CN115060953A - 一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，通过双脉冲硬开关测试法测量被测功率器件的动态导通电阻，双脉冲的第一个脉冲将开关电流提升至预定电流值，在双脉冲的第二个脉冲阶段测量被测功率器件的导通电压和导通电流，由导通电压与导通电流的比值得到动态导通电阻。由同轴电阻电流传感器来测量导通电流，由本发明提出的电压钳位电路来测量导通电压，电压钳位电路将被测功率器件开关电压中的关断电压固定在指定电压值上，且保持导通电压波形不变，大幅提高示波器测量精度。

Description

一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路
技术领域
本发明属于功率器件电性能测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路。
背景技术
功率器件在关断时漏极电压较高，而在导通时漏极电压急速下降，因此，要准确地捕捉到导通电压的变化。通常情况下测量电压常采用高精度示波器，但是由于功率器件在关断时电压高，导通时电压低，示波器要捕捉导通电压需要较大的测量范围，否则示波器内部的放大器会失真，这被称作示波器过驱动，会无法准确测量导通电压。一般功率器件在关断时承受几百伏的电压，而导通电压在几伏到几十毫伏之间，此时示波器的分辨率无法满足导通电压测量，示波器无法准确测量导通电压。
为了准确的测量导通电压，使用钳位电路来进行辅助测量。钳位电路通过将功率器件关断时的漏源电压钳位在更小的范围来减小器件开关切换时的电压摆伏，进而提高示波器的准确度。假设钳位电路将器件关断时400V的电压钳位在5V，对于具有8位数模转换的示波器，其分辨率则为5/256＝0.02V，提高了80倍，极大的减小了电压摆伏。但是钳位电路的引入可能会给测量带来震荡和延迟，从而无法满足高频高压状态的测量要求，因此，需要一种快速响应的钳位电路来准确测量导通电压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，电压可钳位在5V以下，响应速度小于100ns，可准确测量功率器件在关断至导通时的开关电压，有效减小输出电容充放电引起的电压尖峰。
为实现上述发明目的，本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，包括：主电路和电压钳位电路；
所述主电路包括：被测功率器件DUT、续流二极管T、续流电感L、同轴电阻电流传感器R、功率器件驱动单元以及供电电源VDC；
其中，被测功率器件DUT的漏极与续流电感L串联后连接至供电电源VDC的正极，被测功率器件DUT的源极与同轴电阻电流传感器R串联后连接至供电电源VDC的负极，被测功率器件DUT的栅极连接至功率器件驱动单元；续流二极管T与续流电感L并联；
所述电压钳位电路包括：NMOS管M、稳压管Z和NMOS管驱动电源VCC；其中，NMOS管M的漏极与被测功率器件DUT的漏极连接，NMOS管M的源极与稳压管Z的负极连接，NMOS管M的栅极与NMOS管驱动电源VCC的正极连接；稳压管Z的正极连接至NMOS管驱动电源VCC的负极接到地，所测的钳位电压VDS(m)为稳压管Z负极至正极间的电压；
功率器件驱动单元产生双脉冲的驱动信号注入被测功率器件DUT的栅极，其中，第一个脉冲时间足够长，能够将续流电感L的工作电流升到预定值，第二个脉冲时间尽可能短，使续流电感L不会继续磁化，工作电流也保持在预定值；
被测功率器件DUT在测试前处于关断状态，主电路无电流通过；在第一个脉冲到来时，被测功率器件DUT的栅极与源极间电压VGS拉高，被测功率器件DUT导通，续流电感L开始充电；第一个脉冲结束时，VGS拉低，被测功率器件DUT关断，续流电感L的电流通过续流二极管T续流；第二个脉冲到来时，被测功率器件DUT再次导通，续流电感L的工作电流为预定值，在第二个脉冲阶段完成导通电压和导通电流的测量；双脉冲结束后，被测功率器件DUT关断，主电路中的电流在续流回路中衰减至零，整个测试结束；
