CN110794280A - 氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路及测量方法，包括：连接于被测氮化镓功率管漏极与源极之间的主电路，主电路包括并联的高压输出电路和低压输出电路；向被测氮化镓功率管栅极提供驱动电压的高速驱动电路；同步程控电路，分别为高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述驱动电压、高压和低压按照所述时序同步供断；电压采样电路，并联于被测氮化镓功率管漏极与源极两端。本发明可实现快速进行高低压切换，且支持多个时序的同步控制，可有效测量氮化镓功率管在动态工作情况下的动态电阻。

Description

氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路及测量方法

技术领域

本发明涉及集成电路测量技术领域，特别涉及一种氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路及测量方法。

背景技术

氮化镓(GaN)是一种新型半导体材料，它具有禁带宽度大、导热率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信，被誉为第三代半导体材料。随着技术突破成本得到控制，目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域，充电器便是其中一项。随着对氮化镓的需求量增加以及越来越多的应用，对于氮化镓的测量越来越重要，氮化镓的测量分为静态参数和动态参数两类。

静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，主要包括：门级开启电压、门级击穿电压，集电极发射机耐压、集电极发射机间漏电流、寄生电容(输入电容、转移电容、输出电容)，以及以上参数的相关特性曲线的测量。

动态参数主要是指氮化镓功率管在动态工作情况下的动态导通电阻，由于氮化镓功率管结构中的陷阱以及为了适应高压击穿电压而需要设计较长的耗尽区长度，因此在高压阻断状态之后立即打开器件时，实质上的沟道电子会被捕获，因此不会参与导通，这样会导致氮化镓功率管在动态工作情况下比在静态状态下有更高的导通电阻，该动态的导通电阻即动态电阻对于研究氮化镓功率管的工作特性具有重要意义，然而现有技术中，没有一种简单有效的测量电路可以测量出该氮化镓功率管的动态电阻，以反映氮化镓功率管在动态工作情况下的特性，因此需要设计一种测量电路，对氮化镓功率管的动态电阻进行有效测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路及测量方法，通过设计一种可以快速进行高低压切换，且支持多个时序同步程控的软切测量电路，可有效测量氮化镓功率管在动态工作情况下的动态电阻。

本发明采用的技术方案为，一种氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路，包括：

连接于被测氮化镓功率管漏极与源极之间的主电路，主电路包括并联的高压输出电路和低压输出电路，高压输出电路用于通过主电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供高压，低压输出电路用于通过主电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供低压；

向被测氮化镓功率管栅极提供驱动电压的高速驱动电路；

同步程控电路，分别为高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述驱动电压、高压和低压按照所述时序同步供断；

电压采样电路，并联于被测氮化镓功率管漏极与源极两端。

由上，本发明通过同步程控电路输出设定时序的同步控制信号，以控制该软切测量电路中的高压输出电路、低压输出电流和高速驱动电路按照设定时序依次导通，并测量氮化镓功率管在各时序下的电压值和电流值，从而计算出对应各时序的电阻值，本发明支持控制信号的同步和硬件数据的处理功能，实现了对氮化镓功率管的漏极和源极之间的快速高低压切换测量，从而有效测量氮化镓功率管在动态工作情况下的动态电阻。

优选的，所述高压输出电路包括：

依次串联的高压源、第一开关和第一电阻；

该第一开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断。

由上，高压源可用于提供不高于1000V的电压，其最大电流能力为10mA，第一开关可接收同步控制信号控制高压源的开启或关断，第一电阻用于高压电路向低压电路切换时，实现高压源的电流钳位。

优选的，所述电压采样电路包括：

串联的电压表和高压钳位电路。

由上，该电压采样电路可通过一高精度电压表实时采集氮化镓功率管两端的电压，高压钳位电路可在被测氮化镓功率管关断时，对其漏极的高压进行钳位，以保护该高精度电压表不被高压损坏。

