三極管RBSOA測試儀的設計

本文基于三極管的反向偏壓安全工作區(qū)原理，設計研發(fā)了一款由電感誘導的三極管RBSOA測試儀。通過反向偏壓安全工作區(qū)判斷三極管的好壞，是一種全新的檢測方法。

l 三極管RBSOA測試技術(shù)概述
1．1 RBSOA
由于負載誘導，在關(guān)斷三極管的時候，負載端的高電壓與大電流將同時持續(xù)存在，持續(xù)時間主要取決于發(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。一般說來，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。

在實際應用中，功率晶體管及其他半導體器件在應用中常常會受到一種被稱為“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造成電路故障，而內(nèi)部電流集中將會引起局部發(fā)熱，因而導致器件退化甚至完全失效。當晶體管工作于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測試原理
三極管RBSOA測試的原理如圖2所示。

開關(guān)S先打到Ib1端，給測試管DUT提供正向基極Ib脈沖，使被測管導通。由于測試管工作于放大區(qū)，Ic=βIb，Ic上升，但由于線性電感Lc的作用，Ic隨時間線性上升，直到Ic達到預設定的值。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)生一個很高的感生電動勢，DUT的集電極上的電位也隨之升高。當Vce大于Vclamp時，Vce就會被箝位電路箝住，使Vce保持跟Vclamp相等。通過檢測Ic和Vclamp是否能達到預設的值(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)，就可以斷定被測管是否好管。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由以上測試原理可知，本系統(tǒng)的特點是要實現(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并判斷以及對各種判斷結(jié)果做出相應處理，因此必須要求系統(tǒng)具有非常良好的可控性、可靠性、穩(wěn)定性和實時性。為了實現(xiàn)上述功能和特點，本測試儀劃主要分成6個模塊；驅(qū)動電路模塊、箝位電路模塊、電流電壓檢測模塊、MCU模塊、計算機／PC模塊和大功率電源模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

為了實現(xiàn)Ic可控，并且能準確地達到預設值，這就要求Ib的啟動與關(guān)閉必須非常迅速。根據(jù)三極管的開關(guān)響應特性(見圖4)，為了使DUT快速導通，縮短開通時間ton，驅(qū)動電流必須具有一定幅值，前沿較陡的正向驅(qū)動電流，可加速DUT的導通；為加速DUT關(guān)斷，縮短關(guān)斷時間toff，驅(qū)動電流必須具有一定幅值的反向驅(qū)動電流。所以，根據(jù)RBSOA基本測試原理圖(圖2)，驅(qū)動電路模塊(Ib模塊)必須具備3個能力：一是必須具有0～3 A的正向驅(qū)動能力，即Ib1，對于大多數(shù)常用的三極管，0～3 A的驅(qū)動電流已能達到驅(qū)動的作用；二是具有一個有快速關(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)斷時間。理想的驅(qū)動電流如圖5所示。

實際的驅(qū)動電路輸出波形如圖6所示。由圖5與圖6可以看出，設計的驅(qū)動電路輸出的實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，因為關(guān)斷時間會減少，根據(jù)ε=LdI／dt，集電極會產(chǎn)生一個很大的感生電動勢，此時應避免基極-發(fā)射極結(jié)發(fā)生雪崩現(xiàn)象。當二次擊穿發(fā)生時，利用保護電路轉(zhuǎn)移DUT中的電流，以避免損壞被測器件，使系統(tǒng)能夠無損測試，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電流急劇下降的過程中，電感Lc的自感作用將使DUT集電極打上一個很高的電位。所以當Vce大于箝位電路的箝位電壓Vclamp時，箝位電路將通過電阻電容消耗掉超出Vclamp的部分，使Vce保持與Vclamp相等。圖7中間處的一個脈沖就是Vce的檢測波形(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，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DA用0～5 V的低壓來實現(xiàn)對0～800 V大范圍電壓的線性調(diào)節(jié)，以適應多種三極管反向偏壓的測量。
2．3 電流電壓檢測模塊
電壓電流檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，它包含了電壓檢測模塊與電流檢測模塊。電壓檢測模塊負責檢測Vce，電流檢測模塊負責檢測Ic，然后把檢測到的信號送到比較器做比較，得到的比較信號再送MCU處理，處理結(jié)果分別送往LCD和PC機的LabVIEW界面。

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