待测晶体管导通压降的测量。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图；
其中，D是待测晶体管的漏极，S是待测晶体管的源极，D1是功率二极管，R1是限流电阻，Vcc是低压直流电源，A是输出端正极，B是输出端负极。
图2是本发明的电路的另一个结构示意图。
其中，D是待测晶体管的漏极，S是待测晶体管的源极，D1是功率二极管，R1是限流电阻，Vcc是低压直流电源，D2是瞬态抑制二极管，R2是瞬态抑制二极管工作所需的电阻，A是输出端正极，B是输出端负极。
图3是使用本发明的电路来测量BUCK电路的电路结构示意图；
其中，D是待测晶体管的漏极，S是待测晶体管的源极，G是待测晶体管的栅极，D1是功率二极管，R1是限流电阻，Vcc是低压直流电源，D2是瞬态抑制二极管，R2是瞬态抑制二极管工作所需的电阻，A是输出端正极，B是输出端负极，Vin是BUCK电路的输入流电源电压稳态值，Lf是BUCK电路输出滤波电感，D3是BUCK电路续流二极管，RL是BUCK电路输出直流负载电阻，Cf是BUCK电路输出滤波电容。
图4(a)、(b)是使用本发明的电路来测量BUCK电路中的功率晶体管导通压降的测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施。
图1是本发明的电路结构示意图。所示的电路包括功率二极管D1、低压直流电源Vcc、限流电阻R1，其中，功率二极管D1的阴极连接待测功率晶体管的漏极D，功率二极管D1的阳极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接低压直流电源Vcc的正端，低压直流电源Vcc的负端连接待测晶体管的源极S，功率二极管D1的阳极为正极输出端A，低压直流电源Vcc的负端为负极输出端B，输出端A、B分别连接电压测量设备的正负极。
图2是本发明的电路的另一个结构示意图。所示的电路包括用于承受高压的功率二极管D1、低压直流电源Vcc、限流电阻R1、瞬态抑制二极管D2以及其工作所需的电阻R2。该电路的连接方式为：功率二极管D1的阴极连接待测功率晶体管的漏极D，功率二极管D1的阳极连接两条支路；其中一条支路通过电阻R1连接到低压直流电源Vcc的正端，低压直流电源Vcc的负端连接到待测功率晶体管的源极S；另一条支路通过电阻R2连接到瞬态抑制二极管D2的阴极，瞬态抑制二极管D2的阳极连接到待测功率晶体管的源极S；瞬态抑制二极管D2的阴极为输出的正极A，阳极为输出的负极B，A、B分别连接测量设备的正负极。
为说明本发明的正确性和可行性，针对一台BUCK电路进行了仿真验证。图2所示的电路与BUCK电路的连接如图3所示。仿真参数为：BUCK输入直流电源电压稳态值Vin＝100V，滤波电感Lf＝200μH，输出滤波电容Cf＝470μF，直流负载电阻RL＝10Ω，驱动电压vg的幅值为15V，开关频率为100kHz。本发明电路Vcc＝5V，R1＝1000Ω，R2＝100Ω，瞬态抑制二极管D2的箝位电压为5.1V。
图4(a)和图4(b)为该实施例的具体仿真实验波形，给出了BUCK电路中MOSFET的漏源极电压VDS及其经过本发明电路之后的输出电压VAB的波形。图4(a)所示为VDS与VAB的全局波形，可以看出待测MOSFET关断阶段电压等级较高的电压VDS被本发明电路钳位至较低等级的电压VAB，而且VAB的振荡峰值被瞬态抑制二极管限制在5.1V。图4(b)所示为导通压降局部波形，可以看出本发明的输出与实际的导通压降相差一个固定值电压，差值为功率二极管D1的导通压降，易于修正。所以，使用本发明电路可以将电压等级较高的电压钳位至较低等级的电压，从而实现导通压降的精确测量。

Claims (2)

1.一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路，其特征在于：所述电路包括二极管D 1、低压直流电源V cc、电阻R 1，其中，二极管D 1的阴极连接待测功率晶体管的漏极D，二极管D 1的阳极连接电阻R 1的一端，电阻R 1的另一端连接低压直流电源V cc的正端，低压直流电源V cc的负端连接待测功率晶体管的源极S，二极管D 1的阳极为正极输出端A，低压直流电源V cc的负端为负极输出端B，输出端A、B分别连接电压测量设备的正负极。
2.一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路，其特征在于：所述电路包括二极管D 1、瞬态抑制二极管D 2以及其工作所需的电阻R 2、低压直流电源V cc、电阻R 1，其中，二极管D 1的阴极连接待测功率晶体管的漏极D，二极管D 1的阳极连接电阻R 1的一端，电阻R 1的另一端连接低压直流电源V cc的正端，低压直流电源V cc的负端连接待测功率晶体管的源极S；
电阻R 2的一端连接二极管D 1的阳极，电阻R 2的另一端连接瞬态抑制二极管D 2的阴极，瞬态抑制二极管D 2的阳极连接待测功率晶体管的源极S，瞬态抑制二极管D 2的阴极为正极输出端A，瞬态抑制二极管D 2的阳极为负极输出端B，输出端A、B分别连接电压测量设备的正负极。
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