优选的，所述低压输出电路包括：

低压源，该低压源通过四线开尔文电路连接被测氮化镓功率管的漏极和源极；

其中，所述低压源通过四线开尔文电路的Force_High线串联第三开关后连接于所述被测氮化镓功率管的漏极；该低压源还通过四线开尔文电路的Sense_High线串联所述高压钳位电路后连接于所述被测氮化镓功率管的漏极，该第三开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断；

所述四线开尔文电路的Force_Low线和Sense_Low线分别连接于所述低压源的负输出端和被测氮化镓功率管的源极之间。

由上，高压输出电路为被测氮化镓功率管的漏极和源极提供高压，使其处于高压环境中一段时间后，由低压输出电路将被测氮化镓功率管的漏极和源极之间的高压快速切换到低压，然后进行被测氮化镓功率管的电流值和电压值的测量，以得到其在动态工作电压下的电阻值变化参数，该低压输出电路通过四线开尔文电路(Force_High线、Sense_High线、Force_Low线、Sense_Low线)连接到被测氮化镓功率管的漏极和源极，其中四线开尔文电路的Force_High线(或称高端驱动电流线)通过一第三开关连接到被测氮化镓功率管的漏极，该第三开关用于隔离高压源和低压源，四线开尔文电路的Sense_High线(或称高端感测电压线)通过串联高压钳位电路后连接到被测氮化镓功率管的漏极，为被测氮化镓功率管提供低压。

优选的，所述低压输出电路还包括并联于所述第三开关两端的反向电流抑制电路，包括：串联的第二电阻和第四开关；

该第四开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断。

由上，第二电阻是分流电阻，通过控制第四开关的导通或关断，可降低高压向低压的切换速度，以降低流向被测氮化镓功率管漏极的反向电流。

优选的，所述Force_High线和Sense_High线之间串联有第二开关，该第二开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断，以控制Force_High线和Sense_High线之间形成短路或开路。

由上，当高压输出电路向被测氮化镓功率管的漏极和源极施加高压时，低压输出电路为断开状态，在高压向低压切换之前，需要将第二开关导通，以保证当高压切换到低压时，低压源输出端的开尔文电路是短路的，且提前到达了预设的低压值，否则，低压源输出端的开尔文电路如果是开路状态，则低压源需要大概20ms的调整时间才能使其达到预设的低压值。

基于上述的氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路，本发明还提供了一种氮化镓功率管动态电阻的测量方法，包括步骤：

A、通过同步程控电路分别向高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述高速驱动电路向被测氮化镓功率管栅极提供的驱动电压，高压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的高压以及低压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的低压按照所述时序同步供断；

B、通过低压输出电路和电压采样电路获得对应各时序的各电流值和电压值；

C、根据所述对应各时序的各电流值和电压值计算出对应的各电阻值，得到被测氮化镓功率管的动态电阻的参数。

由上，该测量方法通过同步程控电路提供的同步控制信号实现了高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路按照设定时序进行导通和关断，同时对氮化镓功率管的电压值和电流值进行同步测量，根据欧姆定律，利用测量出的电压值和电流值即可计算各时序下的电阻值，以得到被测氮化镓功率管的动态电阻的参数。

优选的，步骤C后还包括：

根据所述动态电阻的参数对应的特性曲线是否符合正常的氮化镓功率管的对应的特性曲线判定该被测氮化镓功率管是否正常。

由上，根据氮化镓材料的特性，正常的氮化镓功率管在低压工作状态下，其导通电阻较小，当给氮化镓功率管施加一段时间的高压后，再将其切换为低压工作状态时，其导通电阻会变大，因此根据该特性可判断测量的结果是否正确，从而判定被测氮化镓功率管是否正常。

优选的，所述设定时序的同步控制信号包括：

控制所述高速驱动电路驱动被测氮化镓功率管导通和控制低压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供低压，持续时间为T1；

