一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路及测试方法与流程

1.本发明电力电子技术领域，尤其涉及一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路及测试方法。


背景技术：

2.宽禁带半导体器件，如sic-mosfet和gan-hemt，与传统si-mosfet相比，由于其优异的开关特性和更低的导通电阻，正在迅速发展，被认为是最有前景的功率器件，可以用于提高功率转换器的效率和功率密度。然而，随着开关频率的增加，一些由于寄生参数导致的问题而变得更加严重，例如误触发、增加的开关损耗和电压过冲等。而共源电感作为功率回路与驱动回路耦合的部分，被认为是增加开关损耗、破坏功率器件开关特性和导致误触发的主要原因。
3.为了进一步提高电源转换器的开关速度，选择具有较小共源电感的功率器件具有重要的工程意义。但是，制造商通常不会提供功率器件的共源电感参数。这主要有两个原因：一方面，共源电感的大小与布局有关，另一方面，使用网络分析仪和阻抗分析仪等常规测试方法测试共源电感将非常困难，因为共源电感通常非常小。当然，许多使用有限元分析(fea)来提取共源电感的方法。但是，fea提取需要半导体封装的准确内部结构，否则提取的csi会与实际值有一定的偏差。一方面，制造商并未提供设备的内部结构，这使得fea方法的使用变得困难；另一方面，共源电感作为耦合部分存在，对于功率回路和驱动回路之间的解耦提取寄生电感要求较高，因此仿真提取得不到共源电感的准确值。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路及测试方法，能够准确的提取功率器件的共源电感值。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路，包括功率mosfet q1、功率mosfet q2、电感l、输入电容cin、脉冲信号发生器vg1、驱动电压源vg2、驱动输入电容c1、测试电阻r1、同轴电阻r2和输入电压源vin，所述功率mosfet q1的漏极分别与所述电感l的一端、所述输入电容cin的正极和所述输入电压源vin的正极连接，所述功率mosfet q1的源极分别与所述功率mosfet q1的栅极、所述电感l的另一端和所述功率mosfet q2的漏极连接，所述功率mosfet q2的栅极与所述脉冲信号发生器vg1的正极连接，所述脉冲信号发生器vg1的负极与所述功率mosfet q2的源极连接，所述驱动电压源vg2的正极与所述驱动输入电容c1的一端连接，所述驱动电压源vg2的负极分别与所述驱动输入电容c1的另一端和所述测试电阻r1的一端连接，所述测试电阻r1的另一端与所述同轴电阻r2的一端连接，所述同轴电阻r2的另一端分别与所述输入电容cin的负极和所述输入电压源vin的负极连接；所述脉冲信号发生器vg1的负极和所述功率mosfet q2的源极用于连接待测功率器件q3的漏极，所述驱动电压源vg2的正极和所述驱动输入电容c1的一端用于连接待测功率器件q3的栅极，所
述测试电阻r1的另一端和所述同轴电阻r2的一端用于连接待测功率器件q3的源极。
7.进一步地，所述功率mosfet q1和所述功率mosfet q2的耐流值和耐压值均不小于所述待测功率器件q3的耐流值和耐压值。
8.进一步地，所述测试电阻r1的阻值远大于所述待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
，且远小于用于测试所述测试电阻r1电压的示波器探头的输入阻抗值z
in
。
9.进一步地，所述待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
和所述示波器探头的输入阻抗值z
in
的计算公式为：
[0010][0011][0012]
其中，
[0013][0014]cds
＝c
oss-c
gd
[0015]cgs
＝c
iss-c
gd
[0016]
式中，r
s3
为待测功率器件q3源极寄生电阻仿真提取结果；r
on
为待测功率器件q3的导通电阻；ω为电流振荡角频率；c
gd
为米勒电容；c
gs
为待测功率器件q3在0v条件下的栅源寄生电容值；c
ds
为待测功率器件q3在0v条件下的漏源寄生电容值；l
s3
为待测功率器件q3源极寄生电感仿真提取结果；r
p
为示波器探头等效输入电阻；c
p
为示波器探头等效输入电容；l
p
为示波器探头等效输入电感。
[0017]
一种功率器件的共源电感的测试方法，应用所述的测试电路，将待测功率器件q3的漏极分别与所述脉冲信号发生器vg1的负极和所述功率mosfet q2的源极连接，将待测功率器件q3的栅极分别与所述驱动电压源vg2的正极和所述驱动输入电容c1的一端连接，待测功率器件q3的源极分别与所述测试电阻r1的另一端和所述同轴电阻r2的一端连接，具体包括以下步骤：
[0018]
步骤1、将所述驱动电压源vg2的电压调节为待测功率器件q3的开通电压，使得待测功率器件q3持续导通；
[0019]
步骤2、调节所述脉冲信号发生器vg1发出第一脉冲信号和第二脉冲信号，且第一脉冲信号的导通时间大于第二脉冲信号的导通时间；
[0020]
步骤3、当所述第二脉冲信号的上升沿到来时，测量待测功率器件q3的漏极电流信号i
d3
，并读取电流信号i
d3
的振荡频率f1，判断所述振荡频率f1与所需测量频率f的大小是否相同，如果相同，则执行步骤4；如果不相同，则调节所述输入电压源vin的电压值，并返回步骤2，直至所述振荡频率f1与所述所需测量频率f相同；
[0021]
步骤4、当所述第二脉冲信号的上升沿到来时，测量所述测试电阻r1的电压信号v
r1
和待测功率器件q3的漏极电流信号i
d3
；
[0022]
步骤5、读取所述测试电阻r1的电压信号v
r1
在某一振荡周期下的峰峰值δv
r1
、所述待测功率器件q3的电流信号i
