CN207798963U - 一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于半导体技术领域，提供一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路。该栅极电荷量测量电路包括控制模块、充电模块、电流检测模块以及电量计算模块；控制模块在第一控制信号有效且第二控制信号无效时控制充电模块根据工作电压向待测绝缘栅双极型晶体管进行充电，电流检测模块检测充电模块对待测绝缘栅双极型晶体管进行充电时的充电电流，且将充电电流反馈至电量计算模块，电量计算模块获取待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据时间与充电电流计算待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量。该栅极电荷量测量电路实现解决准确测量IGBT栅极电荷量的问题。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路

技术领域

本属于实用新型属于半导体技术领域，特别涉及一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路。

背景技术

由于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是由双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，因此综合了以上两种器件的优点，即驱动功率小而饱和压降低的优点。然而，由于IGBT的门极(Gate)电荷的大小对其动态特性(开关特性)和动态损耗(开关过程中的损耗)有重要的影响，因此，准确测量IGBT的门极电荷量对于IGBT器件的性能优化显得十分重要。

目前，对于IGBT栅极电荷量的测量而言，现有技术一般是通过测量IGBT 栅极的电容和IGBT处于完全导通状态下的栅极电压，利用电容的计算公式： C＝Q/U，计算获得IGBT栅极电荷量，其中，C为IGBT栅极的电容值，U为 IGBT处于完全导通状态下的栅极电压，Q为计算获得的IGBT栅极电荷量。

然而，由于现有技术在测量IGBT栅极电荷量时需要测量或计算其栅极电容的电容值，而IGBT器件的结构产生的寄生电容会在测量IGBT栅极的电容时产生干扰，导致无法得出正确的电容值，进而使得计算所得到的IGBT栅极电荷量也会有所偏差。

综述所述，现有的IGBT栅极电荷量测量方法存在无法准确测量IGBT栅极电荷量的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路，旨在解决现有技术中存在现有的IGBT栅极电荷量测量方法存在无法准确测量IGBT栅极电荷量的问题。

为实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路，用于测量待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量，所述栅极电荷量测量电路包括控制模块、充电模块、电流检测模块以及电量计算模块；

所述充电模块的第一输入端接收工作电压，并与所述电流检测模块的第一输入端连接，所述充电模块的控制端与所述电流检测模块的第二输入端连接，所述电流检测模块的输出端与所述电量计算模块的输入端连接，所述充电模块的第一输出端与所述控制模块的第一输入端连接，所述充电模块的第二输出端与所述控制模块的第二输入端以及所述待测绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述控制模块的第一控制端接收第一控制信号，所述控制模块的第二控制端接收第二控制信号，所述控制模块的输出端与所述待测绝缘栅双极型晶体管的发射极以及所述电量计算模块的第一检测端连接，所述待测绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述电量计算模块的第二检测端连接；

当所述第一控制信号有效，且所述第二控制信号无效时，所述控制模块控制所述充电模块根据所述工作电压向所述待测绝缘栅双极型晶体管进行充电，所述电流检测模块检测所述充电模块对所述待测绝缘栅双极型晶体管进行充电时的充电电流，且将所述充电电流反馈至所述电量计算模块，所述电量计算模块获取所述待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据所述时间与所述充电电流计算所述待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量。

本实用新型提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的有益效果在于，通过控制模块控制充电模块向待测绝缘栅双极型晶体管充电，电流检测模块检测待测绝缘栅双极型晶体管的充电电流，并向电量计算模块进行反馈，电量计算模块获取待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，进而根据时间与充电电流计算待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量，使得计算出的待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量不受待测绝缘栅双极型晶体管结构的影响，提高了绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量的测量准确度，解决了现有技术中存在现有的IGBT栅极电荷量测量方法存在无法准确测量IGBT栅极电荷量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型一实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的模块结构示意图；

