CN106154044A - 一种功率二极管正向动态电阻测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率二极管正向动态电阻测试装置，包括测试及信号处理电路、主控制器以及显示电路；测试及信号处理电路包括用于在被测功率二极管上加载大电流脉冲信号并使之导通的电流脉冲产生电路和用于获取被测功率二极管导通后产生的电压信号并与所获电压信号进行处理的信号处理电路；其中，电流脉冲产生电路包括脉冲信号源、第一运放芯片、第一三极管、电压幅度调节电路、第二运放芯片、电流负反馈电路、电压震荡控制电路及MOS管组；主控制器与测试及信号处理电路相连，用于对处理后的信号进行计算，得出被测功率二极管的正向动态电阻，并送给显示电路呈现出来。实施本发明，其简单实用，实现功率二极管正向动态电阻的自动检测及显示，且省时省力。

Description

一种功率二极管正向动态电阻测试装置

技术领域

本发明涉及功率二极管测试技术领域，尤其涉及一种功率二极管正向动态电阻测试装置。

背景技术

二极管作为常用于整流、稳压等电路中的基础性元件，其核心为PN结，具有单向导电性，正向特性可用伏安特性来描述。当正向电压大于PN结势垒电压时，二极管正偏导通，而且其正向电流随着正向电压的增大而呈指数规律增加。

随着工业的不断发展，人们对二极管性能要求越来越高，尤其是功率二极管，它的正向动态电阻测试越发显得重要和迫切，因为正向动态电阻在大电流情形下的损耗相对显著，如果设计时不考虑这一现象，会影响给实际电气系统的正常工作，严重时导致系统损毁。

国内已经开展了二极管正向参数测试技术的研究。使用万用表电阻档测量二极管的正向电阻时[行小帅，关于用万用表测试二极管正向电阻的讨论[J]，物理教师，Vol.14，No.3(1993):25.]，低阻挡测出的电阻值小，高阻挡测出的电阻值大，这是由于二极管I-V特性的非线性所致，又因为万用表的电流有限，难以测量功率二极管的正向动态电阻。陈隆道设计的高压二极管正向特性的自动测试仪[陈隆道，高压二极管正向特性自动测试仪[J]，仪表技术，Vol.1,No.3(1994):17.]，可以测量高压二极管的正向电流以及在该正向电流下的电压等，使用数码管显示测试结果，但未涉及功率二极管正向动态电阻的测试。王存达等人根据激光二极管的正向直流、交流特性以及表观电阻、表观电容的概念[丛红侠，冯列峰，王军，朱传云，王存达，谢雪松，吕长志，激光二极管正向电特性的精确检测[J]，半导体学报，Vol.27，No.1(2006):105.]，提出了一种基于串联模式精确地检测半导体二极管正向电特性的新方法，不仅可以得到二极管在不同电压下的串联电阻、结电容、结电压、理想化因子等，还能判断一个实际的二极管有无界面层存在并得到其界面层阻抗值，但在较大正向电压、高频等情况下有一定偏差，此方法不适合大电流工作的功率二极管。叶丰开发的基于虚拟仪器的二极管测试系统[叶丰，基于虚拟仪器的二极管测试系统研究[J]，机械制造，Vol.50,No.4:(2012):66.]，分为上位机和下位机两个部分，上位机为下位机提供控制数字信号和模拟输入信号，并接收下位机反馈的模拟信号和数字信号，同时上位机软件给测试人员提供测试结果显示、测试结果统计、调试校准等功能服务；下位机直接和测试点相连，通过调理电路的放大、滤波等作用将输入模拟信号转变成测试所需的激励电压或激励电流；软件程序采用美国国家仪器公司(NI)的LabView 2009及NI-DAQmx数据采集驱动，此测试系统不仅可用于高压二极管的参数测量，也适用于普通二极管的测试，适合在生产流水线上对二极管进行自动检测，但也没有考虑到功率二极管正向动态电阻的测试。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种功率二极管正向动态电阻测试装置，实现功率二极管正向动态电阻的自动检测及显示，且省时省力。

