半導(dǎo)體功率器件測(cè)試用脈沖高壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高子興，趙昭，李潔，沙長(zhǎng)濤，高峰

（1.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000）

0 引言

近年來(lái)，脈沖高壓技術(shù)在電力裝備、等離子放電、腫瘤治療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在功率半導(dǎo)體器件參數(shù)測(cè)量方面也發(fā)揮著重要的作用。脈沖高壓源是功率半導(dǎo)體器件測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于測(cè)量功率半導(dǎo)體器件擊穿電壓VCES（VBR）、截止電流（ICES）等靜態(tài)參數(shù)，其性能指標(biāo)會(huì)影響到功率半導(dǎo)體器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前，廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件主要有二極管、三極管、MOSFET和IGBT等。因自身特性的不同，使其在參數(shù)測(cè)量時(shí)施加的脈沖高壓幅值和寬度也不相同。例如，在測(cè)量MOSFET的擊穿電壓VDSS（VBR）時(shí)，所施加的脈沖高壓可達(dá)2000 V，測(cè)量功率IGBT模塊的擊穿電壓VCES（VBR）時(shí)，所施加的脈沖高壓可達(dá)4500 V，甚至可高達(dá)6500 V，其脈沖寬度在300μs～10 ms之間。因此研究設(shè)計(jì)一種輸出脈沖電壓范圍廣且幅值和寬度可調(diào)的脈沖高壓源對(duì)功率半導(dǎo)體器件測(cè)試具有重要意義。

目前，脈沖高壓的產(chǎn)生方式主要包括直線型變壓器驅(qū)動(dòng)源電路和Marx發(fā)生器［1-8］。前者因受到變壓器磁芯飽和的影響，輸出脈沖寬度有限，無(wú)法滿(mǎn)足功率半導(dǎo)體器件測(cè)試要求，因此多采用Marx發(fā)生器原理研制用于功率半導(dǎo)體器件測(cè)試的脈沖高壓源。Marx發(fā)生器原理是對(duì)多個(gè)電容并聯(lián)充電，然后電容串聯(lián)放電，實(shí)現(xiàn)輸出電壓瞬間倍增。通過(guò)將固態(tài)開(kāi)關(guān)MOSFET與Marx發(fā)生器相結(jié)合［9-11］，利用其快速導(dǎo)通、關(guān)閉和耐高壓的特性，可實(shí)現(xiàn)脈沖高壓源的輸出幅值、寬度連續(xù)可調(diào)。例如，程顯、卓遠(yuǎn)等人［12］基于Marx發(fā)生器原理研制了一種脈沖幅值0～4300 V可調(diào)，脈沖寬度0.3～5μs可調(diào)的脈沖高壓源。

為滿(mǎn)足功率半導(dǎo)體器件測(cè)試對(duì)脈沖高壓源輸出脈沖幅值和寬度的需求，現(xiàn)基于Marx發(fā)生器基本原理，采用雙電源、快恢復(fù)二極管隔離充電模式，降低了對(duì)電源功率的要求，減小了充電損耗，同時(shí)也加快了電容的充電速度。為功率半導(dǎo)體器件參數(shù)測(cè)量提供了可靠的脈沖高壓源。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本脈沖高壓源系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊、充電電源模塊、充放電采樣模塊、電源模塊、通訊模塊以及上位機(jī)組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 脈沖高壓源基本組成Fig.1 Basic composition of pulse high voltage source

脈沖高壓源系統(tǒng)工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器接收到上位機(jī)設(shè)定的脈沖電壓幅值、寬度數(shù)據(jù)后，將脈沖幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)匠潆婋娫茨K。充電電源沖發(fā)生模塊充電，在此過(guò)程中，充放電采樣模塊會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊儲(chǔ)能電容的電壓值。當(dāng)充放電采樣模塊檢測(cè)到電壓值與單片機(jī)控制器的設(shè)定值相等時(shí)，單片機(jī)控制器控制充電電源模塊停止充電，同時(shí)向改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊發(fā)送放電信號(hào)，控制放電時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制器及外圍電路模塊、改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊、充電電源模塊、充放電采樣模塊、電源模塊、通訊模塊等部分構(gòu)成。