图2是本实用新型一实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的电路结构示意图；

图3是本实用新型一实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的测量方法的测量流程示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本实用新型实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的模块结构，为了便于说明，仅示出与本实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，本实用新型实施例所提供的栅极电荷量测量电路，用于用于测量待测绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的栅极电荷量，该栅极电荷量测量电路包括控制模块200、充电模块100、电流检测模块300以及电量计算模块400。

其中，充电模块100的第一输入端接收工作电压，并与电流检测模块300 的第一输入端连接，充电模块100的控制端与电流检测模块300的第二输入端连接，电流检测模块300的输出端与电量计算模块400的输入端连接，充电模块100的第一输出端与控制模块200的第一输入端连接，充电模块100的第二输出端与控制模块200的第二输入端以及待测IGBT的栅极连接，控制模块200 的第一控制端接收第一控制信号，控制模块200的第二控制端接收第二控制信号，控制模块200的输出端与待测IGBT的发射极以及电量计算模块400的第一检测端连接，待测IGBT的集电极与电量计算模块400的第二检测端连接。

具体的，当第一控制信号有效，且第二控制信号无效时，控制模块200控制充电模块100根据工作电压向待测绝IGBT进行充电，电流检测模块300检测充电模块100对待测IGBT进行充电时的充电电流，且将充电电流反馈至电量计算模块400，电量计算模块400获取待测IGBT从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据时间与充电电流计算待测IGBT的栅极电荷量。

此外，当第一控制信号无效，且第二控制信号有效时，控制模块200控制充电模块100停止向待测IGBT充电，此时待测IGBT开始放电，进而使得待测IGBT关断，以为下次测量做准备。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，第一控制信号及第二控制信号可以是示波器输出的方波信号，也可以是控制器输出的正弦波信号，此处不做具体限制；信号有效指的是信号处于高电平，信号无效指的是信号处于低电平，也就是说，第一控制信号有效指的是第一控制信号为高电平，例如5V，第二控制信号无效指的是第二控制信号为低电平，例如0V。

此外，待测IGBT的开始充电状态指的是充电模块100开始向待测IGBT 充电时待测IGBT所处的状态，完全开启状态指的是待测IGBT根据充电模块 100输出的充电电压处于完全开启时的状态。

在本实施例中，该绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路通过通过控制模块控制充电模块向待测绝缘栅双极型晶体管充电，电流检测模块检测待测绝缘栅双极型晶体管的充电电流，并向电量计算模块进行反馈，电量计算模块获取待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，进而根据时间与充电电流计算待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量，使得计算出的待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量不受待测绝缘栅双极型晶体管结构的影响，提高了绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量的测量准确度。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，如图2所示，本实用新型实施例所提供的栅极电荷量测量电路还包括限流模块500。

其中，限流模块500的第一端与电量计算模块400的第二检测端连接，限流模块500的第二端与待测IGBT的集电极连接。

具体的，限流模块500对待测IGBT在导通过程中的电流进行限流。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，如图2所示，限流模块500 包括第五电阻R5，第五电阻R5的第一端为限流模块500的第一端，第五电阻 R5的第二端为限流模块500的第二端。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，限流模块500还可以为多个电阻串联或者并联组成，此处仅以第五电阻R5的结构为例，并不做具体限制。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，如图2所示，本实用新型实施例所提供的栅极电荷量测量电路还包括滤波模块600。

其中，滤波模块600的第一端与电量计算模块400的第二检测端连接，滤波模块600的第二端与电量计算模块400的第一检测端连接；

具体的，滤波模块600对电量计算模块400在获取时间的过程中的噪声进行滤波处理。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，如图2所示，滤波模块600 包括滤波电容C1，滤波电容C1的第一端为滤波模块600的第一端，滤波电容 C1的第二端为滤波模块600的第二端。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，滤波模块600还可以为多个电容串联或者并联构成，此处仅以滤波电容C1的结构为例，并不做具体限制。