本发明实施例提供了一种功率二极管正向动态电阻测试装置，包括测试及信号处理电路、显示电路以及与所述测试及信号处理电路和所述显示电路均相连的主控制器；其中，

所述测试及信号处理电路包括用于在被测功率二极管上加载大电流脉冲信号并使之导通的电流脉冲产生电路和用于获取所述被测功率二极管导通后产生的电压信号并与所获电压信号进行处理的信号处理电路；其中，所述电流脉冲产生电路包括脉冲信号源、第一运放芯片、第一三极管、电压幅度调节电路、第二运放芯片、电流负反馈电路、电压震荡控制电路及MOS管组；所述第一运放芯片的正输入端和负输入端分别与所述主控制器及所述脉冲信号源相连，输出端与所述第一三极管的基极相连；所述第一三极管的发射极与所述电压幅度调节电路相连，集电极与所述第二运放芯片的正输入端相连；所述第二运放芯片的负输入端与所述电流负反馈电路的一端相连，输出端与所述电流负反馈电路的另一端及所述MOS管组的栅极均相连；所述MOS管组的漏极与所述被测功率二极管的正极相连；所述电压震荡控制电路的一端与MOS管组的栅极相连，另一端与所述MOS管组的漏极相连；所述信号处理电路的第一输入端与所述被测功率二极管的正极相连，第二输入端与所述被测功率二极管的负极相连，输出端与所述主控制器相连；

所述主控制器，用于对所述处理后的信号进行计算，得出所述被测功率二极管的正向动态电阻，并送给所述显示电路；

所述显示电路由LCD液晶屏形成，用于显示所述主控制器计算出被测功率二极管的正向动态电阻。

其中，所述电压震荡控制电路由相串接的多个电阻和电容形成。

其中，所述信号处理电路包括第一保护电阻、第二保护电阻、控制芯片及用于对所述被测功率二极管导通后产生的电压信号进行双路单积分及数模转换的第三运放芯片；其中，

所述第一保护电阻的一端与所述被测功率二极管的正极相连，另一端与所述控制芯片的第一输入端相连；

所述第二保护电阻的一端与所述被测功率二极管的负极相连，另一端与所述控制芯片的第二输入端相连；

所述控制芯片的第一输出端与所述第三运放芯片的正输入端相连，第二输出端与所述第三运放芯片的负输入端相连；

所述第三运放芯片的输出端与所述主控制器相连。

其中，所述信号处理电路还包括与所述控制芯片的第三输入端相连的信号线性保持电路，所述信号线性保持电路用于为所述控制芯片提供恒流充电以保证数模转换后信号变化线性关系。

其中，所述装置还包括电源电路。

其中，所述脉冲信号源为用于产生低阻抗脉冲信号的CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关芯片。

其中，所述主控制器由89C52型主CPU芯片、TLC5615C型数模转换器及外围电路形成。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、在本发明实施例中，由于装置采用模块化设计，各个模块电路独立工作，相互干扰较小，装置测试时管子不发热，因而可达到较高的准确度和稳定度；

2、在本发明实施例中，由于装置采用直接通过LCD液晶屏显示，无需人工参与计算，操作方便，简化了测试过程，从而实现功率二极管正向动态电阻的自动检测及显示，达到省时省力的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置的系统结构图；

图2为图1测试及信号处理电路中电流脉冲产生电路的系统结构连接示意图；

图3为图1测试及信号处理电路中信号处理电路的系统结构连接示意图；

图4为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置中电源电路的应用场景图；

图5为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置中测试及信号处理电路的应用场景图；

图6为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置中主控制器的应用场景图；

图7为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置中针对1N5048型功率二极管在不同脉冲电流下测得的正向动态电阻曲线变化示意图；

图8为本发明实施例提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置中针对1N5822型功率二极管在不同脉冲电流下测得的正向动态电阻曲线变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1至图3所示，为本发明实施例中，提供的一种功率二极管正向动态电阻测试装置，包括测试及信号处理电路1、显示电路3以及与测试及信号处理电路和显示电路3均相连的主控制器2；其中，

测试及信号处理电路1包括用于在被测功率二极管DUT上加载大电流脉冲信号并使之导通的电流脉冲产生电路11和用于获取被测功率二极管DUT导通后产生的电压信号并与所获电压信号进行处理的信号处理电路12；其中，

如图2所示，电流脉冲产生电路11包括脉冲信号源111、第一运放芯片112、第一三极管113、电压幅度调节电路117、第二运放芯片114、电流负反馈电路115、电压震荡控制电路118及MOS管组116；第一运放芯片112的正输入端(+)和负输入端(-)分别与主控制器2及脉冲信号源111相连，输出端与第一三极管113的基极B相连；第一三极管的发射极E与电压幅度调节电路117相连，集电极C与第二运放芯片114的正输入端(+)相连；第二运放芯片114的负输入端(-)与电流负反馈电路115的一端相连，输出端与电流负反馈电路115的另一端及MOS管组116的栅极均相连；MOS管组116的漏极与被测功率二极管DUT的正极相连；电压震荡控制电路118的一端与MOS管组116的栅极相连，另一端与MOS管组116的漏极相连；