控制所述高速驱动电路驱动被测氮化镓功率管断开和控制高压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供高压，持续时间为T2，且T2＞T1。

由上，本发明中，通过在被测氮化镓功率管的漏极和源极之间间隔输出低压和高压，使其处于动态工作电压下，从而测量其动态工作电压下的电阻值，以获得其动态电阻的参数。

附图说明

图1为本发明氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路的电路原理图；

图2为本发明氮化镓功率管动态电阻的测量方法的流程图；

图3为本发明设定时序下的各电路部分的波形示意图；

图4为本发明氮化镓功率管的动态电阻特性曲线的示意图。

具体实施方式

下面参照如图1-图4对本发明所述的氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示为本发明氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路的电路原理图，该软切测量电路包括：

同步程控电路(未在图中画出)，可采用一可编程的FPGA芯片实现，通过编程控制，使其输出设定时序的同步控制信号，使本发明的软切测量电路同步导通或关断，并在每次导通时，同步测量氮化镓功率管的电压值和电流值；

高压源VI1，该高压源VI1的正输出端依次串联一MOS开关K1和电阻R1后连接至被测氮化镓功率管的漏极(D)，该MOS开关K1接收由同步程控电路提供的同步控制信号CTRL1，该电阻R1的阻值为1000欧姆，可用于高压到低压切换时，实现高压源输出端的电流钳位；该高压源VI1的负输出端连接至被测氮化镓功率管的源极(S)；

低压源VI2，其输出端通过四线开尔文电路进行低压输出和电流测量，该四线开尔文电路包括连接在低压源VI2正输出端的驱动电流线Force_High和感测电压线Sense_High，以及连接在低压源VI2负输出端的驱动电流线Force_Low和感测电压线Sense_Low；其中，驱动电流线Force_High上串联一MOS开关K3后连接至被测氮化镓功率管的漏极(D)，该MOS开关K3接收由同步程控电路提供的同步控制信号CTRL3，可用于实现低压源VI2和高压源VI1的隔离，以保护低压源VI2，同时其快速的导通能力可以使低压源VI2提供的低压快速建立到被测氮化镓功率管的漏极(D)，且该MOS开关K3两端还并联有串联的MOS开关K4和电阻R2，该MOS开关K4接收由同步程控电路提供的同步控制信号CTRL4，可用于降低高压到低压的切换速度，电阻R2为分流电阻，可用于降低流向被测氮化镓功率管漏极的反向电流；感测电压线Sense_High串联后续所述的电压采样电路中的衰减器Attenuator后连接到被测氮化镓功率管的漏极(D)，向被测氮化镓功率管的漏极(D)提供低压；该驱动电流线Force_High和感测电压线Sense_High之间还串联有MOS开关K2，该MOS开关K2接收由同步程控电路提供的同步控制信号CTRL2，当高压持续施加到被测氮化镓功率管上时，上述MOS开关K3为断开状态，此时将MOS开关K2导通，以使低压源VI2的开尔文电路是短路的，可使低压源VI2提前到达预设的低压值，从而避免当高压切换到低压时，切换瞬间高压会对低压源VI2造成一定冲击，该低压源VI2需要大概20ms的调整时间才能达到预设的低压值；

驱动器Driver，其输出端分别连接被测氮化镓功率管的栅极(G)和源极(S)，该驱动器Driver接收同步程控电路提供的同步控制信号CTRL0，并在同步控制信号CTRL0的控制下，输出高速驱动信号，即驱动电压，给被测氮化镓功率管，以控制其导通或关断；

电压采样电路，并联于该氮化镓功率管的漏极(D)和源极(S)两端，其包括串联的高精度电压表V1和衰减器Attenuator，上述四线开尔文电路的Sense_High串联该衰减器Attenuator，向被测氮化镓功率管提供低压，该高精度电压表V1在同步程控电路提供的设定时序的同步控制信号的控制下，实时采集氮化镓功率管对应各时序下的电压值，该衰减器Attenuator主要在该电路中起到高压钳位保护的作用，在被测氮化镓功率管关断时，对其漏极的高压进行钳位，以保护该高精度电压表和低压源VI2不被高压损坏；