如图2所示，本实用新型实施例所提供的栅极电荷量测量电路中的充电模块100包括第一开关元件Q1、二极管D、第一电阻R1及第二电阻R2。

其中，二极管D的阳极与第一电阻R1的第二端共接形成充电模块100的第一输入端，二极管D的阴极、第二电阻R2的第一端及第一开关元件Q1的控制端共接形成充电模块100的控制端，第一电阻R1的第二端与第一开关单元Q1的输入端连接，第二电阻R2的第二端为充电模块100的第一输出端，第一开关元件Q1的输出端为充电模块100的第二输出端。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，第一开关元件Q1为PNP型三极管，该PNP型三极管的基极、发射极以及集电极分别为第一开关元件Q1的控制端、输入端以及输出端；当然本领域技术人员可以理解的是，第一开关元件 Q1也可以采用其他开关管实现，例如PMOS晶体管。

如图2所示，本实用新型实施例所提供的栅极电荷量测量电路中的控制模块200包括第三电阻R3、第四电阻R4、第二开关元件Q2及第三开关元件Q3。

其中，第二开关元件Q2的输入端为控制模块200的第一输入端，第三开关元件Q3的输入端为控制模块200的第二输入端，第二开关元件Q2的控制端与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端为控制模块200的第一控制端，第三开关元件Q3的控制端与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4 的第二端为控制模块200的第二控制端，第二开关元件Q2的输出端与第三开关元件Q3的输出端共接形成控制模块200的输出端。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，第二开关元件Q2与第三开关元件Q3均为NPN型三极管，该NPN型三极管的基极、集电极以及发射极分别为第二开关元件Q2与第三开关元件Q3的控制端、输入端以及输出端；当然本领域技术人员可以理解的是，第二开关元件Q2与第三开关元件Q3也可以采用其他开关管实现，例如NMOS晶体管。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，电量计算模块400为示波器，示波器的第一输入端和第二输入端分别为电量计算模块400的第一检测端和第二检测端连接，示波器的第三输入端为电量计算模块400的输入端。

具体实施时，由于示波器连接在待测IGBT的集电极和发射极，因此示波器可对待测IGBT的导通状态以及导通时的电压波形进行有效检测，故示波器可通过检测到的待测IBGT的电压波形确定待测IGBT的开始充电状态的时间，以及确定待测IGBT完全开启状态的时间，并根据两者的时间差确定待测IGBT 从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间t。

进一步的，示波器可以对待测IGBT从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间进行多次测量，并对多次测量得到的时间进行平均值计算，且根据计算结果获取时间t。

在本实施例中，示波器通过对待测IGBT从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间进行多次测量，并对多次测量的时间进行均值处理，以获取到准确的时间t，进而使得示波器在根据时间t计算待测IGBT的栅极电荷量时，可进一步提高待测IGBT的栅极电荷量测量精度。

进一步的，作为本实用新型一优选实施方式，电流检测模块300采用现有的电压检测设备实现，例如示波器。该电压检测设备在检测到充电模块100对待测IGBT进行充电时的充电电压后，根据电阻、电压和电流三者之间的关系，利用获取到的充电电压与预设阻值获取充电模块100对待测IGBT进行充电时的充电电流。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，作为电流检测模块300的示波器与电量计算模块400的示波器可以是同一个示波器，也可以采用两个不同的示波器实现，此处不做限制。

进一步的，电流检测模块300可以多次检测充电模块100对待测IGBT进行充电时的充电电压，并对检测到的多个充电电压进行均值处理，以获取充电电压平均值，且根据充电电压平均值与预设阻值获取充电电流。

在本实施例中，电流检测模块300通过多次检测充电模块100对待测IGBT 进行充电时的充电电压，并对多个充电电压进行均值处理，以获取充电电压平均值，且根据充电电压平均值与预设阻值获取充电电流，以获取到准确的电流，进而使得电量计算模块400在根据电流计算待测IGBT的栅极电荷量时，可有效提高测量精度。