信号处理电路12的第一输入端x1与被测功率二极管DUT的正极相连，第二输入端x2与被测功率二极管DUT的负极相连，输出端x3与主控制器2相连；

主控制器2，用于对所述处理后的信号进行计算，得出被测功率二极管DUT的正向动态电阻，并送给显示电路3；

显示电路3由LCD液晶屏形成，用于显示主控制器2计算出被测功率二极管DUT的正向动态电阻。

应当说明的是，MOS管组116由多个MOS管相并联形成，例如10个MOS管并联组成。

应当说明的是，电压幅度调节电路117用于保持第一运放芯片112输出电压幅度与第二运放芯片114输入电压幅度相一致；电压震荡控制电路118用于控制MOS管组116输出电流信号电平值保持在预设范围内。

可以理解的是，电流脉冲产生电路11产生大电流流过被测功率二极管DUT，使得该被测功率二极管DUT导通，并经过信号处理电路12进行处理后，产生相应的电流信号，在主控制器2中进行运算，从而得到该被测功率二极管DUT的正向动态电阻，该正向动态电阻随流过被测功率二极管DUT电流变化而变化。

更进一步的，电压震荡控制电路118由相串接的多个电阻和电容形成。

更进一步的，如图3所示，信号处理电路12包括第一保护电阻121、第二保护电阻122、控制芯片123及用于对被测功率二极管DUT导通后产生的电压信号进行双路单积分及数模转换的第三运放芯片124；其中，

第一保护电阻121的一端与被测功率二极管DUT的正极相连，另一端与控制芯片123的第一输入端a1相连；

第二保护电阻122的一端与与被测功率二极管DUT的负极相连，另一端与控制芯片123的第二输入端a2相连；

控制芯片123的第一输出端b1与第三运放芯片124的正输入端(+)相连，第二输出端b2与第三运放芯片124的负输入端(-)相连；

第三运放芯片124的输出端与主控制器2相连。

更进一步的，信号处理电路12还包括与控制芯片123的第三输入端a3相连的信号线性保持电路125，信号线性保持电路125用于为控制芯片123提供恒流充电以保证数模转换后信号变化线性关系。

更进一步的，装置还包括电源电路。

在一个实施例中，在电流脉冲产生电路11中，脉冲信号源111为用于产生低阻抗脉冲信号的CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关芯片；第一运放芯片112采用LF411型集成运放芯片，第一三极管113采用9014型三极管，第二运放芯片114采用一LF412型集成运放芯片，电流负反馈电路115通过一电阻来实现，MOS管组由10个IRF9540型MOS管并联组成；

电压幅度调节电路117也可通过一电阻来实现；电压震荡控制电路118由相串接的多个电阻和电容形成；

在信号处理电路12中，第一保护电阻121及第二保护电阻122均通过电阻来实现，控制芯片123可采用脉冲信号源111内CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关芯片，第三运放芯片124采用另一LF412型集成运放芯片；信号线性保持电路125通过采用9015型三极管与TL431C型可调式精密稳压器的组合来实现；

主控制器2由89C52型主CPU芯片、TLC5615C型数模转换器及外围电路形成；

显示电路3中液晶屏采用RT12232B型LCD。

如图4至图8所示，对本发明实施例中的功率二极管正向动态电阻测试装置的应用场景做进一步说明：

图4为电源电路的应用场景图，通过电源插座外接220V商用交流电作为电源，使用0.5A保险丝来保证系统的安全性，使用开关K1完成电路通和断两个功能。220V交流电通过变压器B1降压，通过整流桥D10整流得到+15V直流电压。由7806型三端集成稳压器IC9实现+6V直流供电，在其输入处由电容C13进行滤波，在经过二极管D3降压得+5.2V公用电压VCC。用R19进行分压得到-5V供电，采用电容C11进行滤波，为了保证电压的稳定性，采用稳压管D9进行稳压处理，保证电源能稳定供电。而在+6V、-5V两者的连接端有电容C12和C9进行滤波，用来抑制输出电压的波纹度。二极管D4和D6用来单向导通电流。当电路发生故障或异常时，随着电流的升高，很有有可能损坏电路中的某些重要元器件，造成不必要的经济损失，因此采用自恢复保险丝RXE0A75来保证电路的安全性。而本装置的基准电压，可以通过TL431C型可调式精密稳压器IC8来获得，最后通过电位器W2获取+2.048V基准电压，为了保证其稳定性，需要控制两个电阻R17、W2的比值。此基准电压通过4148型二极管D1、D2信号处理电路中的第一、第二保护电阻之后，作为参考电平(如图5所示)。

