二極管反向恢復(fù)時(shí)間多檔測(cè)試技術(shù)

吳曉華， 韋文生， 曲金星， 莫越達(dá)， 羅 飛

（1.溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.金華市華豐儀器研究所，浙江金華 321017）

0 引 言

電氣設(shè)備中的二極管在關(guān)斷瞬間經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程，產(chǎn)生浪涌電流，引起電磁干擾，增加能耗［1-3］。反向恢復(fù)時(shí)間Trr是反向恢復(fù)性能的主要參數(shù)，取決于器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也受外部工作電路、環(huán)境溫度的影響［4］。技術(shù)上，測(cè)量Trr的技術(shù)方案有箝位電感負(fù)載（CIL）法和傳輸線脈沖（TLP）法［5-7］。使用CIL法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以分別調(diào)整測(cè)量條件，如正向電流IF脈沖、反向阻斷電壓UR脈沖和電流轉(zhuǎn)換率（di/dt）的大?。?］，Trr的最低量程（LMR）接近20 ns。本課題組采用改進(jìn)的CIL方法設(shè)計(jì)了Trr測(cè)試儀［9］，通過(guò)使用不同的分流電路、分壓器和電感器，分別調(diào)節(jié)IF、UR和di/dt，Trr的LMR 接近15 ns。CIL 方法的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)較簡(jiǎn)單，但在包含被測(cè)二極管（Diode Under Test，DUT）的電路中，彌散電感會(huì)因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而改變di/dt，從而改變反向恢復(fù)電流（Irr）波形［10］，進(jìn)而引起Trr的測(cè)量誤差。使用TLP 系統(tǒng)檢測(cè)Trr時(shí)［11］，長(zhǎng)傳輸線經(jīng)過(guò)高壓電源充電后再放電，產(chǎn)生邊沿上升、下降時(shí)間約0.1 ns的陡脈沖并加載到DUT 上。TLP 系統(tǒng)中可以分別調(diào)整IF、UR和di/dt，利用此法測(cè)得GaN超快恢復(fù)二極管的Trr＝4 ns，但是陡脈沖的邊沿形狀難以控制。王秀清等［12］采用等精度通用型計(jì)數(shù)器E312B組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以89C2052 型單片機(jī)為核心進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換、測(cè)量控制、數(shù)據(jù)處理及顯示。無(wú)論哪種方案，現(xiàn)在市場(chǎng)上的Trr測(cè)試儀只按一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，若要按照不同要求測(cè)試，需要購(gòu)置多臺(tái)儀器，導(dǎo)致成本增加；更換設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，工作效率下降。因此，迫切需要一臺(tái)滿足不同要求的Trr測(cè)試裝置，克服現(xiàn)有儀器的缺點(diǎn)。反向恢復(fù)特性的內(nèi)容在課程中闡述不多，但在開(kāi)關(guān)器件、電路應(yīng)用中經(jīng)常涉及，這就啟發(fā)我們開(kāi)展校企合作，研發(fā)新的Trr測(cè)試裝置，按照不同要求組合IF、UR脈沖加載于DUT，通過(guò)發(fā)射極耦合邏輯（ECL）電路構(gòu)成的電壓比較器對(duì)產(chǎn)生的反向恢復(fù)信號(hào)采樣［13-14］，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)顯示器呈現(xiàn)Trr值，用于測(cè)量碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管、續(xù)流二極管等器件的Trr值。

1 反向恢復(fù)時(shí)間及其測(cè)試方案

1.1 反向恢復(fù)時(shí)間的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

給DUT 加載IF脈沖，DUT 正向?qū)ǚ€(wěn)定后內(nèi)部貯存了少子；再給DUT 及時(shí)加載UR脈沖，DUT 不能立即截止，而是經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程［8］，Irr波形如圖1 上部所示。按照電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）標(biāo)準(zhǔn)［15］，反向恢復(fù)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間Trr有兩種定義：一是當(dāng)Irr波形的下降沿、上升沿分別經(jīng)過(guò)反向恢復(fù)電流峰值Irrm/4 的兩點(diǎn)之間的時(shí)間差就是Trr，如圖1（a）所示；二是當(dāng)Irr波形的下降沿、上升沿分別經(jīng)過(guò)0.10Irrm的兩點(diǎn)之間的時(shí)間差就是Trr，如圖1（b）所示。

圖1 Trr的取值范圍及對(duì)應(yīng)的Trr脈沖

實(shí)驗(yàn)上，可讓Irr經(jīng)過(guò)線性采樣電阻RL并在其上形成電壓信號(hào)Utrr＝IrrRL，利用示波器監(jiān)測(cè)Utrr波形就能真實(shí)地反映Irr波形。按照上述定義，移動(dòng)示波器屏幕的兩條豎直標(biāo)尺線即可截取Trr值。另外，如果把Trr對(duì)應(yīng)的Utrr波形轉(zhuǎn)換為寬度等于Trr的矩形脈沖（簡(jiǎn)稱(chēng)Trr脈沖），如圖1 下部所示，就能利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把此脈沖轉(zhuǎn)換成Trr值，并驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）顯示出來(lái)。

