RU221534U1

RU221534U1 - Device for measuring reverse current recovery time in rectifying diodes

Info

Publication number: RU221534U1
Application number: RU2023117683U
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Щемеров; Виктор Дмитриевич Кирилов; Светлана Петровна Кобелева
Filing date: 2023-07-05
Publication date: 2023-11-10

Abstract

Полезная модель относится к области измерений в электронной технике, а именно к устройствам, применяющимся для контроля полупроводниковой технологии. Техническим результатом данной работы является создание измерителя времени восстановления обратного тока в выпрямительных диодах в условиях прямых токов, достигающих до единиц ампер, с точностью до единиц микросекунд. Технический результат достигается за счет того, что прибор для измерения времени восстановления обратного тока выпрямительных диодов включает в себя источник импульсов тока и высокоскоростные АЦП, ЦАП, отличающийся тем, что источник импульсов тока построен на комплементарной паре транзисторных сборок Дарлингтона, которые с помощью операционного усилителя, управляемого напряжением ЦАП, задают импульсы разной полярности, а время восстановления обратного тока фиксируется встроенным АЦП при протекании импульса обратного тока.

The utility model relates to the field of measurements in electronic technology, namely to devices used to control semiconductor technology. The technical result of this work is the creation of a reverse current recovery time meter in rectifier diodes under conditions of forward currents reaching up to units of amperes, with an accuracy of units of microseconds. The technical result is achieved due to the fact that the device for measuring the recovery time of the reverse current of rectifier diodes includes a source of current pulses and high-speed ADCs, a DAC, characterized in that the source of current pulses is built on a complementary pair of Darlington transistor assemblies, which, with the help of an operational amplifier, voltage-controlled DAC, pulses of different polarities are set, and the recovery time of the reverse current is fixed by the built-in ADC when a reverse current pulse flows.

Description

Полезная модель относится к области измерений в электронной технике, а именно к устройствам, применяющимся для контроля полупроводниковой технологии.The utility model relates to the field of measurements in electronic technology, namely to devices used to control semiconductor technology.

Выпрямительные диоды в процессе переключения испытывают нагрузки, связанные с резким изменением полярности приложенного напряжения. В первую очередь это выражается в том, что при включении обратного напряжения разрядка конденсатора, образованного областью пространственного заряда, образует значительный обратный ток, ограниченный, как правило, только величиной последовательного сопротивления. Величина импульса обратного тока и его продолжительность говорят как о возможности применения выпрямительных диодов в тех или иных областях, так и о их времени службы и скорости износа. Измерение времени восстановления обратного тока диодов является важным элементом производственного процесса на предприятиях по производству силовых устройств.During the switching process, rectifier diodes experience loads associated with a sharp change in the polarity of the applied voltage. First of all, this is expressed in the fact that when the reverse voltage is turned on, the discharge of the capacitor formed by the space charge region forms a significant reverse current, limited, as a rule, only by the value of the series resistance. The magnitude of the reverse current pulse and its duration indicate both the possibility of using rectifier diodes in certain areas, as well as their service life and wear rate. Measuring the reverse current recovery time of diodes is an important part of the manufacturing process in power device manufacturing plants.

Время восстановления обратного тока (ВВ) в выпрямительных диодах на основе монокристаллического кремния (МК) и германия можно определять непосредственно, пропуская через диод пару импульсов разной полярности. Сначала запускается прямой импульс большой величины, продолжительностью достаточной чтобы зарядить встроенную емкость и заполнить дефекты структуры. После этого ток резко переключается на обратный, по абсолютной величине, как правило, в 10-20 раз меньше прямого. В течение времени ВВ на осциллограмме можно будет наблюдать «полочку» обратного тока большой величины (ГОСТ 18986.8-73). Время, которое проходит от начала сигнала до его конца (как правило, оно выбирается в пределах 5% от абсолютной величины прямого тока) и есть ВВ.The reverse current recovery time (RC) in rectifier diodes based on monocrystalline silicon (MC) and germanium can be determined directly by passing a pair of pulses of different polarities through the diode. First, a direct pulse of large magnitude is launched, with a duration sufficient to charge the built-in capacitance and fill structural defects. After this, the current abruptly switches to reverse, in absolute value, as a rule, 10-20 times less than direct. During the explosive time, it will be possible to observe a “shelf” of a large reverse current on the oscillogram (GOST 18986.8-73). The time that passes from the beginning of the signal to its end (as a rule, it is selected within 5% of the absolute value of the forward current) is the VT.

