二極管反向恢復時間多檔測試技術

吳曉華， 韋文生， 曲金星， 莫越達， 羅 飛

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

0 引 言

電氣設備中的二極管在關斷瞬間經歷反向恢復過程，產生浪涌電流，引起電磁干擾，增加能耗［1-3］。反向恢復時間Trr是反向恢復性能的主要參數，取決于器件的內部結構，也受外部工作電路、環境溫度的影響［4］。技術上，測量Trr的技術方案有箝位電感負載（CIL）法和傳輸線脈沖（TLP）法［5-7］。使用CIL法進行測量時，可以分別調整測量條件，如正向電流IF脈沖、反向阻斷電壓UR脈沖和電流轉換率（di/dt）的大小［8］，Trr的最低量程（LMR）接近20 ns。本課題組采用改進的CIL方法設計了Trr測試儀［9］，通過使用不同的分流電路、分壓器和電感器，分別調節IF、UR和di/dt，Trr的LMR 接近15 ns。CIL 方法的主要優點是技術較簡單，但在包含被測二極管（Diode Under Test，DUT）的電路中，彌散電感會因為電磁感應而改變di/dt，從而改變反向恢復電流（Irr）波形［10］，進而引起Trr的測量誤差。使用TLP 系統檢測Trr時［11］，長傳輸線經過高壓電源充電后再放電，產生邊沿上升、下降時間約0.1 ns的陡脈沖并加載到DUT 上。TLP 系統中可以分別調整IF、UR和di/dt，利用此法測得GaN超快恢復二極管的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數器E312B組成自動測量系統，以89C2052 型單片機為核心進行功能轉換、測量控制、數據處理及顯示。無論哪種方案，現在市場上的Trr測試儀只按一種標準設計，若要按照不同要求測試，需要購置多臺儀器，導致成本增加；更換設備進行測試，工作效率下降。因此，迫切需要一臺滿足不同要求的Trr測試裝置，克服現有儀器的缺點。反向恢復特性的內容在課程中闡述不多，但在開關器件、電路應用中經常涉及，這就啟發我們開展校企合作，研發新的Trr測試裝置，按照不同要求組合IF、UR脈沖加載于DUT，通過發射極耦合邏輯（ECL）電路構成的電壓比較器對產生的反向恢復信號采樣［13-14］，通過模/數轉換，驅動顯示器呈現Trr值，用于測量碰撞雪崩渡越時間二極管、續流二極管等器件的Trr值。

1 反向恢復時間及其測試方案

1.1 反向恢復時間的測試標準

給DUT 加載IF脈沖，DUT 正向導通穩定后內部貯存了少子；再給DUT 及時加載UR脈沖，DUT 不能立即截止，而是經歷反向恢復過程［8］，Irr波形如圖1 上部所示。按照電子工業協會（EIA）標準［15］，反向恢復過程持續的時間Trr有兩種定義：一是當Irr波形的下降沿、上升沿分別經過反向恢復電流峰值Irrm/4 的兩點之間的時間差就是Trr，如圖1（a）所示；二是當Irr波形的下降沿、上升沿分別經過0.10Irrm的兩點之間的時間差就是Trr，如圖1（b）所示。

圖1 Trr的取值范圍及對應的Trr脈沖

實驗上，可讓Irr經過線性采樣電阻RL并在其上形成電壓信號Utrr＝IrrRL，利用示波器監測Utrr波形就能真實地反映Irr波形。按照上述定義，移動示波器屏幕的兩條豎直標尺線即可截取Trr值。另外，如果把Trr對應的Utrr波形轉換為寬度等于Trr的矩形脈沖（簡稱Trr脈沖），如圖1 下部所示，就能利用模/數轉換器把此脈沖轉換成Trr值，并驅動發光二極管（LED）顯示出來。