1.2 反向恢復(fù)時(shí)間測(cè)試方案

根據(jù)Trr的定義以及一臺(tái)儀器可按不同條件要求進(jìn)行測(cè)試的設(shè)想，在對(duì)比文獻(xiàn)［2，9，11］技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，提出了單臺(tái)裝置可按不同條件（多檔）測(cè)試Trr的方案，電路系統(tǒng)如圖2 所示。其中包括直流穩(wěn)壓電源、測(cè)試條件形成和信號(hào)采集電路、Trr信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和顯示電路4部分。直流穩(wěn)壓電源由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓4 個(gè)環(huán)節(jié)組成，可為其他電路提供穩(wěn)定的直流電壓，此為常規(guī)電路，以下不再贅述。測(cè)試條件形成和信號(hào)采集電路由IF脈沖源、UR脈沖源、多檔（測(cè)試條件選擇）電路、DUT、采樣電阻RL組成。其中IF脈沖使DUT正向充分導(dǎo)通；UR脈沖使DUT經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程，產(chǎn)生Irr通過(guò)RL形成電壓波形Utrr；多檔電路用于選擇不同的IF、UR脈沖和RL來(lái)組成滿足不同測(cè)試要求的條件。Trr信號(hào)處理電路由峰值檢波電路、分壓電路、發(fā)射極耦合邏輯（ECL）電路構(gòu)成的電壓比較器等組成。模/數(shù)轉(zhuǎn)換和顯示電路由A/D 轉(zhuǎn)換器、LED顯示器組成。ECL 電路中的兩個(gè)晶體管沒(méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)［13］，高、低電平轉(zhuǎn)換速度極快，可以處理高頻高速信號(hào)，在此當(dāng)作電壓比較器。一方面，在RL上形成的電壓Utrr直接送給電壓比較器的輸入端；另一方面，由峰值檢波電路檢出Utrr波形的峰值Utrrm），經(jīng)過(guò)分壓電路，得到定義Trr所要求的0.25Utrrm或0.10 Utrrm［15］，送給電壓比較器的參考電壓輸入端；由ECL電路構(gòu)成的電壓比較器完成Utrr波形采樣，輸出寬度等于Trr的脈沖。模/數(shù)轉(zhuǎn)換和顯示電路由模/數(shù)（A/D）芯片、LED顯示器組成，前者把Trr脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并驅(qū)動(dòng)LED顯示器顯示Trr值，此為常用電路，此后不再詳述。

圖2 Trr多檔測(cè)試裝置的電路系統(tǒng)框圖

1.3 主要電路設(shè)計(jì)

1.3.1 測(cè)試條件形成和信號(hào)采集電路

此電路主要包括IF脈沖源、UR脈沖源、多檔（測(cè)試條件選擇）及信號(hào)采集電路。其中，IF脈沖源電路、UR脈沖源電路均為常規(guī)電路。多檔（不同測(cè)試條件選擇）及信號(hào)采集電路主要由選擇開(kāi)關(guān)、被測(cè)二極管、采樣電阻等構(gòu)成，如圖3 所示。

圖3 多檔及信號(hào)采集電路

正向IF脈沖應(yīng)先于UR脈沖到達(dá)DUT，使其正向充分導(dǎo)通，內(nèi)部?jī)?chǔ)存少子。隨后反向UR脈沖到達(dá)DUT時(shí)的下降沿與IF脈沖的下降沿對(duì)齊，避免DUT內(nèi)部少子自行耗散，這些少子全部被UR脈沖形成的電場(chǎng)掃除，如此形成的Irr波形或者在RL上形成的Utrr（＝IrrRL）波形才能真實(shí)地反映DUT的反向恢復(fù)特征。利用示波器監(jiān)測(cè)到Utrr波形后，可以按照Trr測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，移動(dòng)示波器屏幕的兩條豎直標(biāo)尺線分別到達(dá)下降沿、上升沿中的0.25Utrrm或0.10Utrrm位置，兩點(diǎn)之間的時(shí)間差就是Trr。為此，從同一個(gè)CPU 芯片產(chǎn)生IF、UR原始脈沖，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選器件、精心設(shè)計(jì)印刷電路板上的傳輸電路，嚴(yán)格控制時(shí)延，IF、UR脈沖到達(dá)DUT時(shí)的下降沿對(duì)齊。