2.1 單片機(jī)控制器及外圍電路模塊

單片機(jī)控制器選用STM32F103C8T6單片機(jī)，其CPU最大工作頻率為72 MHz，內(nèi)部集成了3個(gè)UART接口、8個(gè)定時(shí)器、12位ADC、2個(gè)SPI接口等，價(jià)格低、運(yùn)行速度快，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用的需求。

外圍電路分為供電電路、晶振、UART接口、電壓轉(zhuǎn)換電路等部分。其中STM32F103C8T6供電電壓為2.0～3.6 V，其余器件均為5 V工作電壓。為給模塊提供穩(wěn)定的電壓供給，采用三端穩(wěn)壓芯片LM7805和REF3033。將市電經(jīng)過(guò)變壓器降壓、整流、濾波后得到穩(wěn)定的12 V直流電壓，然后通過(guò)LM7805和REF3033得到穩(wěn)定的5 V和3.3 V電壓。

2.2 充電電源模塊

該充電電源模塊采用現(xiàn)有的程控線性直流電源，通過(guò)與單片機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，輸出不同幅值的直流電壓對(duì)改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊充電，從而實(shí)現(xiàn)脈沖高壓源輸出脈沖幅值的連續(xù)可調(diào)。

該脈沖高壓源處于工作狀態(tài)時(shí)，最大輸出UOUT=2nUDC，n=4，所以UDC=1000 V。能量傳輸過(guò)程一般存在5%左右的損耗［12］，因此充電電源的輸出功率PC應(yīng)滿(mǎn)足

式中：f為輸出脈沖電壓頻率，Hz；tW為輸出脈沖電壓寬度，占空比約為2%。

將UOUT=2nUDC代入式（1），得到單個(gè)充電電源輸出功率PC應(yīng)滿(mǎn)足

根據(jù)式（2）計(jì)算得到單個(gè)充電電源功率應(yīng)滿(mǎn)足PC≥337 W。若充電電源功率太小，則在充電過(guò)程中充電電流太小，導(dǎo)致充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此充電電源的功率相對(duì)要大一些，盡量縮短對(duì)儲(chǔ)能電容的充電時(shí)間。本模塊選用程控線性直流電源HLU100H05DA，其最大輸出電壓1100 V，額定功率500 W，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 改進(jìn)型Marx脈沖發(fā)生模塊

2.3.1 電路拓?fù)?/p>

基于全固態(tài)Marx發(fā)生器基本原理，采用雙電源模式，充電回路采用快速恢復(fù)二極管隔離，圖2為該改進(jìn)型Marx發(fā)生器電路拓?fù)鋱D。

圖2 改進(jìn)型Marx發(fā)生器電路拓?fù)銯ig.2 Circuit topology of improved Marx generator

該脈沖發(fā)生模塊電路包括2個(gè)同極性充電電源UDC，限流電阻RS1～RS2，4級(jí)子模塊以及負(fù)載電阻RL組成。每級(jí)子模塊均由上臂充電回路、下臂充電回路和放電回路組成。其中，第1級(jí)子模塊包括2個(gè)儲(chǔ)能電容C1～C2，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1，Q9和3個(gè)隔離快速恢復(fù)二極管D1～D3；第2級(jí)至第4級(jí)模塊共包含6個(gè)儲(chǔ)能電容C3～C8，7個(gè)開(kāi)關(guān)管Q2～Q8，12個(gè)隔離快速恢復(fù)二極管D4～D15。

2.3.2 工作原理

改進(jìn)型Marx發(fā)生器的工作原理如圖3所示。圖3（a）為該電路的上臂充電總回路，UDC經(jīng)過(guò)限流電阻RS1、隔離二極管、開(kāi)關(guān)管Q9為電容C2，C4，C6，C8充電。若將快恢復(fù)二極管視為理想狀態(tài)，則此時(shí)各儲(chǔ)能電容上的電壓均為UDC。

圖3（b）為該電路的下臂充電總回路，UDC經(jīng)過(guò)限流電阻RS2、隔離二極管、開(kāi)關(guān)管Q9為電容C1，C3，C5，C7充電，則此時(shí)各儲(chǔ)能電容上的電壓也均為UDC。

