一种RBDT动态特性测试装置及测试方法与流程

本发明属于功率半导体器件特性测试领域，更具体地，涉及一种rbdt动态特性测试装置及测试方法。

背景技术：

脉冲功率技术是指在较长的时间内存储起来，然后通过开通器件将储存起来的能量在很短的时间内释放到负载上，产生高功率电脉冲的电物理技术，在高功率微波、核物理技术、污水净化等领域有广泛应用；现有技术中的脉冲功率发生电路的储能方式多以电容储能和电感储能为主。

在脉冲功率系统中，常用的一般为气体开关和液体开关，例如火花间隙、闸流管和油浸式开关，这些开关耐压高、通流大，但是工作不稳定，寿命低和工作频率低。随着近年来半导体开关的发展迅速，越来越多的半导体开关被应用到脉冲功率应用上，如电力电子中的晶闸管、绝缘栅双极性晶体管。这些开关工作频率高，工作稳定和寿命长，但是耐压低通流能力较弱。

为了适应脉冲功率技术的发展，专门应用于脉冲功率技术的脉冲功率半导体器件也得到进一步的研究，例如rbdt(reverseblockingdiodethyristor，反向阻断晶体管晶闸管)。rbdt是一种电压触发型半导体器件，其为两端器件，具有阳极和阴极，没有专门用于触发开通或关断的端口。rbdt的触发过程是给rbdt正向施加一个上升速率较大的电压脉冲，在施加触发电压之后，rbdt可以在极短的时间内导通。rbdt为一种半导体器件，具有通流能力强、可靠性高和体积小等优点。

目前已有的rbdt测试电路都是利用开关闭合导通后，电容上的电压瞬间施加到rbdt上，以此来触发开通rbdt，为了输出峰值较大的电压脉冲，一般还会使用变压器。这种测试电路一般无法改变部分输出电压参数，例如改变输出电压上升速率时，无法保证输出电压峰值保持不变。这种测试电路无法全面准确地测得反映rbdt动态特性的波形及其参数。

技术实现要素：

本发明提供一种rbdt动态特性测试装置及测试方法，用以解决现有的rbdt测试电路无法输出所需的各种参数要求的rbdt触发信号进而导致不能全面且准确的反映rbdt动态特性的波形及其参数的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种rbdt动态特性测试装置，包括：marx发生器，包括待测rbdt的脉冲放电电路，充电器，第一限流电阻，第一二极管；

其中，所述充电器用于控制对所述marx发生器和所述脉冲放电电路的充电过程并进行充电；所述marx发生器串联所述待测rbdt构成环路，用于在所述充电之后向所述待测rbdt输出不同动态特性的触发电压脉冲；所述脉冲放电电路用于当所述待测rbdt在所述触发电压脉冲的触发下开通后进行放电，放电电流流经所述待测rbdt，以进行待测rbdt动态特性分析，所述第一限流电阻和所述第一二极管均设置于所述marx发生器和所述待测rbdt构成的环路上，所述第一二极管用于防止所述待测rbdt开通前所述脉冲放电电路向所述marx发生器放电，所述第一限流电阻用于在rbdt开通时避免marx发生器内部的开关器件流过过大的电流而损坏；

所述动态特性包括所述触发电压脉冲的上升速率、幅值和脉宽。

本发明的有益效果是：本发明提出的测试装置，利用的marx发生器的原理，通过改变对其的控制方式，可以输出一定峰值电压下不同电压上升速率的输出波形，或者相同电压上升速率下不同峰值电压的输出波形，同时测试装置不会对被测波形产生干扰，可以准确地得到的rbdt反应动态特性的波形参数。而现有测试方法输出的触发电压波形部分参数无法满足要求的情况，例如改变输出的电压上升速率时，其输出电压也会跟随变化，这不利于对rbdt动态特性做一个精确地测试。因此，本发明引入marx发生器，解决了现有的rbdt测试电路无法输出所需的各种参数要求的rbdt触发信号进而导致不能全面且准确的反映rbdt动态特性的波形及其参数的技术问题。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述marx发生器包括：第一控制模块，一一对应的n个第一驱动模块、n个第一开关器件和n个第一储能电容，多个第二限流电阻，以及多个第二二极管；

