CN111337807A - 开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路及测量方法，电路包括主路和测试支路；所述主路包括被测开关管、负载、检流电阻以及供电电源，所述被测开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，源极与检流电阻串联并连接供电电源负极；所述测试支路包括测试开关管及测试电阻，所述测试开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极；通过控制所述测试开关管的开关来控制测试端电压，当被测开关管导通时，测试端电压为被测开关管的导通压降，当被测器件关断时测试端电压被钳制在低电压。本发明提出一种新的测试方法，实现了高压有效钳制，有效减少输出电容充放电引起的电压过冲现象，引入了零电压零电流开关的测量支路有效改善了震荡，提升测试精度。

Description

开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路及测量方法

技术领域

本发明涉及电性能测试装置，具体而言，尤其涉及一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路及测量方法。

背景技术

开关器件的损耗主要体现在开关损耗和导通损耗，其中导通电阻直接影响导通损耗，因此导通电阻是开关器件的一项核心参数。AlGaN/GaN高迁移率晶体管(HEMT)作为第三代半导体器件具有诸多优点，但是由于存在高密度的缺陷，高电场下会产生俘获效应，引起动态导通电阻增加。如何准确表征开关器件的动态导通电阻，尤其是AlGaN/GaN HEMT器件的动态导通电阻非常重要。

AlGaN/GaN HEMT动态电阻的增幅还与频率有关、与关断电压有关，不同的工作条件下动态电阻增幅差异较大。AlGaN/GaN HEMT实际工作状态往往是频率在数百赫兹至数兆赫兹范围，关断电压在数百伏，导通电流在数安培到数十安培之间，而动态电阻增幅往往在1至1.5之间，对应的导通压降差异往往不足0.5V。要准确量测AlGaN/GaN HEMT动态导通电阻，就是要测试其动态导通压降，既是要准确量测幅度在不足0.5V至数百V之间快速切换的电压信号，如此快速的信号需要示波器测量，要求电压探头可承受高压同时又达到mV级别的精度，目前技术很难做到。

参考文献1(B.LuandT.Palacios,D.Risbud,S.Bahl,D.I.Anderson,"Extractionof Dynamic On-resistance in GaN Transistors underSoft-and Hard-switchingConditions,"IEEE Com pound Semiconductor IntegratedCircuit Symposium,Nov,2011.doi:10.1109/CSICS.2011.6062461.)可以实现测试点在高压时被钳制实现动态导通电阻的测量，但同时也存在一些不足：首先，测试支路的开关管需要是高压MOS管，且需要工作在线性区，难以控制。被测器件高压关断时，因为需要流经齐纳二极管的电流满足一定范围才能使得测试支路的开关管处于半关闭状态，此时开关管的压降大且有一定的漏流，损耗大。因此该电路对被测器件施加的关断电压有一定限制。其次，测试支路的开关管有比较大的输出电容，当被测器件导通瞬间，测试支路开关管的输出电容存储的电荷要释放掉，而该部分电荷仅能通过小的漏流从齐纳二极管中释放掉，整个释放周期将会延长。支路与主路电压一致，因此被测器件的开通过程将会大幅度延迟，无法实现快速的开关测试。

参考文献2(N.Badawi,O.Hilt,E.B.Treidel,J.Bocker,J.WiirflandS.Dieckerhoff,"Investigation of the Dynamic On-State Resistance of600VNormally-off and Normally-on GaN H EMTs,"in IEEE Transactions onIndustryApplications,vol.52,no.6,pp.4955-4964,N ov,2016.)利用测试支路中的二极管实现，高压不进入检测端，从而实现了测试中对高电压的钳制作用，实现动态导通电阻的测量，但同时也存在一定的不足：首先，测试端的电压实际是碳化硅二极管的压降和被测器件压降的和，而流经碳化硅二极管的电流不是一成不变的，碳化硅二极管的压降有差异导致对被测器件压降量测精度下降，另外，碳化硅二极管的寄生电容大，高频充放电时产生大量热，进一步降低了其压降的计算精度。其次，因为测试支路的电容的容量要较大，而被测器件关断电压往往在数百伏，导致给电容充电支路的电阻承受电压要高，为了满足分压的要求其阻值要高，损耗大。电容充电支路电阻阻值高，损耗大，对供电电源高压下的电流有一定要求，同时，将引起电容充电慢，稳定所需时间长，难以实现快速开关测试。

发明内容

根据上述提出开关器件高频高压动态导通电阻测量困难的技术问题，而提供一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，能够实现高压有效钳制，有效减少输出电容充放电引起的电压过冲现象，引入了零电压、零电流开关的测量支路有效改善了震荡，提升测试精度。

本发明采用的技术手段如下：

一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，包括：主路和测试支路；所述主路包括被测开关管、负载、检流电阻以及供电电源，源极与检流电阻串联并连接供电电源负极，所述被测开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，且所述被测开关管的栅极连接第一驱动单元使被测开关管接受第一驱动单元提供的第一调制驱动；所述测试支路包括测试开关管及测试电阻，所述测试开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，且所述测试开关管的栅极连接第二驱动单元使测试开关管接受第二驱动单元提供的第二调制驱动，所述测试电阻串联于测试开关管的源极一侧，测试电阻另一侧与检流电阻串联并连接供电电源负极；通过控制所述测试开关管的开关来控制测试端电压，当被测开关管导通时，测试端电压为被测开关管的导通压降，另根据检流电阻的压降计算出导通电流，从而得出被测开关管的动态导通电阻；当被测器件关断时测试端电压被钳制在低电压。