在圖3 中，多檔電路的選擇開(kāi)關(guān)K2 中K21、K22、K23、K24 之一閉合，實(shí)際就是按照委托方的要求，選擇不同的IF、UR脈沖和采樣電阻RL（R2、R4、R6、R9其中之一），組合所需要的測(cè)試條件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試要求。例如，當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)K2 閉合K21 時(shí)，此時(shí)的IF脈沖幅值為0.05 A，使DUT正向?qū)?，反向阻斷脈沖UR的幅度為－ 10 V，經(jīng)K21 送到DUT 的陽(yáng)極，在采樣電阻R2上形成Utrr波形。再如，當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)K2 閉合K24時(shí)，此時(shí)的IF脈沖幅值為0.50 A，使DUT 正向?qū)?，反向阻斷脈沖UR的幅度為－ 10 V，經(jīng)電阻R8、開(kāi)關(guān)K24送到DUT的陽(yáng)極，在采樣電阻R9上形成Utrr波形。

1.3.2 反向恢復(fù)信號(hào)處理電路

此電路可以分成Utrrm檢波電路、電阻分壓電路、Trr脈沖轉(zhuǎn)換電路等部分。其中Utrrm檢波電路、電阻分壓電路均為常規(guī)電路。Trr脈沖轉(zhuǎn)換電路包括發(fā)射極耦合邏輯（ECL）電路構(gòu)成的電壓比較器、射極跟隨器，如圖4 所示。

圖4 Trr脈沖轉(zhuǎn)換電路

Irr從DUT 負(fù)極流出通過(guò)RL形成電壓信號(hào)Utrr。一方面，Utrr經(jīng)過(guò)峰值檢波電路得到Utrr的峰值Utrrm。Utrrm經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器及電阻構(gòu)成的反相電路，負(fù)極性轉(zhuǎn)換為正極性。然后，經(jīng)過(guò)模擬電子開(kāi)關(guān)及電阻構(gòu)成的分壓電路，得到0.25Utrrm（RL＝1 Ω 檔）或0.10Utrrm（RL＝10、75、100 Ω檔），作為圖4 中微波三極管TR7、TR8 組成的ECL 電路——電壓比較器中的參考電壓（TR8 基極）。另一方面，Utrr經(jīng)過(guò)電阻R48、R49送到三極管TR7 的基極，作為電壓比較器的輸入電壓。ECL電路擔(dān)當(dāng)電壓比較器的功能，其中的兩個(gè)晶體管邏輯功能簡(jiǎn)單，兩者推挽工作，分別在截止、線性放大狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，沒(méi)有飽和狀態(tài)的電荷儲(chǔ)存效應(yīng)，抑制共模干擾，把Utrr波形轉(zhuǎn)換成Trr脈沖。此脈沖從ECL電路中三極管TR7、TR8 的集電極輸出，電壓放大；再送到三極管TR9、TR10 構(gòu)成的射極跟隨器的基極，從發(fā)射極輸出，電流放大。Trr脈沖送入A/D 芯片轉(zhuǎn)換成Trr數(shù)值，并驅(qū)動(dòng)LED顯示出來(lái)。制造電路時(shí)盡量選擇參數(shù)對(duì)稱(chēng)的三極管TR7、TR8 和TR9、TR10，保證Trr脈沖的對(duì)稱(chēng)性和Trr值的準(zhǔn)確性。

ECL電路的開(kāi)關(guān)速度雖然極快但也有限［16］，導(dǎo)致Utrr波形轉(zhuǎn)換成Trr脈沖時(shí)上升沿、下降沿都有一定的坡度。當(dāng)Trr縮短到一定程度，經(jīng)過(guò)ECL電路構(gòu)成的電壓比較器轉(zhuǎn)換得到Trr脈沖的上升沿、下降沿靠攏夾成一個(gè)角，角度大小由ECL 電路的開(kāi)關(guān)速度決定，此時(shí)的Trr值稱(chēng)為測(cè)量裝置的下限。設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇開(kāi)關(guān)速度快、參數(shù)一致的兩個(gè)高頻微波三極管來(lái)組成ECL電路，能夠降低Trr測(cè)試儀的LMR，擴(kuò)大測(cè)量范圍。

2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

利用研制的裝置，在100 Ω 檔下測(cè)量1N4148 型二極管時(shí)，使用YOKOGAWA-DLM2024 型示波器觀測(cè)的IF、UR、Utrr波形及Trr脈沖分別如圖5 的①、②、③、④波形所示?？梢?jiàn)，IF脈沖（波形①）先于UR脈沖（波形②）到達(dá)DUT，兩個(gè)脈沖的下降沿對(duì)齊，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。UR脈沖到達(dá)DUT 后使其經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程，在采樣電阻R4上形成Utrr信號(hào)（波形③），Utrr波形被ECL電路構(gòu)成的電壓比較器轉(zhuǎn)換成Trr脈沖（波形④）。從圖5 可見(jiàn)，使用示波器屏幕的豎直標(biāo)尺線對(duì)準(zhǔn)Utrr波形中分別為0.10Utrrm的兩點(diǎn)，時(shí)間差ΔT ＝14.3 ns ＝0.014 3 μs，與LED 顯示器（灰色方框）上Trr的值0.015 μs非常接近。