其中，所述第一控制模块用于分别独立地向n个第一驱动模块发送控制信号以驱动n个第一开关器件在对应开通时刻开通；；各时刻下，各开通的第一开关器件所对应的第一储能电容之间串联并向所述待测rbdt输出触发电压；

所述多个第二限流电阻用于在所述n个第一开关器件均断开且所述充电器同时向所述n个第一储能电容充电时，限制每个第一储能电容的充电电流；另外在所述充电之后且存在第一开关器件开通时，限制各所述第一储能电容放电，防止开通的第一开关器件因第一储能电容放电电流过大而损坏；所述多个第二二极管用于防止在存在多个第一开关器件开通时该多个第一开关器件所对应的多个第一储能电容之间构成放电环路而影响所述第一控制模块的控制精度。

本发明的进一步有益效果是：根据实际需要，通过改变各储能电容的充电电压大小和/或各时刻的开关开通个数来输出所需的触发电压幅值，通过选用不同触发开通时刻的及时开通开关或者控制各及其开通开关的开通时间来实现所需上升速率的电压脉冲。

进一步，所述marx发生器输出的所述触发电压脉冲的脉宽大于所述脉冲放电电路输出的电流脉冲的脉宽。

本发明的进一步有益效果是：为了减弱marx发生器对rbdt测试结果的影响，marx发生器输出的电压脉冲的脉宽需要大于装置中脉冲放电电路输出的电流脉冲的脉宽，这可以避免marx发生器中所有开关器件关断时，电路突然的改变给rbdt特性测试带来电磁干扰。

进一步，所述第一限流电阻的阻值基于所述marx发生器输出的所述触发电压脉冲的峰值电压和脉宽确定。

本发明的进一步有益效果是：当marx发生器输出的触发电压脉冲脉宽较大时，marx发生器的输出端需串联一个电阻rlimit，防止rbdt触发开通之后marx发生器中开通的开关器件因为流过的电流过大而损坏。

进一步，所述脉冲放电电路包括：串联并构成环路的第二储能电容、负载电阻、第三二极管和所述待测rbdt；且当所述第二储能电容放电时，所述脉冲放电电路在负载电阻上形成电流脉冲。

进一步，所述充电器包括：第二控制模块，第二驱动模块，与每个所述第一储能电容均串联的第一充电电路，第三驱动模块，以及与所述第二储能电容串联的第二充电电路；

所述第二控制模块用于在动态测试之前，向第二驱动模块发送驱动信号，以导通所述第一充电电路而使其向各所述第一储能电容充电，以及向第三驱动模块发送驱动信号，以导通所述第二充电电路而使其向所述第二储能电容充电。

进一步，所述第一充电电路包括：串联且与每个所述第一储能电容均构成环路的第二开关器件、第一电源和第三限流电阻，其中，所述第二开关器件由所述第二驱动模块驱动开通；

所述第二充电电路包括：串联且与所述第二储能电容构成环路的第三开关器件、第二电源和第四限流电阻，其中，所述第三开关器件由所述第三驱动模块驱动开通。

进一步，所述充电电压根据实际所需的触发电压幅值确定。

进一步，所述第一控制模块与每个所述第一驱动模块之间设有干扰隔离元件，和/或，所述第二控制模块分别与所述第二驱动模块和所述第三驱动模块之间设有干扰隔离元件。

本发明还提供一种rbdt动态特性测试方法，包括：

将待测rbdt设置于如上所述的任一种rbdt动态特性测试装置中；

控制所述rbdt动态特性测试装置中的marx发生器产生不同动态特性的触发脉冲电压以施加至所述待测rbdt；

检测每个所述动态特性下所述rbdt动态特性测试装置中的所述脉冲放电电路是否导通，并基于每次导通下对应的rbdt两端的电压以及所述脉冲放电电路放电所输出的电流脉冲，得到所述待测rbdt的动态特性。

