三極管RBSOA測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：主要介紹了三極管反向偏壓安全工作區(qū)(RBSOA)測試儀的硬件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的軟件實現(xiàn)。該測試儀主要基于三極管的RBSOA及三極管的開關(guān)原理，并結(jié)合實際測試生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)計了大功率電源供電電路、電流驅(qū)動電路、電壓箝位電路、電流電壓檢測電路、單片機(jī)控制電路以及PC機(jī)的用戶界面這6大模塊。該測試系統(tǒng)采用了電感誘導(dǎo)控制電流和箝位電路限壓，成功實現(xiàn)了對三級管集電極電流Ic和集電極-發(fā)射極電壓Vcc的控制；使用多點采樣法，實現(xiàn)了可靠的電流電壓檢測。經(jīng)過長期對不同型號和同一型號不同狀況的三極管測試，成功驗證了測試儀的性能和可靠性。
關(guān)鍵詞：三極管；反向偏壓安全工作區(qū)；電感誘導(dǎo)；鉗位電路

0 引言
    箝位本文介紹的三極管反向偏壓安全工作區(qū)(Reverse-Bias Safe Operating Area，RBSOA)檢測技術(shù)是一種新型的、具有專門性、高可靠性的檢測手段，廣泛應(yīng)用于三極管性能的檢測，并得到業(yè)界的認(rèn)可。目前專門用于檢測三極管在反向偏壓安全工作區(qū)性能狀況的儀器相對較少，而在國內(nèi)還沒有這樣專門的儀器。相關(guān)的檢測儀器，如國內(nèi)的一款BJ2923晶體管測試儀，只能檢測三極管的參數(shù)，如反向電壓Vceo，Vc bo等，卻無法檢測該三極管在極限參數(shù)工作下，性能是否有下降或損壞。雖然國外也出現(xiàn)過相關(guān)的檢測儀器，如韓國的EAS2100檢測儀，專門用來檢測場效應(yīng)管(MOSFET)在雪崩能量下的性能狀況，操作簡單，性能可靠，但是只是僅限于MOSFET檢測檢測領(lǐng)域，沒有對三極管的檢測功能?？v觀現(xiàn)有的相關(guān)檢測儀器，不是技術(shù)檢測不成熟，就是針對性不強(qiáng)，發(fā)展專門針對三極管的反向偏壓安全工作區(qū)檢測技術(shù)，勢在必行。
    本文基于三極管的反向偏壓安全工作區(qū)原理，設(shè)計研發(fā)了一款由電感誘導(dǎo)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(fù)載誘導(dǎo)，在關(guān)斷三極管的時候，負(fù)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(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(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(dǎo)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(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)生一個很高的感生電動勢，DUT的集電極上的電位也隨之升高。當(dāng)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(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(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(jī)／PC模塊和大功率電源模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2．1 驅(qū)動電路模塊(Ib模塊)
    驅(qū)動電路模塊是整個測試過程的啟動因素，負(fù)責(zé)給被測三極管提供基極電流Ib，使被測三極管導(dǎo)通。在誘導(dǎo)電感Lc的作用下，通過控制Ib的持續(xù)時間可以實現(xiàn)對Ic大小的控制，使Ic達(dá)到預(yù)設(shè)的值。

    為了實現(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(dǎo)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(dá)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(shè)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(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，利用保護(hù)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(dāng)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(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(yīng)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(fù)責(zé)檢測Vce，電流檢測模塊負(fù)責(zé)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(jī)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(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?？斓谋容^器，從輸入到輸出，典型的響應(yīng)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(dǎo)作用，控制著整個系統(tǒng)的運(yùn)行。同時還起到仲裁作用，根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行情況和不同的檢測結(jié)果，決定系統(tǒng)以后不同的運(yùn)行步驟。另外，MCU模塊還起到了橋梁的作用，聯(lián)系和協(xié)調(diào)了系統(tǒng)各個模塊之間的運(yùn)作。
2．5 計算機(jī)／PC模塊
    PC模塊負(fù)責(zé)與電壓電流檢測模塊通訊，并提供人性化的操作界面(LabVIEW)。圖9為系統(tǒng)的LabVIEW面板。在這個面板上，可以設(shè)置基極驅(qū)動電流、箝位電壓等的初始值。而且，可以從面板上控制測試的開始，并顯示測試的結(jié)果。

2．6 大功率電源模塊
    電源模塊為整個系統(tǒng)提供可靠電源，電路設(shè)計主要采用三端集成穩(wěn)壓器為控制電路供電，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路為負(fù)載電感等大功率電路供電，保證了電路大功率供電和各個模塊和芯片電源電壓穩(wěn)定供電的要求。

3 系統(tǒng)軟件算法的實現(xiàn)
3．1 控制軟件流程
    控制軟件的流程主要是指MCU處理事件先后順序的流程?？刂栖浖牧鞒淌前凑找话愕臏y試流程進(jìn)行的，具體的流程圖如圖10所示。

3．2 多點采樣法判斷檢測結(jié)果
    在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，測試儀所處環(huán)境存在很大電磁干擾。在判斷Ic和Vce是否達(dá)到預(yù)設(shè)值時，如果采用單點檢測法來進(jìn)行判斷，則往往難以區(qū)分負(fù)載產(chǎn)生的高壓與干擾產(chǎn)生的脈沖電壓，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果不可靠。為了有效地避免這個問題，本系統(tǒng)采用多點采樣法來進(jìn)行判斷，大大提高了檢測結(jié)果的可靠性。
    多點采樣法即是對比較器的輸出端進(jìn)行連續(xù)多次的采樣，并對采樣結(jié)果進(jìn)行處理分析，在檢測到Ic值達(dá)到設(shè)定值的90％后開始連續(xù)采樣，以確定是否由于干擾而產(chǎn)生的單個脈沖電壓，在Ic開始下降后開始對Vce連續(xù)采樣，同樣排除了干擾脈沖的可能，這樣一來就實現(xiàn)了對Ic和Vce的可靠檢測，使得檢測結(jié)果的可靠性得以大大提高。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)完成了整個三極管RBSOA測試儀的硬件和軟件的設(shè)計和實現(xiàn)。通過控制驅(qū)動電路的開啟時間來控制測試大電流和用D／A控制箝位電壓范圍，實現(xiàn)了對三極管的測試電流和電壓可控操作，真正做到了無損測試。本系統(tǒng)設(shè)計了大范圍的測試電流、測試電壓可調(diào)電路，以滿足多種不同型號的三極管測試要求；設(shè)計了多點采樣檢測法，避免了由于實際生產(chǎn)的惡劣環(huán)境導(dǎo)致對檢測結(jié)果產(chǎn)生誤判的現(xiàn)象發(fā)生，大大提高了測試的可靠性；設(shè)計了人性化的軟件界面，做到了使用方便，操作簡單，容易掌握。經(jīng)過長期、大量的測試，本儀器已經(jīng)真正實現(xiàn)了適應(yīng)生產(chǎn)應(yīng)用的測試環(huán)境和測試要求。