下面以图2所示的电路为例对本实用新型的栅极电荷量测量电路的工作原理进行说明，详述如下：

如图2所示，假如采用示波器输出控制信号，当电源向VIN端输出12V～17V 的工作电压时，同时示波器的信号输出端向HIN端输出的电平信号为5V，且 LIN端为0V，并向P端和N端之间加一定电压时，此时第二开关元件Q2导通，第三开关元件Q截止。当第二开关元件Q2导通后，二极管D、第二电阻R2 以及第二开关元件Q2形成通路，第一开关元件Q1的基极电压随第二电阻R2 电压被拉升，第一开关元件Q1导通，并向待测IGBT开始充电。

当待测IGBT开始充电时，一方面使用示波器测量待测IGBT的充电时间t，即利用示波器检测待测IGBT的充电开始状态直到测待测IGBT完全开启充电为止的时间t，然后通过切换使示波器的信号输出端向HIN端输出电平信号为 0V，且LIN端输出电平信号为5V，使得待测IGBT的栅极放电，待测IGBT 关断，充电时间测量完成。

另一方面电压检测模块300检测测量待测IGBT的充电电流i。由于第一开关元件Q1的放大倍数很大，因此，第一开关元件Q1基极产生的电流相对于集电极的电流可以忽略不计，故可以根据第一电阻R1两端的电压和第一电阻R1 的阻值计算流过第一电阻R1、第一开关元件Q1的电流i，该电流i即为待测 IGBT的充电电流。由于第一电阻R1两端的电压和二极管D两端的电压相等，因此，可使用示波器检测二极管D两端的电压，并根据检测到的电压与第一电阻R1阻值的比值获取待测IGBT的充电电流i，并将该充电电流i反馈至电量计算的示波器。

当进行电量计算的示波器接收到反馈的待测IGBT的充电电流i后，根据公式q＝i·t可计算出测量IGBT的栅极电荷量，其中q为计算得出的测量IGBT 的栅极电荷量。

在本实施例中，本实用新型提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路通过在第二开关元件Q2导通，且第三开关元件Q3截止时，控制第一开关元件Q1向待测IGBT充电，使得电压检测设备检测待测IGBT在充电过程中的充电电流，同时示波器获取待测IGBT从开始充电状态至完全开启状态的时间，进而根据获取的时间与电流的乘积计算该待测IGBT的栅极电荷量，使得在计算该待测IGBT的栅极电荷量的过程中，所测得的栅极电荷量不受IGBT的结构影响，进而提高了测量精度，并且该测量电路的结构简单，成本低，为绝缘栅双极型晶体管的产品设计以及相关电路的设计提供极大便利。

进一步的，图3示出了本实用新型实施例所提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的测量方法的测试流程，该测量方法包括：

步骤S10：控制模块在第一控制信号有效，且第二控制信号无效时，控制充电模块根据工作电压向待测绝缘栅双极型晶体管进行充电。

步骤S20：电流检测模块检测充电模块对待测绝缘栅双极型晶体管行充电时的充电电流，且将充电电流反馈至电量计算模块。

其中，在本实用新型实施例中，作为本实用新型一优选实施方式，电流检测模块多次检测充电模块对待测绝缘栅双极型晶体管进行充电时的充电电压，并对检测到的多个充电电压进行均值处理，以获取充电电压平均值，且根据充电电压平均值与预设阻值获取充电电流。

步骤S30：电量计算模块获取待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据时间与充电电流计算待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量。

其中，在本实用新型实施例中，作为本实用新型一优选实施方式，电量计算模块对待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间进行多次测量，并对多次测量得到的时间进行平均值计算，且根据计算结果获取时间。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，图3所示的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量方法是基于图1与图2所示的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路实现的，因此，关于图3提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量方法的具体工作原理可参考图1与图2所示的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的具体描述过程，在此不再赘述。