附图说明

图1为本发明提供的一种rbdt动态特性测试装置的示意性框图；

图2为本发明提供的一种rbdt动态特性测试装置电路图；

图3为本发明提供的一种rbdt动态特性测试装置中5级marx发生器的各级第一开关器件触发信号图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种rbdt动态特性测试装置，如图1所示，包括：marx发生器，包括待测rbdt的脉冲放电电路，充电器，第一限流电阻，以及第一二极管；

其中，充电器用于控制对marx发生器和脉冲放电电路的充电过程并进行充电；marx发生器串联待测rbdt构成环路，用于在充电之后向待测rbdt输出不同动态特性的触发电压脉冲；脉冲放电电路用于当待测rbdt在触发电压脉冲的触发下开通后进行放电，放电电流流经待测rbdt，以进行待测rbdt动态特性分析，第一限流电阻和第一二极管均设置于marx发生器和待测rbdt构成的环路上，第一二极管用于防止待测rbdt开通前脉冲放电电路向marx发生器放电，第一限流电阻用于在rbdt开通时避免marx发生器内部的开关器件流过过大的电流而损坏；

所述动态特性包括所述触发电压脉冲的上升速率、幅值和脉宽。

利用的marx发生器的原理，通过改变对其的控制方式，可以输出一定峰值电压下不同电压上升速率的输出波形，或者相同电压上升速率下不同峰值电压的输出波形，同时测试装置不会对被测波形产生干扰，可以准确地得到的rbdt反应动态特性的波形参数。而现有测试方法输出的触发电压波形部分参数无法满足要求的情况，例如改变输出的电压上升速率时，其输出电压也会跟随变化，这不利于对rbdt动态特性做一个精确地测试。因此，本发明引入marx发生器，解决了现有的rbdt测试电路无法输出所需的各种参数要求的rbdt触发信号进而导致不能全面且准确的反映rbdt动态特性的波形及其参数的技术问题。

优选的，如图2所示，一种rbdt动态特性测试装置，包括：marx发生器，待测rbdt的脉冲放电电路，充电器，以及外围电路。

充电器部分包括：用于给marx发生器中并联的储能电容c1-cn充电的直流电压源dc1、电阻r0、开关器件t1和t1驱动模块，控制模块2，以及用于给脉冲放电电路中储能电容c0充电的直流电压源dc2、电阻r21、开关器件t2和t2驱动模块。

其中，储能电容c1-cn即为前述n个第一储能电容，直流电压源dc1即为前述第一电源，电阻r0即为前述第三限流电阻，开关器件t1即为前述第二开关器件，t1驱动模块即为前述第二驱动模块，控制模块2即为前述第二控制模块，储能电容c0即为前述第二储能电容，直流电压源dc2即为前述第二电源，电阻r21即为前述第四限流电阻、开关器件t2即为前述第三开关器件，t2驱动模块即为前述第三驱动模块。

marx发生器包括：多个类似虚线框中由电容c2、mosfets2、二极管d24和电阻r3构成的模块、电容cn、电阻r2n+1、mosfetsn、各级开关的驱动模块(驱动模块1-驱动模块n)和控制模块1。marx发生器中各级开关器件具有各自的驱动模块，各个驱动模块接收相互独立的控制信号，控制信号由控制模块1输出。dc1、r0和t1构成marx发生器的充电电路，开关器件t1由t1驱动模块驱动，其接收控制模块2中输出的控制信号。marx发生器用于输出rbdt的触发电压脉冲信号。

其中，电容c2-电容cn即为前述第一储能电容，mosfets2-mosfetsn即为前述第一开关器件，二极管d24即为前述第二二极管，电阻r3、电阻r2n+1即为前述第二限流电阻，驱动模块1-驱动模块n即为前述第一驱动模块，控制模块1即为前述第一控制模块。

脉冲放电电路包括：储能电容c0、电阻r22、二极管d2、rbdt。图中dc2、r21和t2构成待测rbdt脉冲放电电路的充电电路，t2由t2驱动模块驱动，驱动接收由控制模块2输出的控制信号。外围电路包括：电阻rlimit和二极管d1。

其中，电阻r22即为前述负载电阻，二极管d2即为前述第三二极管，电阻rlimit即为第一限流电阻，二极管d1即为前述第一二极管。

需要说明的是，充电器部分的直流电压源dc1、电阻r0、开关器件t1和t1驱动模块可以归属于marx发生器，充电器部分的直流电压源dc2、电阻r21、开关器件t2、t2驱动模块和控制模块2可以归属于脉冲放电电路。