1.2 反向恢復時間測試方案

根據Trr的定義以及一臺儀器可按不同條件要求進行測試的設想，在對比文獻［2，9，11］技術方案的基礎上，提出了單臺裝置可按不同條件（多檔）測試Trr的方案，電路系統如圖2 所示。其中包括直流穩壓電源、測試條件形成和信號采集電路、Trr信號處理電路、模/數轉換和顯示電路4部分。直流穩壓電源由降壓、整流、濾波、穩壓4 個環節組成，可為其他電路提供穩定的直流電壓，此為常規電路，以下不再贅述。測試條件形成和信號采集電路由IF脈沖源、UR脈沖源、多檔（測試條件選擇）電路、DUT、采樣電阻RL組成。其中IF脈沖使DUT正向充分導通；UR脈沖使DUT經歷反向恢復過程，產生Irr通過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來組成滿足不同測試要求的條件。Trr信號處理電路由峰值檢波電路、分壓電路、發射極耦合邏輯（ECL）電路構成的電壓比較器等組成。模/數轉換和顯示電路由A/D 轉換器、LED顯示器組成。ECL 電路中的兩個晶體管沒有電荷存儲效應［13］，高、低電平轉換速度極快，可以處理高頻高速信號，在此當作電壓比較器。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），經過分壓電路，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/數轉換和顯示電路由模/數（A/D）芯片、LED顯示器組成，前者把Trr脈沖轉換成數字信號并驅動LED顯示器顯示Trr值，此為常用電路，此后不再詳述。

圖2 Trr多檔測試裝置的電路系統框圖

1.3 主要電路設計

1.3.1 測試條件形成和信號采集電路

此電路主要包括IF脈沖源、UR脈沖源、多檔（測試條件選擇）及信號采集電路。其中，IF脈沖源電路、UR脈沖源電路均為常規電路。多檔（不同測試條件選擇）及信號采集電路主要由選擇開關、被測二極管、采樣電阻等構成，如圖3 所示。

圖3 多檔及信號采集電路

正向IF脈沖應先于UR脈沖到達DUT，使其正向充分導通，內部儲存少子。隨后反向UR脈沖到達DUT時的下降沿與IF脈沖的下降沿對齊，避免DUT內部少子自行耗散，這些少子全部被UR脈沖形成的電場掃除，如此形成的Irr波形或者在RL上形成的Utrr（＝IrrRL）波形才能真實地反映DUT的反向恢復特征。利用示波器監測到Utrr波形后，可以按照Trr測試標準的要求，移動示波器屏幕的兩條豎直標尺線分別到達下降沿、上升沿中的0.25Utrrm或0.10Utrrm位置，兩點之間的時間差就是Trr。為此，從同一個CPU 芯片產生IF、UR原始脈沖，經過嚴格篩選器件、精心設計印刷電路板上的傳輸電路，嚴格控制時延，IF、UR脈沖到達DUT時的下降沿對齊。

在圖3 中，多檔電路的選擇開關K2 中K21、K22、K23、K24 之一閉合，實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），組合所需要的測試條件參數，實現不同的測試要求。例如，當選擇開關K2 閉合K21 時，此時的IF脈沖幅值為0.05 A，使DUT正向導通，反向阻斷脈沖UR的幅度為－ 10 V，經K21 送到DUT 的陽極，在采樣電阻R2上形成Utrr波形。再如，當選擇開關K2 閉合K24時，此時的IF脈沖幅值為0.50 A，使DUT 正向導通，反向阻斷脈沖UR的幅度為－ 10 V，經電阻R8、開關K24送到DUT的陽極，在采樣電阻R9上形成Utrr波形。

1.3.2 反向恢復信號處理電路

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

圖4 Trr脈沖轉換電路

Irr從DUT 負極流出通過RL形成電壓信號Utrr。一方面，Utrr經過峰值檢波電路得到Utrr的峰值Utrrm。Utrrm經過運算放大器及電阻構成的反相電路，負極性轉換為正極性。然后，經過模擬電子開關及電阻構成的分壓電路，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經過電阻R48、R49送到三極管TR7 的基極，作為電壓比較器的輸入電壓。ECL電路擔當電壓比較器的功能，其中的兩個晶體管邏輯功能簡單，兩者推挽工作，分別在截止、線性放大狀態之間轉換，沒有飽和狀態的電荷儲存效應，抑制共模干擾，把Utrr波形轉換成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 構成的射極跟隨器的基極，從發射極輸出，電流放大。Trr脈沖送入A/D 芯片轉換成Trr數值，并驅動LED顯示出來。制造電路時盡量選擇參數對稱的三極管TR7、TR8 和TR9、TR10，保證Trr脈沖的對稱性和Trr值的準確性。