进一步地，所述测试电阻并联有两个导通方向相反的二极管。

进一步地，所述负载为感性负载或阻性负载。

进一步地，所述感性负载由电感和二极管并联组成。

进一步地，所述阻性负载为电阻。

本发明还提供一种基于上述任意一项所述电路的开关器件的高频高压动态导通电阻测量方法，包括：

S1、供电电源通过负载向被测开关管及测试开关管供电；

S2、通过第一驱动单元输出第一驱动调制高电平使被测开关管导通，此时所述测试开关管保持关断状态；

S3、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制高电平使测试开关管导通；

S4、测试开关管导通时阻值远小于测试电阻阻值，使得电压分担在测试电阻上，此时测试点的电压等同于被测开关管的导通压降，另根据检流电阻的压降计算出导通电流，从而计算出被测开关管的动态导通电阻；

S5、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制低电平使测试开关管关断；

S6、通过第一驱动单元输出第一驱动调制低电平，使得被测开关管关断而承受高电压，测试开关管处于关断状态阻值远大于测试电阻阻值，使得测试点的电压接近零，避免示波器检测到高压。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以实现以AlGaN/GaN HEMT为例的开关器件动态电阻测试，关断电压可以达到上千伏特，开通电流可以达到数十安培，单次开通时间可做到百纳秒，可以进行相对高频的测试动态导通电阻，精度可达3mΩ以内。

2、本发明实现了测试点电压的钳制，在准确表征被测器件开通压降的同时，在被测器件关断时，测试点的电压被钳制在很低的级别，有效提高了示波器测试的精度。

3、本发明检测端开关器件的开关过程均在被测器件开通时进行，实现了零电压零电流开关，因此整个检测过程中震荡大幅度降低，提升测试精度。

4、本发明中被测器件和测试支路的开关器件，输出电容充放电都有合理的路径，充放电过程非常迅速，因此可以工作在较高频率下。

5、本发明关断过程中漏电流很小，对供电源的功率要求低，且由于工作过程合理，各个器件损耗均很低，因此允许更高的关断电压测试，更大的导通电流测试。

基于上述理由本发明可在测试、测量电变器、电性能的测试装置、半导体器件的测试等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路图。

图2为本发明实施例2开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路图。

图3为本发明开关器件的高频高压动态工作时序图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，包括主路和测试支路。

主路包括被测开关管DUT、负载、检流电阻R2以及供电电源，所述被测开关管DUT的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，源极与检流电阻R2串联并连接供电电源负极，且所述被测开关管DUT的栅极连接第一驱动单元Driver1使被测开关管DUT接受第一驱动单元Driver1提供的第一调制驱动。另外，所述负载为感性负载或阻性负载。当负载为感性负载时，其由电感和二极管并联组成，如图1所示。当负载为阻性负载时，其为电阻，如图2所示。

测试支路并联于被测开关管DUT两侧，其包括测试开关管Q1及测试电阻R1，所述测试开关管Q1的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，且所述测试开关管Q1的栅极连接第二驱动单元Driver2使测试开关管Q1接受第二驱动单元Driver2提供的第二调制驱动，所述测试电阻R1串联于测试开关管Q1的源极一侧，测试电阻另一侧与检流电阻R2串联并连接供电电源负极。进一步地，所述测试电阻R1并联连接有两个导通方向相反的二极管D1、D2。通过控制测试开关管Q1的开关来控制测试端电压，当被测器件导通时测试端电压为被测开关管DUT的导通压降，当被测开关管DUT关断时测试端电压被钳制在低电压，保护示波器，同时减少了测试电压的区间，提升示波器测试精度。测试支路中的二极管实现了测试开关管Q1的输出电容快速的充放电，使得测试端电压不会过冲，提升测试精度。

控制过程中，测量支路的测试开关管Q1的栅端高电平脉冲信号要完全嵌套在被测开关管DUT栅端高电平信号内。Q1处于关断时，Q1的阻值远高于其串联的电阻R1，所以Q1关断时测试点的电压接近0V，而Q1导通时，Q1的阻值远小于其串联的电阻R1，所以Q1导通时测试点的电压等于被测器件的压降，此时被测开关管DUT也处于导通状态，因此测试点可准确抓取到被测器件的导通压降。通过检流电阻R2的压降换算出导通电流，利用导通压降和导通电流计算出被测器件的导通电阻

测试支路的测试开关管Q1实现了零电压零电流开关，降低整个检测过程中的震荡。测试支路设计的双方向的二极管D1、D2，可以保证测试开关管Q1管电压大幅度变化时其输出电容的快速充放电，有效的避免里测试点的电压过冲现象，同时可实现高频的测量。