具体的，控制模块1用于分别独立地向n个驱动模块发送驱动信号以驱动n个开关器件s1-sn在相应时刻开通；特别地，必须首先触发开通开关器件sn；各时刻下，各开通的开关所对应的第一储能电容之间串联并向待测rbdt输出触发电压；marx发生器中的第二限流电阻(电阻r1、r3、r2n+1)和第二二极管(二极管d22、d24…)用于在所述n个开关器件s1-sn均断开且所述充电器同时向所述n个第一储能电容充电时，限制充电电流；另外在所述充电之后且存在开关器件开通时，阻碍储能电容放电。

则如图2所示，marx发生器的各个元件的连接关系如下：dc1连接r0的一端，r0的另一端与t1连接，接下来是由多个虚线框中所示模块级联，模块中c2的一端与r4和s2连接，c2的另一端与r3连接，r3的另一端与s2的另一端连接，对于n级marx发生器，一共有n-1个这样的模块，cn一端与r2n+1连接，cn另一端与sn连接，r2n+1的另一端与sn的另一端连接。

外围电路中rlimit与marx发生器中sn的一端相连接，另一端与d1的阳极连接，d1阴极与rbdt的阳极连接。

脉冲放电电路各个元件的连接关系如下：dc2与r21的一端连接，r21的一端与t2一端相连接，t2的另一端与c0、r22连接，r22的另一端与d2阳极相连接，d2的阴极与rbdt的阳极相连接，rbdt的阴极与c0和dc2的另一端相连接，dc2的一端与marx发生器中的c1的一端相连接。

充电器用于控制对marx发生器和脉冲放电电路的充电过程并进行充电；marx发生器串联待测rbdt构成环路，用于在充电之后向待测rbdt输出不同动态特性的触发电压脉冲；为了可以分析带负载时rbdt的动态特性，测试装置中还具有待测rbdt脉冲放电电路，该脉冲放电电路用于当待测rbdt在触发电压脉冲的触发下开通后进行放电，放电电流流经待测rbdt，以进行待测rbdt动态特性分析，上述动态特性包括触发电压脉冲的上升速率、幅值和脉宽；d1设置于marx发生器和待测rbdt的环路上，用于防止待测rbdt脉冲电路对marx发生器产生影响。

在测试待测rbdt动态特性时，当marx发生器需要输出不同上升速率但峰值电压相同的电压脉冲时，这可以通过保持充电器对marx发生器中各储能电容的充电电压不变，控制marx发生器内开关器件s1-sn的导通时刻来控制各储能电容在不同时刻向rbdt放电来实现；若需要输出相同的电压上升速率而不同的峰值电压的电压脉冲时，充电器对marx发生器中各储能电容的充电电压的需要改变，调节marx发生器内开关器件s1-sn的导通时刻，确保输出电压脉冲上升速率都相同，因此控制各储能电容的输出电量的时刻和充电器对marx发生器中各储能电容的充电电压，就可以实现各种触发电压脉冲的输出。当marx发生器内开关器件s1-sn的同时导通时，此时marx发生器输出的电压具有最大的电压上升速率，同时电压峰值也将最大。

marx发生器用于提供rbdt的触发电压，当开关器件s1-sn处于关断状态，充电器同时为电容c1-cn充电，充电完成后，当s1-sn仍都处于关断状态时，marx发生器输出电压vmarx为0v，当需要给rbdt施加触发电压时，控制模块1输出控制信号给s1-sn各个开关器件对应的驱动模块，当s1-sn完成状态转换后，由于电容电压不具有突变性，且多个电路保护元件阻碍了电容c1-cn的迅速放电，此时marx发生器的输出电压：

式中，yi只有两个数值0和1，当开关器件si(i为1至n任一个)处于关断状态时，yi为0，若开关器件si处于导通状态时，yi为1，vdc1为充电器电源dc1的输出电压。其中，在marx发生器输出电压时，开关器件sn必须处于导通状态，从上可以看出，控制s1-sn的各个开关的状态，可以实现不同marx输出电压峰值。

