三極管RBSOA測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

本文基于三極管的反向偏壓安全工作區(qū)原理，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款由電感誘導(dǎo)的三極管RBSOA測(cè)試儀。通過(guò)反向偏壓安全工作區(qū)判斷三極管的好壞，是一種全新的檢測(cè)方法。

l 三極管RBSOA測(cè)試技術(shù)概述
1．1 RBSOA
由于負(fù)載誘導(dǎo)，在關(guān)斷三極管的時(shí)候，負(fù)載端的高電壓與大電流將同時(shí)持續(xù)存在，持續(xù)時(shí)間主要取決于發(fā)射結(jié)的反向偏壓的大小。所以在關(guān)斷時(shí)集電極的電流電壓必須控制在三極管的可承受范圍以內(nèi)，這即是晶體管的反向偏壓安全工作區(qū)，它表現(xiàn)為反偏關(guān)斷晶體管時(shí)的電流電壓值，如圖1所示。所以，RBSOA即晶體管在反向偏壓下能夠安全工作的區(qū)域。一般說(shuō)來(lái)，晶體管的反向偏壓工作范圍是由其最大額定值(電壓、電流、溫度功率最大值)決定的。

在實(shí)際應(yīng)用中，功率晶體管及其他半導(dǎo)體器件在應(yīng)用中常常會(huì)受到一種被稱為“二次擊穿”現(xiàn)象的損壞，它表現(xiàn)為器件電壓自發(fā)地而且往往是突然的下降，以及突然發(fā)生內(nèi)部電流集中。電壓降低和伴隨的電流增大會(huì)造成電路故障，而內(nèi)部電流集中將會(huì)引起局部發(fā)熱，因而導(dǎo)致器件退化甚至完全失效。當(dāng)晶體管工作于RBSOA內(nèi)，則可以很好地避免“二次擊穿”的發(fā)生。
1．2 三極管RBSOA測(cè)試原理
三極管RBSOA測(cè)試的原理如圖2所示。

開關(guān)S先打到Ib1端，給測(cè)試管DUT提供正向基極Ib脈沖，使被測(cè)管導(dǎo)通。由于測(cè)試管工作于放大區(qū)，Ic=βIb，Ic上升，但由于線性電感Lc的作用，Ic隨時(shí)間線性上升，直到Ic達(dá)到預(yù)設(shè)定的值。然后將S打到Ib2端，反向抽取DUT基區(qū)的超量電荷，迫使DUT馬上關(guān)斷，加速Ic的下降。根據(jù)ε=L×dI／dt，Ic的快速下降將使電感兩端產(chǎn)生一個(gè)很高的感生電動(dòng)勢(shì)，DUT的集電極上的電位也隨之升高。當(dāng)Vce大于Vclamp時(shí)，Vce就會(huì)被箝位電路箝住，使Vce保持跟Vclamp相等。通過(guò)檢測(cè)Ic和Vclamp是否能達(dá)到預(yù)設(shè)的值(即三極管是否能在反向偏壓安全工作區(qū)內(nèi)正常工作而不被擊穿)，就可以斷定被測(cè)管是否好管。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由以上測(cè)試原理可知，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)三極管集電極電流和集電極-發(fā)射極反向偏壓可控、電流和電壓的迅速檢測(cè)并判斷以及對(duì)各種判斷結(jié)果做出相應(yīng)處理，因此必須要求系統(tǒng)具有非常良好的可控性、可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。為了實(shí)現(xiàn)上述功能和特點(diǎn)，本測(cè)試儀劃主要分成6個(gè)模塊；驅(qū)動(dòng)電路模塊、箝位電路模塊、電流電壓檢測(cè)模塊、MCU模塊、計(jì)算機(jī)／PC模塊和大功率電源模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)Ic可控，并且能準(zhǔn)確地達(dá)到預(yù)設(shè)值，這就要求Ib的啟動(dòng)與關(guān)閉必須非常迅速。根據(jù)三極管的開關(guān)響應(yīng)特性(見圖4)，為了使DUT快速導(dǎo)通，縮短開通時(shí)間ton，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值，前沿較陡的正向驅(qū)動(dòng)電流，可加速DUT的導(dǎo)通；為加速DUT關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間toff，驅(qū)動(dòng)電流必須具有一定幅值的反向驅(qū)動(dòng)電流。所以，根據(jù)RBSOA基本測(cè)試原理圖(圖2)，驅(qū)動(dòng)電路模塊(Ib模塊)必須具備3個(gè)能力：一是必須具有0～3 A的正向驅(qū)動(dòng)能力，即Ib1，對(duì)于大多數(shù)常用的三極管，0～3 A的驅(qū)動(dòng)電流已能達(dá)到驅(qū)動(dòng)的作用；二是具有一個(gè)有快速關(guān)斷能力的開關(guān)S，以保證DUT快速關(guān)斷；三是具有吸收反向電流Ib2的能力，這樣才能更好地減少DUT的關(guān)斷時(shí)間。理想的驅(qū)動(dòng)電流如圖5所示。

