CN114545185A - 基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统 - Google Patents

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CN114545185A CN202210176243.5A CN202210176243A CN114545185A CN 114545185 A CN114545185 A CN 114545185A CN 202210176243 A CN202210176243 A CN 202210176243A CN 114545185 A CN114545185 A CN 114545185A
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文辉清
刘雯
崔苗
赵胤超
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Abstract

本发明公开了一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，包括：动态电阻测试电路，包括开关子电路和钳位子电路，开关子电路包括两个相互串联的双向开关，钳位子电路并联在两个双向开关的两端；信号发生器，连接在动态电阻测试电路上，信号发生器向动态电阻测试电路发出门级驱动信号；电流探头；电压探头；示波器，与电流探头的另一端、电压探头的另一端相连，以显示电流探头检测的电流波形和电压探头检测的电压波形；其中，当信号发生器向动态电阻测试电路发出门级驱动信号后，电流探头检测电流波形，电压探头检测电压波形，根据电流波形和电压波形获得双向开关的动态电阻；能够稳定、可靠的对性能不同的氮化镓双向开关进行测试。

Description

基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统
技术领域
本发明涉及一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，属于宽禁带半导体的动态电阻检测技术领域。
背景技术
在工业4.0的技术发展和为建设碳达峰、碳中和的双碳目标下，对于高效率、高功率密度新型电力电子交互层级的需求已无法忽视。由于近些年第三代宽禁带半导体的不断发展，氮化镓、碳化硅等材料的发现与应用，使得制备同时具有低导通损耗，高击穿电压的场效应晶体管器件成为可能，为进一步提升变换器效率，提升功率密度，耐高温耐高压的工作环境，提供了理论依据。
由于日益复杂的氮化镓器件制备，不同生产厂商、不同元器件之间的性能差异性日渐凸显，如何得到稳定统一的测试系统已成为不可忽视的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，能够稳定、可靠的对性能不同的氮化镓双向开关进行测试。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，包括：
动态电阻测试电路，包括开关子电路和钳位子电路，所述开关子电路包括两个相互串联的双向开关，所述钳位子电路并联在两个所述双向开关的两端；
信号发生器，连接在所述动态电阻测试电路上，所述信号发生器向所述动态电阻测试电路发出门级驱动信号；
电流探头，一端与所述动态电阻测试电路相连；
电压探头，一端与所述动态电阻测试电路相连；
示波器，与所述电流探头的另一端、所述电压探头的另一端相连，以显示所述电流探头检测的电流波形和所述电压探头检测的电压波形；
其中，当所述信号发生器向所述动态电阻测试电路发出所述门级驱动信号后，所述电流探头检测所述电流波形，所述电压探头检测所述电压波形，根据所述电流波形和所述电压波形获得所述双向开关的动态电阻。
进一步地，所述信号发生器包括现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片。
进一步地，所述门级驱动信号为双脉冲信号。
进一步地，所述门级驱动信号为复合脉冲信号。
进一步地，所述双向开关为氮化镓器件。
进一步地，所述测试系统还包括印刷电路板，所述动态电阻测试电路安装在所述印刷电路板上。
进一步地，所述开关子电路还包括第一二极管，所述第一二极管与所述钳位子电路串联。
进一步地，所述钳位子电路包括第二二极管，所述第二二极管与所述第一二极管串联，所述第二二极管引导电流的流向。
本发明的有益效果在于：
(1)在动态电阻测试电路中，通过设置相互串联的双向开关，使得测试电路对双向开关进行测试，解决了传统的测试电路只能测试单个开关元件，无法应用到更多的领域中，应用范围小的问题。
(2)通过设置钳位子电路，将钳位子电路并联在双向开关的两端，提高了测试的精确度。
(3)通过将信号发生器连接在动态电阻测试电路上，可以向动态电阻测试电路上发出不同类型的门级驱动信号，进而提高测试效果。
(4)通过向动态电阻测试电路中输入不同等级的电压进行测试，有利于后续对开关元件的优化，进而适用于不同的应用场景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请中动态电阻测试电路原理图；
图2为一种门级驱动信号波形图；
图3为另一种门级驱动信号波形图；
图4为FPGA芯片编程逻辑图；
图5(a)为15V电压下捕捉的双脉冲信号实验波形图；
图5(b)为30V电压下捕捉的双脉冲信号实验波形图；
图6(a)为15V电压下测得的动态电阻图；
图6(b)为30V电压下测得的动态电阻图；
图7(a)为15V电压下捕捉的复合脉冲信号实验波形图；
图7(b)为30V电压下捕捉的复合脉冲信号实验波形图；
图8(a)为30V电压下测得的动态电阻图；
图8(b)为30V电压下测得的动态电阻图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参考图1，图1为该氮化镓双向开关脉冲测试系统中的动态电阻测试电路原理图。本申请一较佳实施例提供了一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，该测试系统包括：动态电阻测试电路10、信号发生器(未图示)、电流探头(未图示)、电压探头(未图示)以及示波器(未图示)。其中，信号发生器连接在动态电阻测试电路10上，用于向动态电阻测试电路10发出门级驱动信号。电流探头的一端与动态电阻测试电路10相连，用以检测动态电阻测试电路10中的电流。电压探头的一端与动态电阻测试电路10相连，用以检测动态电阻测试电路10中的电压。示波器与电流探头的另一端、电压探头的另一端相连，用以显示电流探头检测的电流波形和电压探头检测的电压波形。当信号发生器向动态电阻测试电路10发出门级驱动信号后，电流探头检测电流波形，电压探头检测电压波形，根据电流波形和电压波形获得双向开关的动态电阻。