Известно устройство для измерения времени восстановления обратного сопротивления диодов [SU 429383 A1, опубл. 24.09.1974], которое реализует импульсы обратного тока при помощи зарядки-разрядки конденсатора большой емкости. Существенным недостатком данного устройства является большая неоднородность источника тока, таким образом сигнал обратного импульса является сверткой функции разрядки конденсатора и «ступеньки» обратного тока, и разделение такой функции является математически нетривиальной задачей.A known device for measuring the recovery time of the reverse resistance of diodes [SU 429383 A1, publ. 09.24.1974], which implements reverse current pulses by charging and discharging a large capacitor. A significant disadvantage of this device is the large heterogeneity of the current source, thus the reverse pulse signal is a convolution of the capacitor discharge function and the reverse current “step”, and the separation of such a function is a mathematically non-trivial task.

Наиболее близким является устройство измерения времени обратного восстановления диодов [RU 176261 U1, опубл. 15.01.2018], в котором генератор импульсов построен на МДП-транзисторах. Недостатки данной конструкции следуют из недостатков МДП-транзисторов: большая паразитная емкость, невозможность задавать ток большой величины, неустойчивость высокочастотного усилителя.The closest is a device for measuring the reverse recovery time of diodes [RU 176261 U1, publ. 01/15/2018], in which the pulse generator is built on MOS transistors. The disadvantages of this design follow from the disadvantages of MOS transistors: large parasitic capacitance, the inability to set a large current, instability of the high-frequency amplifier.

Целью данной работы является создание измерителя времени восстановления обратного тока диода в микросекундном диапазоне.The purpose of this work is to create a diode reverse current recovery time meter in the microsecond range.

Техническим результатом данной работы является создание измерителя времени восстановления обратного тока в выпрямительных диодах в условиях прямых токов, достигающих до единиц ампер, с точностью до единиц микросекунд.The technical result of this work is the creation of a reverse current recovery time meter in rectifier diodes under conditions of forward currents reaching up to units of amperes, with an accuracy of units of microseconds.

Технический результат достигается за счет того, что прибор для измерения времени восстановления обратного тока выпрямительных диодов включает в себя источник импульсов тока и микроконтроллер со встроенными аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифроаналоговым преобразователем (ЦАП), причем источник импульсов тока построен на комплементарной паре транзисторных сборок Дарлингтона, которые с помощью операционного усилителя (ОУ), управляемого напряжением ЦАП, задают импульсы разной полярности, а время восстановления обратного тока фиксируется встроенным АЦП при протекании импульса обратного тока.The technical result is achieved due to the fact that the device for measuring the recovery time of the reverse current of rectifier diodes includes a source of current pulses and a microcontroller with a built-in analog-to-digital converter (ADC) and a digital-to-analog converter (DAC), and the source of current pulses is built on a complementary pair of transistor Darlington assemblies, which, using an operational amplifier (op-amp) controlled by the voltage of the DAC, set pulses of different polarities, and the recovery time of the reverse current is fixed by the built-in ADC when a reverse current pulse flows.