图5为测试及信号处理电路的应用场景图，从89C52型主CPU(如图6所示)通过TLC5615C型数模转换器IC2(如图6所示)送来的测试脉冲信号，与来自CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关IC3芯片的低阻抗脉冲信号汇合，允许基准电压以脉冲形式经过LF411型集成运放芯片IC6放大，送给9014型三极管TR1的输出电流增大，TR1的发射极电阻R13构成电压幅度调节电路，通过它的电压反馈让IC6保证电流脉冲幅度忠实地复制基准电压脉冲。TR1的集电极将该脉冲电平反相，并反向且呈现在R12上，加到LF412型集成运放芯片IC5B。电容C10作消振荡用。

通过IC5B的放大，推动IRF9540型MOS管组TR2(10个MOS管并联组成)输出大电流脉冲，送给被测功率二极管(Device Under Test,DUT)的正极。电阻R9和电容C4防止MOS管组震荡，采样电阻R25构成电流负反馈电路，将脉冲电流进行采样并反馈回IC5B，同时在MOS管组TR2的源极连接一个MBR3030型大功率肖特基二极管D5进行测试导线电感的反激脉冲的抑制。

图5中，由9015型三极管TR3与TL431C型稳压器IC7组成的信号线性保持电路，可为CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关IC3、IC4组成的控制芯片提供恒流充电，保证信号数——模转换的线性关系，再传给主CPU芯片IC1。

图6为主控制器的应用场景图，89C52型主CPU芯片IC1通过控制P20——P22端口读取键盘的输入信息，控制P00——P07脚是给显示电路——液晶显示器(LCD)提供数据，通过RXD和TXD端口控制LCD的E1和E2两个使能端口，以保证LCD能够正常显示数据，通过INT0端口控制LCD中数据的读和写，通过INT1端口控制LCD进行复位。通过P10——P12端口控制外接的TLC5615C型数模转换器IC2芯片，送给运算放大器IC6。其中P10端口连接该芯片CS端口控制芯片是否工作(低电平有效)；P11端口通过芯片SLCK端口为该芯片提供工作时钟信号，四位的串行数据在时钟同步下发送；P12端口通过芯片DIN端口控制信号的串行输入。

IC2芯片的OUT端口为模拟电压输出端，主CPU芯片IC1输出的脉冲经过此转换为模拟电压送到IC6。IC2的VCC端口接一个正电压，一般取5V，由总电源供电，同时加一个小电容C14进行滤波处理。

键盘输入由主CPU芯片IC1的P00——P03、P20——P23端口来捕获键盘发出的相关电平信号，来实现各种命令、参数的输入。

显示电路采用RT12232B型LCD模块进行实验结果的数据显示。主CPU芯片IC1的P00——P07端口分别给RT12232B芯片的D0——D7脚提供数据，主CPU的RXD、TXD、INT0、INT1、P24端口分别对应控制显示器的E1、E2、R/W、RST、A0。其中，E1和E2是使能端，控制LCD芯片进行正常工作，R/W为读/写选择端，当电平为高电平时进行读操作，当电平为低电平时进行写操作；A0为数据/命令选择端，当电平为高电平时选择数据寄存器，当电平为低电平时选择指令寄存器；RST为复位端口，当电平为低电平时有效；VLCD为LCD驱动电压端口，可以通过调节W1来获得合适的电压。为了保证信号稳定，同时在LCD模块和主CPU芯片之间增加了一组上拉电阻R1，起到固定电平的作用，使CPU与LCD之间的信号由电平不确定状态稳固拉到5V左右电平，便于主CPU芯片能准确判断信号是否发生变化。9012型三极管TR4放大CPU送到报警器的电流。24C02型缓存器IC10用于存储当前系统的工作状态，记忆所设置的参数，而且关机后不丢失，以方便使用。芯片IC10主要的端口为WP、SCL、SDA，其中WP为写保护，SCL、SDA为二线串行接口，符合I2C总线协议。WP端口在低电平情况下，主CPU才能对24C02中的数据进行修改写入，所以WP接地，SCL外接时钟，而SDA直接连接主CPU的T1端口，用来作为数据写入的传输端口。