电压钳位电路具有两种工作状态，第一种为被测功率器件DUT关断状态，第二种为被测功率器件DUT导通状态；
第一种工作状态：在被测功率器件DUT关断时，电流流经NMOS管M和稳压管Z，NMOS管M的源极即稳压管Z电压升高，NMOS管M的栅极及源极之间的电压减小，通过限制NMOS管M的导通，稳压管Z上的电流也会减小，稳压管Z的电压会稳定在NMOS管驱动电源VCC与NMOS管M阈值电压的差值，其差值电压必须小于稳压管Z的稳压值，差值电压为关断电压被钳位后的电压VDS(m)；
第二种工作状态：在被测功率器件DUT导通时，被测功率器件DUT的漏极及源极之间的电压下降，稳压管Z电压值小于稳压值，NMOS管M的栅极及源极之间的电压也大于阈值电压，NMOS管M完全导通，但NMOS管M的漏极与源极之间的电压差很小，流经NMOS管M的电流极小，NMOS管M上的压降可以忽略，此时稳压管Z的电压即为导通电压，也是导通电压被钳位后的电压VDS(m)。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，通过双脉冲硬开关测试法测量被测功率器件的动态导通电阻，双脉冲的第一个脉冲将开关电流提升至预定电流值，在双脉冲的第二个脉冲阶段测量被测功率器件的导通电压和导通电流，由导通电压与导通电流的比值得到动态导通电阻。由同轴电阻电流传感器来测量导通电流，由本发明提出的电压钳位电路来测量导通电压，电压钳位电路将被测功率器件开关电压中的关断电压固定在指定电压值上，且保持导通电压波形不变，大幅提高示波器测量精度。
同时，本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路还具有以下有益效果：
(1)、本发明通过双脉冲硬开关测试法测量被测功率器件的动态导通电阻，有效抑制功率器件的开关电压振荡，且响应速度快，小于100ns。
(2)、本发明设计的电压钳位电路结构简单、易调试，在被测功率器件导通时其反向电流极小，具有测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路原理图；
图2是开关电压和钳位电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，包括：主电路和电压钳位电路，用于同轴电阻电流测量和钳位电压测量；
主电路包括：被测功率器件DUT、续流二极管T、续流电感L、同轴电阻电流传感器R、功率器件驱动单元以及供电电源VDC；
其中，被测功率器件DUT的漏极与续流电感L串联后连接至供电电源VDC的正极，被测功率器件DUT的源极与同轴电阻电流传感器R串联后连接至供电电源VDC的负极，被测功率器件DUT的栅极连接至功率器件驱动单元；续流二极管T与续流电感L并联；
在本实施例中，供电电源VDC输入为直流，所测量的开关电压VDS为被测功率器件DUT和同轴电阻电流传感器R之间的压降。在本实施例中，同轴电阻电流传感器R具有很高的带宽，通过同轴电缆接入示波器，同轴电阻电流传感器R的带宽为120MHz，阻值为0.05Ω，上升时间小于2.8ns，最大连续功率为2W，最大能承受脉冲能量为2J，其他带宽更高的、上升更短的、最大连续功率更大的同轴电阻电流传感器均可应用于本发明；续流电感L优选为自绕的一组空芯圆柱电感和含有磁芯的电感，绕制后通过阻抗分析仪测量电感大小并进行修正，其他满足预定电流值的电感均可应用于本发明；续流二极管T优选的是FSV15100V，其他直流反向耐压较高的续流二极管均可应用于本发明；被测功率器件DUT优选的是GS66504B芯片和XG65T125HS芯片，两款芯片均为E-mode氮化镓功率管，测量其他高频功率器件的动态导通电阻均可使用本发明；功功率器件驱动单元由STM32系列芯片中具有DAC模块的单片机和驱动芯片构成，其他可实现DAC输出的芯片均可应用于本发明；其中，DAC模块输出双脉冲信号，驱动芯片为单通道高速低侧栅极驱动器，优选的是UCC27511，具有较高的峰值拉电流和灌电流能力，具有轨至轨驱动能力，传播延迟为13ns，具有9ns的上升时间和7ns的下降时间，其他优于此性能的栅极驱动芯片均可应用于本发明；