圖3（c）為該電路的同步放電總回路，當(dāng)充電完畢時(shí)，充電電源斷開(kāi)充電，單片機(jī)產(chǎn)生信號(hào)先控制開(kāi)關(guān)管Q9關(guān)閉，后控制開(kāi)關(guān)管Q1～Q7導(dǎo)通。在開(kāi)關(guān)管Q1～Q7導(dǎo)通后，再控制主開(kāi)關(guān)管Q8導(dǎo)通，使儲(chǔ)能電容C1～C8串聯(lián)同步放電。在放電過(guò)程中，通過(guò)單片機(jī)控制主開(kāi)關(guān)管Q8的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制輸出脈沖寬度。

圖3 改進(jìn)型Marx發(fā)生器基本工作原理Fig.3 Basic working principle of improved Marx generator

理想狀態(tài)下，負(fù)載電阻RL上的輸出脈沖電壓為

式中：n為該發(fā)生器的級(jí)數(shù)。

2.3.3 參數(shù)選擇

該電路輸出脈沖電壓是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求直接取決于儲(chǔ)能電容和開(kāi)關(guān)管。其儲(chǔ)能電容的容值大小會(huì)直接影響脈沖高壓源充電時(shí)間以及輸出脈沖幅值的穩(wěn)定度；而開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟、關(guān)斷時(shí)間將直接影響輸出脈沖波形的上升、下降時(shí)間。

該電路在充電完畢后，接收到單片機(jī)控制信號(hào)Q1～Q7導(dǎo)通時(shí)，電路中儲(chǔ)能電容的串聯(lián)電壓為

電路中儲(chǔ)能電容串聯(lián)后的等效電容C∈為

將式（4）、式（5）代入電容放電公式Ut=

令t為輸出脈沖寬度最大值tW=1000 μs，輸出脈沖穩(wěn)定度為5%，取負(fù)載電阻RL=1 kΩ，則

將式（4）代入式（7）中，整理得到儲(chǔ)能電容值應(yīng)滿(mǎn)足

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到儲(chǔ)能電容值C≥156μF。

從上下臂充電回路可看出，開(kāi)關(guān)管充電過(guò)程中兩端電壓始終為UDC，所以開(kāi)關(guān)管最大耐壓值應(yīng)大于等于UDC，上升時(shí)間小于等于40 ns；在放電過(guò)程中，二極管承受最大反向電壓為6UDC，因此二極管的最大反向電壓大于等于6UDC。

2.4 充放電采樣模塊

2.4.1 工作原理

充放電采樣模塊功能是采集儲(chǔ)能電容和負(fù)載電阻兩端電壓，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算，計(jì)算出實(shí)際電壓值［13］，其電路如圖4所示。因?yàn)锳1，A2為電壓跟隨器，所以Uo1=Vf+，Uo2=Vf-，因此減法器A3的反相輸入端為

圖4 充放電采樣電路Fig.4 Charge and discharge sampling circuit

同相輸入端為

根據(jù)減法器A3的減法原理并結(jié)合式（9）和式（10）得

令R39=R40，R41=R42，代入式（11）得

然后Uo3經(jīng)分壓電阻R43和R44，將采樣電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)內(nèi)部AD芯片的電壓輸入范圍。

在電壓采樣過(guò)程中，儲(chǔ)能電容和負(fù)載電阻兩端電壓遠(yuǎn)大于采樣模塊的電壓輸入范圍，因此需要對(duì)電壓進(jìn)行分壓處理［14］。該模塊通過(guò)分壓電阻RS1，RS2，將儲(chǔ)能電容或負(fù)載電阻兩端的電壓成比例的轉(zhuǎn)化為采樣模塊電壓輸入范圍。在采集儲(chǔ)能電容兩端電壓時(shí)，為了避免放電過(guò)程中，儲(chǔ)能電容通過(guò)采樣電阻放電，影響輸出脈沖電壓的精度，采樣電阻RS1，RS2取值要大一些。根據(jù)電容放電公式

在電容值C不變的情況下，采樣電阻阻值R越大，放電越緩慢。當(dāng)R取值合適時(shí)，其通過(guò)采樣電阻的放電量就十分小，對(duì)脈沖放電精度造成的影響可忽略不計(jì)。

2.4.2 元件選型

該模塊選用TI公司的OPA2277高精度運(yùn)算放大器。其輸入失調(diào)電壓最大為20μV，輸入偏置電流最大為1 nA，同時(shí)在增益為0 dB時(shí)，可以保證0 Hz～1 MHz內(nèi)信號(hào)不失真，充分保證電壓采樣的精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用STM32F103C8T6單片機(jī)內(nèi)部集成的12位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，其單次轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到1μs，完全可以滿(mǎn)足脈寬為200～1000μs之間電壓采集要求。

