CN112255537A - 一种氮化镓三极管开关测试电路及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓三极管开关测试电路及测试方法，开关测试电路包括主电路和控制电路，主电路包含串联的电源模块、负载模块和待测模块；电源模块包含直流DC电源和储能电容C1；负载模块包含负载电感L1、控制三级管Q3、续流二极管D1、负载电阻R1和控制三极管Q4；待测模块包含控制三极管Q2和待测三极管Q1；控制电路分别连接待测三极管Q1的栅极、控制三极管Q2的栅极、控制三极管Q3的栅极和控制三极管Q4的栅极。本发明测试过程中待测三极管只需导通一次，有效避免了器件自热，消除了与温度相关的氮化镓内部缺陷引起的测试误差，提高了测试精度，并且电路中集成了负载电阻和负载电感，扩大了测试范围，提升了测试效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓三极管开关测试电路及测试方法，属于电子电路技术领域。
背景技术
氮化镓三极管由于具有低栅极电荷、低寄生电容和高饱和漂移速度等优势，在商业化应用中可以显著降低功率损耗，提高工作效率和增大功率密度。2020年初北京小米科技有限责任公司发布了65W氮化镓充电器，这款搭载氮化镓三极管的手机充电器大幅加快了充电速度，并且相比传统充电器，其体积减小三分之一以上，但是，复杂的开关驱动电路和较难的工艺制备都提高了产品成本。由于氮化镓三极管的低阈值电压和高开关速度，需要设计低振荡、防过冲的开关电路配合器件正常工作，所以准确评估氮化镓三极管的开关参数至关重要。
传统的双脉冲开关测试是使待测器件进行第一次导通和第二次导通，第一次导通使负载电感中储存电流，在第二次导通的瞬间负载电感电流会流过待测器件，从而获取器件的开关参数。但是，由于第一次导通过程中有电流流过待测器件，待测器件内部会自热升温，与温度相关的氮化镓内部缺陷会使第二次导通时的开关参数测量结果出现误差。
因此，针对待测器件在第一次导通时的自热问题，以及考虑到负载电感需要首先导通储存电流，需要提供一种精确、可靠的氮化镓三极管开关参数测试方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种氮化镓三极管开关测试电路及测试方法，待测三极管只需在测试过程中导通一次，有效避免了器件自热，提高了测试精度；测试电路集成了负载电阻和负载电感，更加全面、细致的评估了待测器件的开关参数；并可以在负载电阻和负载电感间进行快速切换测试，扩大了测试范围，提升了测试效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种氮化镓三极管开关测试电路，包括主电路和控制电路；主电路包含电源模块、负载模块和待测模块；
电源模块、负载模块和待测模块串联；
电源模块包含直流DC电源和储能电容C1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端；
负载模块包含负载电感L1、控制三级管Q3、续流二极管D1、负载电阻R1和控制三极管Q4，负载电感L1的一侧与控制三极管Q3的源极串联，负载电感L1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，负载电阻R1的一侧与控制三极管Q4的源极串联，负载电阻R1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，续流二极管D1的阴极连接直流DC电源的正端，控制三极管Q3的漏极与控制三极管Q4的漏极并接于续流二极管D1的阳极；
待测模块包含控制三极管Q2和待测三极管Q1，控制三极管Q2的漏极与待测三极管Q1的漏极并接于续流二极管D1的阳极，控制三极管Q2的源极与待测三极管Q1的源极并接于直流DC电源的负端；
控制电路分别连接待测三极管Q1的栅极、控制三极管Q2的栅极、控制三极管Q3的栅极和控制三极管Q4的栅极。
控制电路为SILICON LABS公司生产的Si827x驱动芯片，为主电路提供四个隔离的三极管栅极控制信号。
上述电源模块、负载模块和测试模块构成两条导通回路、分别为第一导通回路和第二导通回路；直流DC电源、负载模块和控制三极管Q2构成第一导通回路；直流DC电源、负载模块和待测三极管Q1构成第二导通回路。
为减小电路开关延迟和振荡，续流二极管D1为快恢复碳化硅二极管，控制三极管Q2、控制三极管Q3和控制三极管Q4均为快开关碳化硅MOSFET。负载电阻R1为耐高温功率电阻，负载电感L1为铁氧体电感。
上述氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，进行负载电感L1开关测试和/或负载电阻R1开关测试；进行负载电感L1开关测试或进行负载电阻R1开关测试时，待测三极管Q1只需导通一次，有效避免了器件自热，提高了测试精度，并且测试电路集成了负载电阻和负载电感，更加全面、细致的评估了待测器件的开关参数，同时扩大了测试范围，提升了测试效率。
当进行负载电感L1开关测试时，控制三极管Q3导通，控制三极管Q4关断；当进行负载电阻R1开关测试时，控制三极管Q3关断，控制三极管Q4导通。
上述氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，当进行负载电感L1开关测试时，包括如下步骤：
1)控制电路首先使控制三极管Q2和控制三极管Q3均导通，同时待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和控制三极管Q2构成导通回路(即第一导通回路)，负载电感L1上储存电路电流；
2)控制电路使控制三极管Q2关断，同时使控制三极管Q3导通，负载电感L1、控制三极管Q3和续流二极管D1构成电流续流回路；