电压钳位电路包括：NMOS管M、稳压管Z和NMOS管驱动电源VCC；其中，NMOS管M的漏极与被测功率器件DUT的漏极连接，NMOS管M的源极与稳压管Z的负极连接，NMOS管M的栅极与NMOS管驱动电源VCC的正极连接；稳压管Z的正极连接至NMOS管驱动电源VCC的负极接到地，所测的钳位电压VDS(m)为稳压管Z负极至正极间的电压；
在本实施例中，NMOS管M具有8ns的上升时间和19ns的下降时间，NMOS管的驱动电源VCC为直流电压；稳压管Z优选的是PDZ4.7B芯片，稳压管的电压会稳定在NMOS管驱动电源与NMOS管阈值电压的差值，故选取的稳压管的稳压值需大于此差值电压，满足此要求的其他稳压管均可应用于本发明；
本发明使用双脉冲硬开关测试法测量被测功率器件DUT动态导通电阻，具体过程为：功率器件驱动单元产生双脉冲的驱动信号注入被测功率器件DUT的栅极，其中，第一个脉冲时间足够长，能够将续流电感L的工作电流升到预定值，第二个脉冲时间尽可能短，使续流电感L不会继续磁化，工作电流也保持在预定值；
被测功率器件DUT在测试前处于关断状态，主电路无电流通过；在第一个脉冲到来时，被测功率器件DUT的栅极与源极间电压VGS拉高，被测功率器件DUT导通，续流电感L开始充电；第一个脉冲结束时，VGS拉低，被测功率器件DUT关断，续流电感L的电流通过续流二极管T续流；第二个脉冲到来时，被测功率器件DUT再次导通，续流电感L的工作电流为预定值，在第二个脉冲阶段完成导通电压和导通电流的测量；双脉冲结束后，被测功率器件DUT关断，主电路中的电流在续流回路中衰减至零，整个测试结束；
电压钳位电路具有两种工作状态，第一种为被测功率器件DUT关断状态，第二种为被测功率器件DUT导通状态，如图2所示，电压钳位测量过程包括：
第一种工作状态：在t2时刻，功率管驱动单元开始输出低电平，被测功率器件DUT关断，电流流经NMOS管M和稳压管Z，NMOS管M的源极即稳压管Z电压升高，NMOS管M的栅极及源极之间的电压减小，通过限制NMOS管M的导通，稳压管Z上的电流也会减小，稳压管Z的电压会稳定在NMOS管驱动电源VCC与NMOS管M阈值电压的差值，如图2所示，此差值不到4V，其差值电压小于稳压管Z的稳压值，远远小于图2所示的关断电压，该差值电压为关断电压被钳位后的电压VDS(m)；
第二种工作状态：t1时刻，功率管驱动单元开始输出高电平，在被测功率器件DUT导通时，被测功率器件DUT的漏极及源极之间的电压下降，稳压管Z电压值小于稳压值，NMOS管M的栅极及源极之间的电压也大于阈值电压，NMOS管M完全导通，但NMOS管M的漏极与源极之间的电压差很小，流经NMOS管M的电流极小，NMOS管M上的压降可以忽略，此时稳压管Z的电压即为导通电压，也是导通电压被钳位后的电压VDS(m)。如图2所示，本发明的电压钳位电路没有对功率器件引入额外的寄生参数，有效抑制了功率器件的开关电压振荡，且响应延迟小于100ns。
在以上测量过程中，被测功率器件DUT关断过程中，测试点的电压有效地被钳位在很低的电压值；在被测功率器件DUT导通过程中，电压钳位电路采集到了被测功率器件DUT的真实导通压降和同轴电阻的压降，通过已知的同轴电阻阻值和同轴电阻电流传感器所测的电流值，计算出被测功率器件DUT的导通电阻。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，包括：主电路和电压钳位电路；