本实用新型实施例提供的绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路的测量方法，通过检测待测绝缘栅双极型晶体管的充电电流及测量待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据时间、电流及电荷量的三者关系可以计算出绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量，其测量数据准确、测试流程简便快捷、经济成本低，解决了现有的IGBT栅极电荷量测量方法存在无法准确测量IGBT栅极电荷量的问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量测量电路，用于测量待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量，其特征在于，所述栅极电荷量测量电路包括控制模块、充电模块、电流检测模块以及电量计算模块；

所述充电模块的第一输入端接收工作电压，并与所述电流检测模块的第一输入端连接，所述充电模块的控制端与所述电流检测模块的第二输入端连接，所述电流检测模块的输出端与所述电量计算模块的输入端连接，所述充电模块的第一输出端与所述控制模块的第一输入端连接，所述充电模块的第二输出端与所述控制模块的第二输入端以及所述待测绝缘栅双极型晶体管的栅极连接，所述控制模块的第一控制端接收第一控制信号，所述控制模块的第二控制端接收第二控制信号，所述控制模块的输出端与所述待测绝缘栅双极型晶体管的发射极以及所述电量计算模块的第一检测端连接，所述待测绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述电量计算模块的第二检测端连接；

当所述第一控制信号有效，且所述第二控制信号无效时，所述控制模块控制所述充电模块根据所述工作电压向所述待测绝缘栅双极型晶体管进行充电，所述电流检测模块检测所述充电模块对所述待测绝缘栅双极型晶体管进行充电时的充电电流，且将所述充电电流反馈至所述电量计算模块，所述电量计算模块获取所述待测绝缘栅双极型晶体管从开始充电状态至完全开启状态时所使用的时间，并根据所述时间与所述充电电流计算所述待测绝缘栅双极型晶体管的栅极电荷量。

2.如权利要求1所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述充电模块包括第一开关元件、二极管、第一电阻及第二电阻；

所述二极管的阳极与所述第一电阻的第二端共接形成所述充电模块的第一输入端，所述二极管的阴极、所述第二电阻的第一端及所述第一开关元件的控制端共接形成所述充电模块的控制端，所述第一电阻的第二端与所述第一开关元件的输入端连接，所述第二电阻的第二端为所述充电模块的第一输出端，所述第一开关元件的输出端为所述充电模块的第二输出端。

3.如权利要求1所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述控制模块包括第三电阻、第四电阻、第二开关元件及第三开关元件；

所述第二开关元件的输入端为所述控制模块的第一输入端，所述第三开关元件的输入端为所述控制模块的第二输入端，所述第二开关元件的控制端与所述第三电阻的第一端连接，所述第三电阻的第二端为所述控制模块的第一控制端，所述第三开关元件的控制端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端为所述控制模块的第二控制端，所述第三开关元件的输出端与所述第二开关元件的输出端共接形成所述控制模块的输出端。

4.如权利要求1所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述电量计算模块为示波器，所述示波器的第一输入端和第二输入端分别为所述电量计算模块的第一检测端和第二检测端连接，所述示波器的第三输入端为所述电量计算模块的输入端。

5.如权利要求1至4任一项所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述栅极电荷量测量电路还包括限流模块；

所述限流模块的第一端与所述电量计算模块的第二检测端连接，所述限流模块的第二端与所述待测绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；

所述限流模块对所述待测绝缘栅双极型晶体管在导通过程中的电流进行限流。

6.如权利要求5所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述限流模块包括第五电阻，所述第五电阻的第一端为所述限流模块的第一端，所述第五电阻的第二端为所述限流模块的第二端。

7.如权利要求1至4任一项所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，所述栅极电荷量测量电路还包括滤波模块；

所述滤波模块的第一端与所述电量计算模块的第二检测端连接，所述滤波模块的第二端与所述电量计算模块的第一检测端连接；

所述滤波模块对所述电量计算模块在获取所述时间的过程中的噪声进行滤波处理。

8.如权利要求7所述的栅极电荷量测量电路，其特征在于，滤波模块包括滤波电容，所述滤波电容的第一端为所述滤波模块的第一端，所述滤波电容的第二端为所述滤波模块的第二端。