圖5 IF 脈沖、UR、Utrr、Trr的測(cè)量結(jié)果（灰色方塊里的數(shù)值是LED顯示的Trr值，μs）

利用研制的裝置在4 個(gè)不同檔位測(cè)試了1N4742型二極管的Utrr波形、Trr值，如圖6 所示。圖中兩條豎直標(biāo)尺線之間的時(shí)間差即為示波器測(cè)得的Trr值，右上方灰色方塊里的數(shù)值是本裝置LED 上顯示的Trr值，單位μs。分別測(cè)試了1N4742、1N4748、1N4749 3 種型號(hào)的二極管，將測(cè)試結(jié)果分別列入表1 和表2，表1 中列出了示波器測(cè)得的Trr值、裝置LED 顯示的Trr值以及兩者之間的相對(duì)誤差；表2 列出了3 種二極管在不同檔位下測(cè)得的Trr、Irrm值。

圖6 4種檔位分別測(cè)得1N4742型二極管的Utrr波形及Trr值（灰色方塊里的數(shù)值是LED顯示的Trr值，μs）

對(duì)比同一個(gè)二極管在4 個(gè)不同檔位下測(cè)得的Utrr波形和Trr值可見(jiàn)，使用RL＝1 Ω檔測(cè)得的Trr值最小，因?yàn)榇藭r(shí)定義的Trr值是Urr波形上升沿、下降沿分別經(jīng)過(guò)0.25Urrm時(shí)兩點(diǎn)之間的時(shí)間差；而RL＝10 Ω、75 Ω、100 Ω 檔定義的Trr值是上升沿、下降沿分別經(jīng)過(guò)0.10Urrm時(shí)兩點(diǎn)之間的時(shí)間差。后者的時(shí)間間隔更長(zhǎng)，即Trr值更大。

從表1 可見(jiàn)，示波器測(cè)得的Trr值與LED 顯示的Trr值之間相對(duì)誤差的最大值小于5.0%，相對(duì)誤差很小，證明本裝置的可靠性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。誤差歸因于電路存在時(shí)延、元器件參數(shù)誤差、示波器屏幕中標(biāo)尺線的讀數(shù)誤差等。

表1 3 種二極管在4 種檔位下示波器測(cè)量Trr值與LED顯示Trr值的比較

從表2 可見(jiàn)，不同檔位的IF脈沖幅值分別為0.5、0.1、0.05、0.01 A，但是各個(gè)脈沖的寬度都設(shè)計(jì)為相同的2 μs。因此，各個(gè)DUT內(nèi)部?jī)?chǔ)存的少子——反向恢復(fù)電荷Qrr值不同，IF值大的，Qrr值也大。而Qrr≈0.5 IrrmTrr［15］，其中Irrm＝Utrrm/RL。所以，使用某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量一種二極管時(shí)，在一定范圍內(nèi)，IF值越大，Qrr值越大，即IrrmTrr的值越大。由此推斷，表2 列出的測(cè)量數(shù)據(jù)符合半導(dǎo)體器件物理的規(guī)律。

表2 3 種二極管在4 種檔位下的Trr值與Irrm值的比較

3 結(jié) 語(yǔ)

按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，制訂了二極管反向恢復(fù)時(shí)間Trr分為4 檔測(cè)試的電路系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)并成功研制了測(cè)試裝置。采用不同標(biāo)準(zhǔn)（檔位）分別測(cè)試了3 種二極管的Trr值，并用示波器觀測(cè)了反向恢復(fù)信號(hào)的波形和Trr值。裝置LED 顯示的Trr值與示波器測(cè)得的Trr值基本吻合，所得數(shù)據(jù)符合半導(dǎo)體器件物理的規(guī)律，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

本文的方法和裝置克服了現(xiàn)有儀器只按一種標(biāo)準(zhǔn)工作而無(wú)法滿足不同要求的缺陷，能在LED上顯示測(cè)試結(jié)果，操作簡(jiǎn)便，成本下降，可從市場(chǎng)選購(gòu)元器件進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，符合相關(guān)企業(yè)需求，市場(chǎng)前景誘人。同時(shí)，可以作為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、傳感器與檢測(cè)技術(shù)等課程的綜合創(chuàng)新型課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等案例，不斷更新功能、指標(biāo)要求，逐步完善，學(xué)以致用。