2.5 通訊模塊

該模塊通過(guò)單片機(jī)UART接口PA9，PA10與上位控制機(jī)通訊，采用串口芯片CH340將電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平。通訊格式設(shè)置為起始位和結(jié)束位各1位，數(shù)據(jù)位為8位，波特率為9600 b/s。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)發(fā)送前后分別加入起始符‘S’、結(jié)束符‘J’。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

脈沖高壓源的軟件設(shè)計(jì)包括脈沖電壓發(fā)生程序和控制界面應(yīng)用程序［15］兩部分。脈沖電壓發(fā)生程序由主程序和中斷子程序兩部分組成。開(kāi)機(jī)時(shí)，主程序?qū)ψ兞?、I/O端口以及UART等設(shè)置進(jìn)行初始化，進(jìn)入查詢(xún)標(biāo)志位程序，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。中斷子程序包括UART中斷。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)控制器UART中斷獲取脈沖電壓幅值、寬度數(shù)據(jù)，置位標(biāo)志位。主程序查詢(xún)到標(biāo)志位后，開(kāi)始處理接收的數(shù)據(jù)，脈沖高壓源進(jìn)入工作狀態(tài)。在脈沖放電完成后，上位機(jī)接收放電波形數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并清除標(biāo)志位。中斷子程序運(yùn)行框圖如圖5所示，主程序運(yùn)行框圖如圖6所示。

圖5 中斷子程序運(yùn)行框圖Fig.5 Interrupt subprogram block diagram

圖6 主程序運(yùn)行框圖Fig.6 Main program block diagram

上位機(jī)應(yīng)用程序是基于VB6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)［16］，程序應(yīng)用界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)應(yīng)用程序界面Fig.7 Upper computer application program interface

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 主要元件選擇

為驗(yàn)證該脈沖高壓源工作原理及器件選型的正確性，根據(jù)上述原理搭建脈沖高壓源實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試，其主要元件的規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。MOSFET型號(hào)選用美國(guó)安森美的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的NTH4L160N120SC1，其漏源擊穿電壓為1200 V，導(dǎo)通內(nèi)阻0.224 Ω，最大上升時(shí)間20 ns；快恢復(fù)二極管選擇2CL71A，其承受最大反向電壓8000 V；儲(chǔ)能電容選用160 μF，耐壓1200 V的無(wú)感薄膜電容。另外采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的DPO-5204示波器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

表1 主要元件參數(shù)Tab.1 Parameters of main components

4.2 測(cè)試驗(yàn)證

將脈沖高壓源設(shè)置在不同充電電壓幅值、不同脈沖寬度下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)示波器采集負(fù)載電阻脈沖電壓波形圖如圖8所示。

圖8 負(fù)載電阻脈沖電壓波形圖Fig.8 Pulse voltage waveform of load resistor

設(shè)置脈沖寬度為400 μs保持不變，在200～1000 V充電電壓下，該脈沖高壓源的輸出脈沖電壓波形如圖8（a）所示，可以看出輸出脈沖電壓幅值分別在1600，3200，4800，6400，8000 V左右，與式（3）中計(jì)算結(jié)果吻合，滿(mǎn)足UOUT=2nUDC，其輸出脈沖穩(wěn)定度也比較好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

設(shè)置輸出脈沖電壓幅值為5000 V保持不變，脈沖寬度分別設(shè)置為200，400，600，800，1000μs，該脈沖高壓源輸出脈沖波形如圖8（b）所示?？梢?jiàn)輸出脈沖波形一致性較好，在此范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的連續(xù)調(diào)節(jié)。

如圖8（c）所示，輸出脈沖電壓幅值在4688 V時(shí)，脈沖上升時(shí)間大約在35 ns左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

脈沖高壓源經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了雙源充電模式以及固態(tài)開(kāi)關(guān)同步放電電路的可行性，實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖幅值、寬度的連續(xù)可調(diào)。測(cè)試結(jié)果表明，脈沖輸出最大幅值可達(dá)8000 V，最大脈寬可達(dá)1000μs，上升時(shí)間35 ns，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大部分MOSFET，IGBT等功率半導(dǎo)體器件參數(shù)的快速測(cè)量。