如图3所示，电路测量过程包括：

首先被测开关管DUT处于关断状态，t1时刻，Driver1开始给出高电平，DUT导通，其漏极与源极间压降迅速降低，此时测量开关管Q1仍然处于关断状态，Q1输出电容的电荷通过D2和被测开关管DUT快速释放掉。此时Q1处于关断状态，阻值远高于R1，Q1的分压等于被测器件的导通压降，测试点电压约为0V。

t2时刻，Driver1仍维持高电平，Driver2开始提供高电平，此时Q1零电流零电压导通，由于Q1的阻值远小于R1阻值，此时Q1分压约为0V，测试点电压等于被测器件的导通压降。同时利用示波器抓取检流电阻R2的压降，通过已知的检流电阻阻值，计算出DUT的导通电流，通过测试点电压除以DUT导通电流计算出DUT的导通电阻。

t3时刻，Driver1仍维持高电平，Driver2开始转为低电平，Q1零电流零电压关断，此时测试点的压降仅略高于t1-t2阶段。

t4时刻，Driver1开始转为低电平，此时被测器件的输出电容通过主回路可快速充电，Q1通过主回路和D3实现Q1的输出电容快速充电，Q1分压迅速上升，D3的压降低，所以测试点的电压仅略高于t2-t3阶段电压。

t5时刻Q1的输出电容完成充电，Q1阻值远高于R1，测试支路的电压几乎都由Q1分担，测试点电压仅略高于0V，整个电路处于稳定状态，完成一个完整循环。

通过以上工作过程实现了，被测器件关断过程中，测试点的电压有效的被钳制在很低的电压值。被测器件开通的过程中，抽取了一段时间抓取到被测器件的真实导通压降，同时抓取检流电阻的压降，通过已知的检流电阻阻值，计算出DUT的导通电流，通过测试点电压除以DUT导通电流计算出DUT的导通电阻。

本发明实施例另一方面还提供一种基于实施例1或者实施例2中电路的开关器件的高频高压动态导通电阻测量方法，包括：

S1、供电电源通过负载向被测开关管及测试开关管供电；

S2、通过第一驱动单元输出第一驱动调制高电平使被测开关管导通，此时所述测试开关管保持关断状态；

S3、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制高电平使测试开关管导通；

S4、测试开关管导通时阻值远小于测试电阻阻值，使得电压分担在测试电阻上，此时测试点的电压等同于被测开关管的导通压降，另根据检流电阻的压降计算出导通电流，从而计算出被测开关管的动态导通电阻；

S5、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制低电平使测试开关管关断；

S6、通过第一驱动单元输出第一驱动调制低电平，使得被测开关管关断而承受高电压。测试开关管处于关断状态阻值远大于测试电阻阻值，使得测试点的电压接近零，避免示波器检测到高压。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，其特征在于，包括：主路和测试支路；

所述主路包括被测开关管、负载、检流电阻以及供电电源，所述被测开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，源极与检流电阻串联并连接供电电源负极，且所述被测开关管的栅极连接第一驱动单元使被测开关管接受第一驱动单元提供的第一调制驱动；

所述测试支路包括测试开关管及测试电阻，所述测试开关管的漏极与所述负载串联并连接于供电电源正极，且所述测试开关管的栅极连接第二驱动单元使测试开关管接受第二驱动单元提供的第二调制驱动，所述测试电阻串联于测试开关管的源极一侧，测试电阻另一侧与检流电阻串联并连接供电电源负极；

通过控制所述测试开关管的开关来控制测试端电压，当被测开关管导通时，测试端电压为被测开关管的导通压降，另根据检流电阻的压降计算出导通电流，从而得出被测开关管的动态导通电阻；当被测开关管关断时测试端电压被钳制在低电压。

2.根据权利要求1所述的开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，其特征在于，所述测试电阻并联有两个导通方向相反的二极管。

3.根据权利要求1或2所述的开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，其特征在于，所述负载为感性负载或阻性负载。

4.根据权利要求3所述的开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，其特征在于，所述感性负载由电感和二极管并联组成。

5.根据权利要求3所述的开关器件的高频高压动态导通电阻测试电路，其特征在于，所述阻性负载为电阻。

6.一种基于权利要求1-5任意权利要求所述电路的开关器件的高频高压动态导通电阻测量方法，其特征在于，包括：

S1、供电电源通过负载向被测开关管及测试开关管供电；

S2、通过第一驱动单元输出第一驱动调制高电平使被测开关管导通，此时所述测试开关管保持关断状态；

S3、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制高电平使测试开关管导通；

S4、测试开关管导通时阻值远小于测试电阻阻值，使得电压分担在测试电阻上，此时测试点的电压等同于被测开关管的导通压降，另根据检流电阻的压降计算出导通电流，从而计算出被测开关管的动态导通电阻；

S5、第一驱动单元持续输出第一驱动调制高电平，通过第二驱动单元输出第二驱动调制低电平使测试开关管关断；

S6、通过第一驱动单元输出第一驱动调制低电平，使得被测开关管关断而承受高电压，测试开关管处于关断状态阻值远大于测试电阻阻值，使得测试点的电压接近零，避免示波器检测到高压。

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