3)控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q3均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和待测三极管Q1构成导通回路(即第二导通回路)，则获取待测二极管Q1的开关参数。
上述步骤3)中，利用示波器抓取待测三极管Q1的开关参数，开关参数包括：开启延迟时间td(on)和上升时间tr。
当进行负载电阻R1开关测试时，包括如下步骤：
1)控制电路首先使控制三极管Q2和控制三极管Q4均导通，同时待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和控制三极管Q2构成导通回路(即第一导通回路)，负载电阻R1上流过电路电流；
2)控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q4均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和待测三极管Q1构成导通回路(即第二导通回路)，则获取待测二极管Q1的开关参数。
步骤2)中，利用示波器抓取待测三极管Q1的开关参数，开关参数包括：开启延迟时间td(on)和上升时间tr。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明实现了测试过程中待测三极管Q1只需导通一次的目的，有效避免了器件自热，消除了与温度相关的氮化镓内部缺陷引起的测试误差，提高了测试精度。
(2)本发明实现了在同一电路中集成负载电阻和负载电感，基于两种不同的应用场景，更加全面、细致的评估了待测器件的开关参数。
(3)本发明针对负载电阻和负载电感，分别设计了相应的测试方法，可以在两者间进行快速切换测试，扩大了测试范围，提升了测试效率。
附图说明
图1为本发明的氮化镓三极管开关测试电路；
图2为本发明的控制方法示意图；
图3为本发明的负载电感下开关参数测试波形图；
图4为本发明的负载电阻下开关参数测试波形图；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，一种氮化镓三极管开关测试电路，包括：主电路和控制电路；主电路包含电源模块、负载模块和待测模块；电源模块、负载模块和待测模块串联；电源模块包含直流DC电源和储能电容C1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端；负载模块包含负载电感L1、控制三级管Q3、续流二极管D1、负载电阻R1和控制三极管Q4，负载电感L1的一侧与控制三极管Q3的源极串联，负载电感L1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，负载电阻R1的一侧与控制三极管Q4的源极串联，负载电阻R1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，续流二极管D1的阴极连接直流DC电源的正端，控制三极管Q3的漏极与控制三极管Q4的漏极并接于续流二极管D1的阳极；待测模块包含控制三极管Q2和待测三极管Q1，控制三极管Q2的漏极与待测三极管Q1的漏极并接于续流二极管D1的阳极，控制三极管Q2的源极与待测三极管Q1的源极并接于直流DC电源的负端；控制电路为SILICON LABS公司生产的Si827x驱动芯片，为主电路提供四个隔离的三极管栅极控制信号，控制电路分别连接待测三极管Q1的栅极、控制三极管Q2的栅极、控制三极管Q3的栅极和控制三极管Q4的栅极。
如图2所示，当进行负载电感L1开关测试时，控制电路使控制三极管Q3导通，控制三极管Q4关断，直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和控制三极管Q2构成第一导通回路，直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和待测三极管Q1构成第二导通回路。当进行负载电阻R1开关测试时，控制电路使控制三极管Q3关断，控制三极管Q4导通，直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和控制三极管Q2构成第一导通回路，直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和待测三极管Q1构成第二导通回路；
此外，为减小电路开关延迟和振荡，续流二极管D1采用快恢复碳化硅二极管，控制三极管Q2、控制三极管Q3和控制三极管Q4均采用快开关碳化硅MOSFET,负载电阻R1为耐高温功率电阻，负载电感L1为铁氧体电感。
具体测量过程包括：
1)当进行负载电感L1开关测试时，首先，控制电路使控制三极管Q2和控制三极管Q3均导通，同时使待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和控制三极管Q2构成导通回路(即第一导通回路)，负载电感L1中储存电路电流；其次，控制电路使控制三极管Q2关断，同时使控制三极管Q3导通，负载电感L1、控制三极管Q3和续流二极管D1构成电流续流回路；第三，控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q3均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和待测三极管Q1构成导通回路(即第二导通回路)，则利用示波器抓取待测二极管Q1的开关参数测试波形图(如图3所示)。