动态电阻测试电路10包括开关子电路1和钳位子电路2，开关子电路1包括两个相互串联的双向开关、第一二极管11和电感12。第一二极管11与钳位子电路2串联，电感12连接在第一二极管12两端的。在本实施例中，该双向开关为氮化镓器件，且该两个相互串联的双向开关分别为开关S1和开关S2。在测试过程中，开关S1和开关S2的开、关状态由信号发生器发出的门级驱动信号控制。图2和图3分别为两种类型的门级驱动信号波形图。具体的，图2中VGs表示的波形为开关S1一直呈关闭状态，开关S2呈开、关交替进行状态，图3中VGs表示的波形为开关S1和开关S2呈同时开启、同时关闭，且为开、关交替进行状态，图2和图3中的VDs表示双向开关S1和S2两端瞬态的电压波形，图2和图3中的VDs(m)表示钳位子电路2中的电压波形，图2和图3中的IDs表示通过双向开关S1和S2的电流波形，图2和图3中的IL表示通过电感12的电流波形。
需要说明的是，在本实施例中，图2和图3中的门级驱动信号均为双脉冲信号。当然，在其他实施例中，该门级驱动信号也可以为复合脉冲信号，本申请不对此作限定。
钳位子电路2并联在两个双向开关S1和S2的两端，用于将双向开关处的电压钳位在安全电压水平内，进而提高测试结果的精确度。钳位子电路2包括第二二极管21，第二二极管21与第一二极管11串联，用于引导电流的流向。
可选地，信号发生器包括现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片。该FPGA芯片不仅可以发出双脉冲信号，还可以发出多脉冲等复合脉冲信号。具体的，每段周期时间取决于FPGA芯片内建立的时钟信号，通过计数器和状态机的模式实现所需脉冲波，并将此脉冲信号作为双向开关的门级驱动信号进行测试。比如，如图4所示，3-4过程可通过执行不同次数的形式循环得到复合脉冲波。
测试系统还包括印刷电路板(未图示)，动态电阻测试电路10安装在印刷电路板上。
请参考图5(a)至图8(b)，图5(a)至图8(b)为本实施例中不同等级电压下的脉冲测试图，其中，图5(a)和图5(b)分别为15V和30V电压下捕捉的双脉冲信号实验波形图，图6(a)和图6(b)分别为15V和30V电压下测得的动态电阻图，图7(a)和图7(b)分别为15V和30V电压下捕捉的复合脉冲信号实验波形图，图8(a)和图8(b)分别为15V和30V电压下测得的动态电阻图。该测试系统的测试流程为：首先向动态电阻测试电路10中输入一定的电压，信号发生器向动态电阻测试电路10发出门级驱动信号；然后，电流探头检测电流波形，电压探头检测电压波形，并根据检测到的电流值与电压值计算得出电阻值；最后，根据计算得出的电阻值拟合出最终的动态电阻。通过图6(a)和图6(b)、图8(a)和图8(b)可以明显看出，输入电压等级等于30V的动态导通电阻明显小于输入电压等级等于15V的动态导通电阻。
本发明的有益效果在于：
(1)在动态电阻测试电路中，通过设置相互串联的双向开关，使得测试电路对双向开关进行测试，解决了传统的测试电路只能测试单个开关元件，无法应用到更多的领域中，应用范围小的问题。
(2)通过设置钳位子电路，将钳位子电路并联在双向开关的两端，提高了测试的精确度。
(3)通过将信号发生器连接在动态电阻测试电路上，可以向动态电阻测试电路上发出不同类型的门级驱动信号，进而提高测试效果。
(4)通过向动态电阻测试电路中输入不同等级的电压进行测试，有利于后续对开关元件的优化，进而适用于不同的应用场景。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，包括：
动态电阻测试电路，包括开关子电路和钳位子电路，所述开关子电路包括两个相互串联的双向开关，所述钳位子电路并联在两个所述双向开关的两端；
信号发生器，连接在所述动态电阻测试电路上，所述信号发生器向所述动态电阻测试电路发出门级驱动信号；
电流探头，一端与所述动态电阻测试电路相连；
电压探头，一端与所述动态电阻测试电路相连；
示波器，与所述电流探头的另一端、所述电压探头的另一端相连，以显示所述电流探头检测的电流波形和所述电压探头检测的电压波形；
其中，当所述信号发生器向所述动态电阻测试电路发出所述门级驱动信号后，所述电流探头检测所述电流波形，所述电压探头检测所述电压波形，根据所述电流波形和所述电压波形获得所述双向开关的动态电阻。
2.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述信号发生器包括现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片。
3.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述门级驱动信号为双脉冲信号。
4.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述门级驱动信号为复合脉冲信号。
5.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述双向开关为氮化镓器件。
6.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括印刷电路板，所述动态电阻测试电路安装在所述印刷电路板上。
7.如权利要求1所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述开关子电路还包括第一二极管，所述第一二极管与所述钳位子电路串联。
8.如权利要求7所述的基于状态机模式的氮化镓双向开关脉冲测试系统，其特征在于，所述钳位子电路包括第二二极管，所述第二二极管与所述第一二极管串联，所述第二二极管引导电流的流向。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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