例如，对于一个5级的marx发生器，s1-s5各个开关器件的触发信号，依次延迟10ns或者依次延迟20ns，当触发信号依次延迟10ns时，marx发生器输出的电压脉冲上升速率将大于触发信号延迟20ns时marx发生器输出的电压脉冲上升速率。

当s1-sn的触发信号都相同时，此时marx发生器输出的电压具有最大的电压上升速率，同时电压峰值也将最大，若需要得到上升速率更大的电压脉冲，则s1-sn需要使用触发开通时间更短的开关器件。

需要说明的是，marx发生器中开关器件s1-sn一般选择使用开通速度较快的mosfet，在满足测试要求的情况下，还可以使用igbt等其他半导体开关器件，s1-sn的具有各自独立的驱动模块电路，且各个驱动模块电路接收到的控制信号也是相互独立的，控制信号由控制模块1给出。另外，由于mosfet的可以使用的驱动电路较多，因此驱动模块1-驱动模块n不具有固定的电路拓扑形式，只要可以正常的触发开通mosfet的驱动电路都可以在这些驱动模块中使用。

其中，开关器件t1、开关器件t2可以使用igbt、晶闸管和mosfet等可以被控制的器件。由于开关器件t1和开关器件t2可以使用的驱动电路较多，因此t1驱动模块和t2驱动模块不具有固定的电路拓扑形式，只要可以正常的触发开通开关的驱动电路都可以在这些驱动模块中使用。

为了减弱marx发生器对rbdt测试结果的影响，marx发生器输出的电压脉冲的脉宽需要大于装置中脉冲放电电路输出的电流脉冲的脉宽，这可以避免marx发生器中s1-sn开关器件关断时，电路结构突然的改变给rbdt特性测试带来电磁干扰。

另外，限流电阻rlmit的阻值基于marx发生器输出的触发电压脉冲的峰值电压和脉宽确定。

在marx发生器中，控制模块1与n个第一驱动模块之间设有干扰隔离元件，在充电器中，控制模块2分别与t1驱动模块和t2驱动模块之间设有干扰隔离元件。

需要说明的是，控制模块1和控制模块2可以用同一个控制电路实现，这些控制电路也不具有固定的电路形式，一般都由dsp、单片机或fpga等芯片构成。

本测试装置有多种工作方式，其中一种工作方式为：1)控制模块2同时输出控制信号给t1驱动模块与t2驱动模块，这两个驱动模块同时触发开通t1和t2后，dc1给电容c1-cn充电直至电压稳定，dc2给电容c0充电，直至电压稳定；2)控制模块1输出不同的控制信号给驱动模块1-驱动模块n，驱动模块在对应的时刻触发开通各个开关器件，此时marx发生器输出电压脉冲；2)rbdt承受marx发生器输出的电压脉冲，若电压脉冲满足rbdt触发电压的条件，则rbdt将会在短时间触发开通；3)电容c0在rbdt导通之后，对r22放电产生电流脉冲；4)利用电流探头和电压探头测试rbdt的电流与电压。

如图3所示，测试装置中5级marx发生器的各级开关器件触发信号(前述n取值为5)，各级开关触发信号依次延迟10ns。假设s1的触发信号在0时刻发出，则10ns时刻s2的触发信号发出，20ns时刻s3的触发信号发出，30ns时刻s4的触发信号发出，40ns时刻s5的触发信号发出。除了延迟时间不同外，各级开关器件的触发波形都是相同的，触发波形的脉宽较宽，为10μs，则marx发生器输出的rbdt触发电压脉冲脉宽也为10μs。

实施例二

一种rbdt动态特性测试方法，包括：

将待测rbdt设置于如上实施例一所述的任一种rbdt动态特性测试装置中；

控制rbdt动态特性测试装置中的marx发生器产生不同动态特性的触发脉冲电压以施加至待测rbdt；

检测每个动态特性下rbdt动态特性测试装置中的脉冲放电电路是否导通，并基于测得的rbdt两端的电压以及脉冲放电电路放电所输出的电流脉冲，得到待测rbdt的动态特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。