上述设定时序下，同步程控电路提供的同步控制信号逻辑为：

在高压源向被测氮化镓功率管施加高压时，驱动器Driver不输出驱动电压，被测氮化镓功率管不导通；

当低压源导通，施加在被测氮化镓功率管的高压切换成低压后，驱动器Driver输出驱动电压，驱动被测氮化镓功率管导通，同时电压采样电路和低压源VI2同步进行电压值和电流值的测量；

上述高压和低压为间隔施加，且低压施加的持续时间远小于高压施加的持续时间，一般低压持续时间为5ms，高压持续时间为100ms。

如图2所示，根据上述的软切测量电路进行氮化镓功率管动态电阻测量时，包括以下步骤：

S100：通过同步程控电路分别向高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述高速驱动电路向被测氮化镓功率管栅极提供的驱动电压，高压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的高压以及低压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的低压按照所述时序同步供断；

如图3所示为同步程控电路输出的设定时序下的各电路部分的波形示意图，该设定时序下，同步程控电路分别提供给高速驱动电路、高压输出电路、低压输出电路同步控制信号，控制其在设定时序下的导通或断开，本发明中，该软切测量电路的高压到低压的切换主要通过低压输出电路的导通或断开实现，在实际测量中，高压输出电路的开关K1可始终保持导通状态，具体的，一个完整的时序同步控制周期如下：

在t1时刻，控制驱动器Driver向被测氮化镓功率管的栅极(G)输出5V驱动电压，驱动其导通，将开关K1、K3导通，开关K2、K4断开，此时高压源VI1输出的高压500V被导通的开关K3拉低，施加到被测氮化镓功率管的电压为低压0.1V，保持该低压状态持续5ms，直至t1’时刻；

在t1’时刻，控制驱动器Driver断开向被测氮化镓功率管的栅极(G)输出的5V驱动电压，驱动其断开，将开关K1、K2导通，开关K3、K4断开，此时高压源VI1输出的高压500V施加到被测氮化镓功率管，低压源与高压源隔离，开关K2导通使开尔文电路的驱动电流线Force_High和感测电压线Sense_High短路，低压源通过该短路的开尔文电路提前到达预设的电压值，保持该高压状态100ms，直至t2时刻；

在t2时刻，控制驱动器Driver向被测氮化镓功率管的栅极(G)输出5V驱动电压，驱动其导通，将开关K1、K4导通，开关K2、K3断开，开关K4和电阻R2可降低高压到低压切换瞬间流向被测氮化镓功率管的反向电流；然后将开关K1、K3导通，开关K2、K4断开，施加到被测氮化镓功率管的电压重新被拉低为低压0.1V，保持该低压状态持续5ms，直至t2’时刻。

S200：通过低压输出电路和电压采样电路获得对应各时序的各电流值和电压值；

本步骤中，通过所述电压采样电路和低压源VI2同步测量获得对应各时序中低压持续时间内的各电压值和电流值；

其中，低压源VI2测量的各低压持续时间内的电流值IC的波形如图3所示，根据低压源VI2测量的电流值IC和电压表V1测量的电压，即可计算该被测氮化镓功率管在每个时序下的电阻值。