所述主电路包括：被测功率器件DUT、续流二极管T、续流电感L、同轴电阻电流传感器R、功率器件驱动单元以及供电电源VDC；
其中，被测功率器件DUT的漏极与续流电感L串联后连接至供电电源VDC的正极，被测功率器件DUT的源极与同轴电阻电流传感器R串联后连接至供电电源VDC的负极，被测功率器件DUT的栅极连接至功率器件驱动单元；续流二极管T与续流电感L并联；
所述电压钳位电路包括：NMOS管M、稳压管Z和NMOS管驱动电源VCC；其中，NMOS管M的漏极与被测功率器件DUT的漏极连接，NMOS管M的源极与稳压管Z的负极连接，NMOS管M的栅极与NMOS管驱动电源VCC的正极连接；稳压管Z的正极连接至NMOS管驱动电源VCC的负极接到地，所测的钳位电压VDS(m)为稳压管Z负极至正极间的电压；
功率器件驱动单元产生双脉冲的驱动信号注入被测功率器件DUT的栅极，其中，第一个脉冲时间足够长，能够将续流电感L的工作电流升到预定值，第二个脉冲时间尽可能短，使续流电感L不会继续磁化，工作电流也保持在预定值；
被测功率器件DUT在测试前处于关断状态，主电路无电流通过；在第一个脉冲到来时，被测功率器件DUT的栅极与源极间电压VGS拉高，被测功率器件DUT导通，续流电感L开始充电；第一个脉冲结束时，VGS拉低，被测功率器件DUT关断，续流电感L的电流通过续流二极管T续流；第二个脉冲到来时，被测功率器件DUT再次导通，续流电感L的工作电流为预定值，在第二个脉冲阶段完成导通电压和导通电流的测量；双脉冲结束后，被测功率器件DUT关断，主电路中的电流在续流回路中衰减至零，整个测试结束；
电压钳位电路具有两种工作状态，第一种为被测功率器件DUT关断状态，第二种为被测功率器件DUT导通状态；
第一种工作状态：在被测功率器件DUT关断时，电流流经NMOS管M和稳压管Z，NMOS管M的源极即稳压管Z电压升高，NMOS管M的栅极及源极之间的电压减小，通过限制NMOS管M的导通，稳压管Z上的电流也会减小，稳压管Z的电压会稳定在NMOS管驱动电源VCC与NMOS管M阈值电压的差值，其差值电压必须小于稳压管Z的稳压值，差值电压为关断电压被钳位后的电压VDS(m)；
第二种工作状态：在被测功率器件DUT导通时，被测功率器件DUT的漏极及源极之间的电压下降，稳压管Z电压值小于稳压值，NMOS管M的栅极及源极之间的电压也大于阈值电压，NMOS管M完全导通，但NMOS管M的漏极与源极之间的电压差很小，流经NMOS管M的电流极小，NMOS管M上的压降可以忽略，此时稳压管Z的电压即为导通电压，也是导通电压被钳位后的电压VDS(m)。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，所述续流电感L优选为自绕的一组空芯圆柱电感和含有磁芯的电感，绕制后通过阻抗分析仪测量电感大小并进行修正。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，所述同轴电阻电流传感器R的带宽为120MHz，阻值为0.05Ω，上升时间小于2.8ns，最大连续功率为2W，最大能承受脉冲能量为2J。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，所述功率器件驱动单元由STM32系列芯片中具有DAC模块的单片机和驱动芯片构成；其中，DAC模块输出双脉冲信号，驱动芯片为单通道高速低侧栅极驱动器，其传播延迟为13ns，以及9ns的上升时间和7ns的下降时间。
5.根据权利要求1所述的一种功率器件动态导通电阻测试的电压钳位电路，其特征在于，所述NMOS管M具有8ns的上升时间和19ns的下降时间。
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