2)当进行负载电阻R1开关测试时，首先，控制电路使控制三极管Q2和控制三极管Q4均导通，同时使待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和控制三极管Q2构成导通回路(即第一导通回路)，负载电阻R1上流过电路电流；其次，控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q4均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和待测三极管Q1构成导通回路(即第二导通回路)，则利用示波器抓取待测二极管Q1的开关参数测试波形图(如图4所示)。
表1为本实施例中测试的型号为GPI65030TOL氮化镓三极管开关参数和传统双脉冲方法(即对应本实施例测试模块中仅有待测三极管Q1，无控制三极管Q2，第一导通回路和第二导通回路均是直流DC电源、负载电感L1和待测三极管Q1构成)测试的开关参数。
表中，本实施例中测试数据均小于传统双脉冲方法测试数据，表明本实例中测试电路有效避免了器件自热，消除了与温度相关的氮化镓内部缺陷引起的测试误差，提高了测试精度。
Claims (10)
1.一种氮化镓三极管开关测试电路，其特征在于：包括主电路和控制电路；主电路包含电源模块、负载模块和待测模块；
电源模块、负载模块和待测模块串联；
电源模块包含直流DC电源和储能电容C1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端；
负载模块包含负载电感L1、控制三级管Q3、续流二极管D1、负载电阻R1和控制三极管Q4，负载电感L1的一侧与控制三极管Q3的源极串联，负载电感L1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，负载电阻R1的一侧与控制三极管Q4的源极串联，负载电阻R1的另一侧连接续流二极管D1的阴极，续流二极管D1的阴极连接直流DC电源的正端，控制三极管Q3的漏极与控制三极管Q4的漏极并接于续流二极管D1的阳极；
待测模块包含控制三极管Q2和待测三极管Q1，控制三极管Q2的漏极与待测三极管Q1的漏极并接于续流二极管D1的阳极，控制三极管Q2的源极与待测三极管Q1的源极并接于直流DC电源的负端；
控制电路分别连接待测三极管Q1的栅极、控制三极管Q2的栅极、控制三极管Q3的栅极和控制三极管Q4的栅极。
2.根据权利要求1所述的氮化镓三极管开关测试电路，其特征在于:电源模块、负载模块和测试模块构成两条导通回路、分别为第一导通回路和第二导通回路；直流DC电源、负载模块和控制三极管Q2构成第一导通回路；直流DC电源、负载模块和待测三极管Q1构成第二导通回路。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管开关测试电路，其特征在于:续流二极管D1为快恢复碳化硅二极管，控制三极管Q2、控制三极管Q3和控制三极管Q4均为快开关碳化硅MOSFET。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管开关测试电路，其特征在于:负载电阻R1为耐高温功率电阻，负载电感L1为铁氧体电感。
5.权利要求1-4任意一项所述的氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，其特征在于：进行负载电感L1开关测试和/或负载电阻R1开关测试；进行负载电感L1开关测试时，待测三极管Q1只需导通一次；进行负载电阻R1开关测试时，待测三极管Q1只需导通一次。
6.根据权利要求5所述的氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，其特征在于：当进行负载电感L1开关测试时，控制三极管Q3导通，控制三极管Q4关断；当进行负载电阻R1开关测试时，控制三极管Q3关断，控制三极管Q4导通。
7.权利要求5所述的氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，其特征在于：当进行负载电感L1开关测试时，包括如下步骤：
1)控制电路首先使控制三极管Q2和控制三极管Q3均导通，同时使待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和控制三极管Q2构成导通回路，电感L1上储存电路电流；
2)控制电路使控制三极管Q2关断，同时使控制三极管Q3导通，负载电感L1、控制三极管Q3和续流二极管D1构成电流续流回路；
3)控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q3均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电感L1、控制三极管Q3和待测三极管Q1构成导通回路，则获取待测二极管Q1的开关参数。
8.根据权利要求7所述的氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，其特征在于：步骤3)中，利用示波器抓取待测三极管Q1的开关参数，开关参数包括：开启延迟时间td(on)和上升时间tr。
9.权利要求5所述的氮化镓三极管开关测试电路的测试方法，其特征在于：当进行负载电阻R1开关测试时，包括如下步骤：
1)控制电路首先使控制三极管Q2和控制三极管Q4均导通，同时使待测三极管Q1关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和控制三极管Q2构成导通回路，负载电阻R1上流过电路电流；
2)控制电路使待测三极管Q1和控制三极管Q4均导通，同时使控制三极管Q2关断，使直流DC电源、负载电阻R1、控制三极管Q4和待测三极管Q1构成导通回路，则获取待测二极管Q1的开关参数。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：步骤2)中，利用示波器抓取待测三极管Q1的开关参数，开关参数包括：开启延迟时间td(on)和上升时间tr。
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