Технический результат достигается за счет использования высокочастотных биполярных сборок Дарлингтона, а также использования широкополосных ОУ, управляемых ЦАП. ЦАП позволяет задавать скорость изменения сигнала до 0,5 мкс, время переключения данной схемы составляет менее 1 мкс. АЦП позволяет регистрировать всю релаксационную кривую, имеющую вид «ступеньки», что дает возможность оптимизировать параметры измерения.The technical result is achieved through the use of high-frequency bipolar Darlington assemblies, as well as the use of wideband op-amps controlled by a DAC. The DAC allows you to set the rate of signal change to 0.5 μs, the switching time of this circuit is less than 1 μs. The ADC makes it possible to record the entire relaxation curve, which has the form of a “step,” which makes it possible to optimize the measurement parameters.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого измерителя. Импульсы тока запускаются быстродействующим цифро-аналоговым преобразователем 1, который меняет потенциал на неинвертирующем входе высокоскоростного операционного усилителя 2. ОУ управляет двухтактным каскадом на основе быстродействующих транзисторов Дарлингтона 3 и 4 соответственно. Граничная частота усиления по току для данных транзисторов должна быть не менее 200 МГц. Источник импульсов подает ток на измеряемый диод 5, для чего ОУ 2 сравнивает сигнал на опорном резисторе 6 (1 Ом, 5 Вт) и сигнал управляющего ЦАП 1, с которого подаются импульсы задающего напряжения. За счет обратной связи система устанавливает управляемую величину тока через измеряемый диод 5.The utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. Figure 1 shows the design of the proposed meter. The current pulses are triggered by a high-speed digital-to-analog converter 1, which changes the potential at the non-inverting input of the high-speed operational amplifier 2. The op-amp controls a push-pull stage based on high-speed Darlington transistors 3 and 4, respectively. The current gain cutoff frequency for these transistors must be at least 200 MHz. The pulse source supplies current to the measured diode 5, for which op-amp 2 compares the signal at the reference resistor 6 (1 Ohm, 5 W) and the signal of the control DAC 1, from which the master voltage pulses are supplied. Due to feedback, the system sets a controlled current value through the measured diode 5.

Буферный операционный усилитель 7 фильтрует шум и не позволяет измерительной системе влиять на генератор. Сигнал измеряется быстродействующим аналого-цифровой преобразователем 8 (необходимая скорость преобразования до 2.4 MSPS), набор управляющих выходов и интерфейс для связи с компьютером. Выходная характеристика преобразуется в цифровой вид и анализируется на АЦП или на ПК, который может быть связан с АЦП.Buffer operational amplifier 7 filters noise and prevents the measurement system from influencing the oscillator. The signal is measured by a high-speed analog-to-digital converter 8 (required conversion speed up to 2.4 MSPS), a set of control outputs and an interface for communication with a computer. The output characteristic is converted to digital form and analyzed on an ADC or on a PC, which may be coupled to the ADC.

Как правило, для знания времени ВВ достаточно зафиксировать три точки: момент максимального обратного тока t_MAX (I_RR) и моменты, когда ток составляет 10% от максимума: t₁, t₂ (как правило, для большинства применений времена t₁ и t_MAX отличаются незначительно и не различаются). Но для более качественного анализа можно взять всю кривую релаксации обратного тока. Это позволяет оценить не только длительность "ступеньки" обратного тока, но и характерное время релаксационного процесса, что важно для быстрых диодов. Скорость измерения позволяет регистрировать события длительностью от 1 мкс.As a rule, to know the explosive time it is enough to fix three points: the moment of maximum reverse current t _MAX (I _RR ) and the moments when the current is 10% of the maximum: t ₁ , t ₂ (as a rule, for most applications the times t ₁ and t _MAX differ slightly and do not differ). But for a more qualitative analysis, you can take the entire reverse current relaxation curve. This makes it possible to estimate not only the duration of the reverse current “step,” but also the characteristic time of the relaxation process, which is important for fast diodes. The measurement speed allows you to record events with a duration of 1 µs.

Claims

A device for measuring the recovery time of the reverse current of rectifier diodes, including a source of current pulses, high-speed ADCs and DACs, characterized in that the source of current pulses is built on a complementary pair of Darlington transistor assemblies and its input is connected to the output of an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the output of the DAC , and the inverting input is connected to a reference resistor and a non-inverting input of a buffer amplifier, the output of which is connected to a built-in ADC, which provides fixation of the relaxation curve of reverse current recovery and the reverse current recovery time.