ECL電路的開關速度雖然極快但也有限［16］，導致Utrr波形轉換成Trr脈沖時上升沿、下降沿都有一定的坡度。當Trr縮短到一定程度，經過ECL電路構成的電壓比較器轉換得到Trr脈沖的上升沿、下降沿靠攏夾成一個角，角度大小由ECL 電路的開關速度決定，此時的Trr值稱為測量裝置的下限。設計時盡可能選擇開關速度快、參數一致的兩個高頻微波三極管來組成ECL電路，能夠降低Trr測試儀的LMR，擴大測量范圍。

2 測試結果與誤差分析

利用研制的裝置，在100 Ω 檔下測量1N4148 型二極管時，使用YOKOGAWA-DLM2024 型示波器觀測的IF、UR、Utrr波形及Trr脈沖分別如圖5 的①、②、③、④波形所示?？梢姡琁F脈沖（波形①）先于UR脈沖（波形②）到達DUT，兩個脈沖的下降沿對齊，達到了設計要求。UR脈沖到達DUT 后使其經歷反向恢復過程，在采樣電阻R4上形成Utrr信號（波形③），Utrr波形被ECL電路構成的電壓比較器轉換成Trr脈沖（波形④）。從圖5 可見，使用示波器屏幕的豎直標尺線對準Utrr波形中分別為0.10Utrrm的兩點，時間差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的測量結果（灰色方塊里的數值是LED顯示的Trr值，μs）

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

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

對比同一個二極管在4 個不同檔位下測得的Utrr波形和Trr值可見，使用RL＝1 Ω檔測得的Trr值最小，因為此時定義的Trr值是Urr波形上升沿、下降沿分別經過0.25Urrm時兩點之間的時間差；而RL＝10 Ω、75 Ω、100 Ω 檔定義的Trr值是上升沿、下降沿分別經過0.10Urrm時兩點之間的時間差。后者的時間間隔更長，即Trr值更大。

從表1 可見，示波器測得的Trr值與LED 顯示的Trr值之間相對誤差的最大值小于5.0%，相對誤差很小，證明本裝置的可靠性，達到設計要求。誤差歸因于電路存在時延、元器件參數誤差、示波器屏幕中標尺線的讀數誤差等。

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

從表2 可見，不同檔位的IF脈沖幅值分別為0.5、0.1、0.05、0.01 A，但是各個脈沖的寬度都設計為相同的2 μs。因此，各個DUT內部儲存的少子——反向恢復電荷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，使用某一個標準測量一種二極管時，在一定范圍內，IF值越大，Qrr值越大，即IrrmTrr的值越大。由此推斷，表2 列出的測量數據符合半導體器件物理的規律。

表2 3 種二極管在4 種檔位下的Trr值與Irrm值的比較

3 結 語

按照測試標準要求，制訂了二極管反向恢復時間Trr分為4 檔測試的電路系統方案，設計并成功研制了測試裝置。采用不同標準（檔位）分別測試了3 種二極管的Trr值，并用示波器觀測了反向恢復信號的波形和Trr值。裝置LED 顯示的Trr值與示波器測得的Trr值基本吻合，所得數據符合半導體器件物理的規律，驗證了設計的可行性。

本文的方法和裝置克服了現有儀器只按一種標準工作而無法滿足不同要求的缺陷，能在LED上顯示測試結果，操作簡便，成本下降，可從市場選購元器件進行工業化生產，符合相關企業需求，市場前景誘人。同時，可以作為模擬電子技術、數字電子技術、單片機原理與應用、傳感器與檢測技術等課程的綜合創新型課程設計和畢業設計等案例，不斷更新功能、指標要求，逐步完善，學以致用。