主CPU芯片IC1从其内部的ROM中逐条获取指令，然后逐步执行。假如没有晶振，主CPU芯片乃至整个装置就无法正常执行程序代码。本发明装置中主CPU的外接晶振频率为12MHz，可以有效地保证主CPU芯片的运行速度，同时晶振配有30pF的起振电容，保证晶振正常工作。由于主CPU芯片的P0端口为开漏输出，为了正常工作，在主CPU芯片的P0端口接有上拉电阻R1，以保证信号的驱动和传输，保证装置正常工作。

图7和图8分别为1N5048型功率二极管及1N5822型功率二极管在不同脉冲电流下测得的正向动态电阻曲线变化示意图，从图7和图8中，可以看出随着正向电流的增大，两种二极管的正向动态电阻逐步减小且趋于稳定。这是因为小电流时二极管导电主要由扩散机制决定而大电流时二极管导电主要由电导调制效应及复合机制决定引起的。可见，使用本发明装置测量的结果符合半导体器件物理规律。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、在本发明实施例中，由于装置采用模块化设计，各个模块电路独立工作，相互干扰较小，装置测试时管子不发热，因而可达到较高的准确度和稳定度；

2、在本发明实施例中，由于装置采用直接通过LCD液晶屏显示，无需人工参与计算，操作方便，简化了测试过程，从而实现功率二极管正向动态电阻的自动检测及显示，达到省时省力的目的。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种功率二极管正向动态电阻测试装置，其特征在于，包括测试及信号处理电路、显示电路以及与所述测试及信号处理电路和所述显示电路均相连的主控制器；其中，

所述测试及信号处理电路包括用于在被测功率二极管上加载大电流脉冲信号并使之导通的电流脉冲产生电路和用于获取所述被测功率二极管导通后产生的电压信号并与所获电压信号进行处理的信号处理电路；其中，所述电流脉冲产生电路包括脉冲信号源、第一运放芯片、第一三极管、电压幅度调节电路、第二运放芯片、电流负反馈电路、电压震荡控制电路及MOS管组；所述第一运放芯片的正输入端和负输入端分别与所述主控制器及所述脉冲信号源相连，输出端与所述第一三极管的基极相连；所述第一三极管的发射极与所述电压幅度调节电路相连，集电极与所述第二运放芯片的正输入端相连；所述第二运放芯片的负输入端与所述电流负反馈电路的一端相连，输出端与所述电流负反馈电路的另一端及所述MOS管组的栅极均相连；所述MOS管组的漏极与所述被测功率二极管的正极相连；所述电压震荡控制电路的一端与MOS管组的栅极相连，另一端与所述MOS管组的漏极相连；所述信号处理电路的第一输入端与所述被测功率二极管的正极相连，第二输入端与所述被测功率二极管的负极相连，输出端与所述主控制器相连；

所述主控制器，用于对所述处理后的信号进行计算，得出所述被测功率二极管的正向动态电阻，并送给所述显示电路；

所述显示电路由LCD液晶屏形成，用于显示所述主控制器计算出被测功率二极管的正向动态电阻。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压震荡控制电路由相串接的多个电阻和电容形成。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路包括第一保护电阻、第二保护电阻、控制芯片及用于对所述被测功率二极管导通后产生的电压信号进行双路单积分及数模转换的第三运放芯片；其中，

所述第一保护电阻的一端与所述被测功率二极管的正极相连，另一端与所述控制芯片的第一输入端相连；

所述第二保护电阻的一端与所述被测功率二极管的负极相连，另一端与所述控制芯片的第二输入端相连；

所述控制芯片的第一输出端与所述第三运放芯片的正输入端相连，第二输出端与所述第三运放芯片的负输入端相连；

所述第三运放芯片的输出端与所述主控制器相连。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路还包括与所述控制芯片的第三输入端相连的信号线性保持电路，所述信号线性保持电路用于为所述控制芯片提供恒流充电以保证数模转换后信号变化线性关系。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电源电路。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲信号源为用于产生低阻抗脉冲信号的CD4066型模拟/数字信号四路双向模拟开关芯片。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控制器由89C52型主CPU芯片、TLC5615C型数模转换器及外围电路形成。