實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路輸出波形如圖6所示。由圖5與圖6可以看出，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸出的實(shí)際波形非常符合理論波形。
2．2 箝位電路模塊
在開關(guān)晶體管加反向偏壓時(shí)，因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)間會(huì)減少，根據(jù)ε=LdI／dt，集電極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)應(yīng)避免基極-發(fā)射極結(jié)發(fā)生雪崩現(xiàn)象。當(dāng)二次擊穿發(fā)生時(shí)，利用保護(hù)電路轉(zhuǎn)移DUT中的電流，以避免損壞被測(cè)器件，使系統(tǒng)能夠無(wú)損測(cè)試，這就是箝位電路的主要作用之一。
箝位電路的作用之二是實(shí)現(xiàn)DUT集電極一發(fā)射極電壓Vce可控。在Ic電流急劇下降的過(guò)程中，電感Lc的自感作用將使DUT集電極打上一個(gè)很高的電位。所以當(dāng)Vce大于箝位電路的箝位電壓Vclamp時(shí)，箝位電路將通過(guò)電阻電容消耗掉超出Vclamp的部分，使Vce保持與Vclamp相等。圖7中間處的一個(gè)脈沖就是Vce的檢測(cè)波形(線性上升部分的波形是Ic的波形)。由圖7可知，箝位電路的箝位作用很強(qiáng)，波形的頂端非常平坦，Vce可以很穩(wěn)定地被鉗在一定幅值上。

箝位電路的箝位電壓可以通過(guò)DA用0～5 V的低壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)0～800 V大范圍電壓的線性調(diào)節(jié)，以適應(yīng)多種三極管反向偏壓的測(cè)量。
2．3 電流電壓檢測(cè)模塊
電壓電流檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，它包含了電壓檢測(cè)模塊與電流檢測(cè)模塊。電壓檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)Vce，電流檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)Ic，然后把檢測(cè)到的信號(hào)送到比較器做比較，得到的比較信號(hào)再送MCU處理，處理結(jié)果分別送往LCD和PC機(jī)的LabVIEW界面。

由于要檢測(cè)的Ic和Vce信號(hào)持續(xù)時(shí)間非常短，最小持續(xù)時(shí)間僅有5μs，因此對(duì)比較器的響應(yīng)速度提出了很高要求。由文獻(xiàn)可以看出MAX901是一款響應(yīng)速度非常快的比較器，從輸入到輸出，典型的響應(yīng)時(shí)間是10 ns，足以滿足測(cè)量需求。
2．4 MCU模塊
MCU模塊是測(cè)試儀的核心模塊，在測(cè)試儀中起到主導(dǎo)作用，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)還起到仲裁作用，根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行情況和不同的檢測(cè)結(jié)果，決定系統(tǒng)以后不