S300：根据所述对应各时序的各电流值和电压值计算出对应的各电阻值，得到被测氮化镓功率管的动态电阻的参数；

S400：根据所述动态电阻的参数对应的特性曲线是否符合正常的氮化镓功率管的对应的特性曲线判定该被测氮化镓功率管是否正常；

如图4所示为氮化镓功率管的动态电阻特性曲线的示意图，其中，RON1、RON2分别为氮化镓功率管对应图3所示的时序下，电阻值RON的测量结果，通过将该测量结果进行整合，可生成如图4的动态电阻的参数对应的特性曲线，根据氮化镓材料的特性，正常的氮化镓功率管在低压工作状态下，其导通电阻较小，当给其漏极和源极施加一段时间的高压之后，根据其特性，在紧邻的下一次低压动作状态下，其导通电阻会升高，该升高过程可能会持续几个高低压切换的周期后，区域平稳；因此，根据本软切测量电路所获得的动态电阻特性曲线，可判断该氮化镓功率管是否符合其特性，若符合，则判断其为正常，若不符合，则判断其为不正常；

从图4的变化曲线可看出，在T1时刻(t1-t1’)，氮化镓功率管导通状态下的电阻值RON1较低，之后的T2时刻(t2-t2’)，氮化镓功率管导通状态下的电阻值RON2开始升高，从该测量结果得出：

RON1<RON2；

((RON2-RON1)/RON1)*100％＞x％；

其中，x％为该氮化镓功率管设计者提出的浮动限值(limit)，用于体现该氮化镓功率管在动态工作状态下的动态参数变化情况；

根据该测量结果，可判定上述氮化镓功率管的性能符合其特性，判断为正常状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化镓功率管动态电阻的软切测量电路，其特征在于，包括：

连接于被测氮化镓功率管漏极与源极之间的主电路，主电路包括并联的高压输出电路和低压输出电路，高压输出电路用于通过主电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供高压，低压输出电路用于通过主电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供低压；

向被测氮化镓功率管栅极提供驱动电压的高速驱动电路；

同步程控电路，分别为高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述驱动电压、高压和低压按照所述时序同步供断；

电压采样电路，并联于被测氮化镓功率管漏极与源极两端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高压输出电路包括：

依次串联的高压源、第一开关和第一电阻；

该第一开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压采样电路包括：

串联的电压表和高压钳位电路。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述低压输出电路包括：

低压源，该低压源通过四线开尔文电路连接被测氮化镓功率管的漏极和源极；

其中，所述低压源通过四线开尔文电路的Force_High线串联第三开关后连接于所述被测氮化镓功率管的漏极；该低压源还通过四线开尔文电路的Sense_High线串联所述高压钳位电路后连接于所述被测氮化镓功率管的漏极，该第三开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断；

所述四线开尔文电路的Force_Low线和Sense_Low线分别连接于所述低压源的负输出端和被测氮化镓功率管的源极之间。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述低压输出电路还包括并联于所述第三开关两端的反向电流抑制电路，包括：串联的第二电阻和第四开关；

该第四开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断。

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述Force_High线和Sense_High线之间串联有第二开关，该第二开关接收所述同步程控电路提供的同步控制信号进行导通或关断，以控制Force_High线和Sense_High线之间形成短路或开路。

7.一种基于权利要求1-6任一所述电路的氮化镓功率管动态电阻的测量方法，其特征在于，包括步骤：

A、通过同步程控电路分别向高速驱动电路、高压输出电路和低压输出电路提供设定时序的同步控制信号，控制所述高速驱动电路向被测氮化镓功率管栅极提供的驱动电压，高压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的高压以及低压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供的低压按照所述时序同步供断；

B、通过低压输出电路和电压采样电路获得对应各时序的各电流值和电压值；

C、根据所述对应各时序的各电流值和电压值计算出对应的各电阻值，得到被测氮化镓功率管的动态电阻的参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤C后还包括：

根据所述动态电阻的参数对应的特性曲线是否符合正常的氮化镓功率管的对应的特性曲线判定该被测氮化镓功率管是否正常。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述设定时序的同步控制信号包括：

控制所述高速驱动电路驱动被测氮化镓功率管导通和控制低压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供低压，持续时间为T1；

控制所述高速驱动电路驱动被测氮化镓功率管断开和控制高压输出电路向氮化镓功率管漏极与源极之间提供高压，持续时间为T2，且T2＞T1。

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