d3
在同一振荡周期下的峰峰值δi
d3
以及所述所需测量频率
f，根据所述峰峰值δv
r1
、所述峰峰值δi
d3
以及所述所需测量频率f计算得到待测功率器件q3的共源电感ls。
[0023]
进一步地，步骤5中，所述根据所述峰峰值δv
r1
、峰峰值δi
d3
以及所需测量频率f计算得到待测功率器件q3的共源电感ls，具体为：
[0024][0025]
进一步地，所述所需测量频率f满足待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
的虚部远大于实部的条件。
[0026]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在对功率器件进行测试时，应用本发明提供的一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路，可以实现准确的测量功率器件的共源电感，同时可以低成本的搭建测试电路，针对不同的封装形式和大小测量器件的共源电感。相比于以前的测量方式，本发明的测量方法不仅能够实现对确定布局后的功率器件的共源电感准确测量，同时可以将功率回路和驱动回路之间的耦合效应考虑在内，对功率器件的共源电感进行测量。另一方面，本发明可以对封装形式不同的功率器件进行共源电感的测量。利用本发明可以针对不同封装类型的功率器件选择合适的振荡电流(此电流可以通过调节输入电压源的大小调节振荡频率，通过调节脉冲信号的脉冲宽度调节电流信号的幅值)和测试电阻来满足测试条件，从而保证能准确的测试功率器件的共源电感。
[0027]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路的结构示意图；
[0030]
图2为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路的应用电路图；
[0031]
图3为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路的测试原理图；
[0032]
图4为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件epc2015c共源电感测试的仿真结果图；
[0033]
图5为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件epc2015c共源电感测试的栅源阻抗z
gs
计算结果；
[0034]
图6为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件epc2015c共源电感测试的栅源阻抗z
gs
虚部与实部之比计算结果；
[0035]
图7为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件epc2015c共源电感测试的示波器探头等效电路图；
[0036]
图8为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件epc2015c共源电感测试的示波器探头阻抗zin计算结果；
[0037]
图9为本发明一种用于测试功率器件的共源电感的测试方法应用于功率器件
epc2015c共源电感测试的测试结果。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
作为本发明的某一具体实施方式，如图1所示，一种用于测试功率器件的共源电感的测试电路，包括功率mosfet q1、功率mosfet q2、电感l、输入电容cin、脉冲信号发生器vg1、驱动电压源vg2、驱动输入电容c1、测试电阻r1、同轴电阻r2和输入电压源vin，功率mosfet q1的漏极分别与电感l的一端、输入电容cin的正极和输入电压源vin的正极连接，功率mosfet q1的源极分别与功率mosfet q1的栅极、电感l的另一端和功率mosfet q2的漏极连接，功率mosfet q2的栅极与脉冲信号发生器vg1的正极连接，脉冲信号发生器vg1的负极与功率mosfet q2的源极连接，驱动电压源vg2的正极与驱动输入电容c1的一端连接，驱动电压源vg2的负极分别与驱动输入电容c1的另一端和测试电阻r1的一端连接，测试电阻r1的另一端与同轴电阻r2的一端连接，同轴电阻r2的另一端分别与输入电容cin的负极和输入电压源vin的负极连接；脉冲信号发生器vg1的负极和功率mosfet q2的源极用于连接待测功率器件q3的漏极，驱动电压源vg2的正极和驱动输入电容c1的一端用于连接待测功率器件q3的栅极，测试电阻r1的另一端和同轴电阻r2的一端用于连接待测功率器件q3的源极。
[0040]
作为优选的实施方式，功率mosfet q1和功率mosfet q2的耐流值和耐压值均不小于待测功率器件q3的耐流值和耐压值。
[0041]
作为优选的实施方式，测试电阻r1的阻值远大于待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
，且远小于用于测试测试电阻r1电压的示波器探头的输入阻抗值z
in
。具体地说，待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
和示波器探头的输入阻抗值z
in
的计算公式如下：
[0042][0043][0044]
其中，
[0045][0046]cds
＝c
oss-c
gd
[0047]cgs
＝c
iss-c
gd
[0048]
式中，r
s3
为待测功率器件q3源极寄生电阻仿真提取结果；r
on
为待测功率器件q3的导通电阻；ω为电流振荡角频率；c
gd
为米勒电容；c
gs
为待测功率器件q3在0v条件下的栅源寄生电容值；c
ds
为待测功率器件q3在0v条件下的漏源寄生电容值；l
s3
为待测功率器件q3源极寄生电感仿真提取结果；r
p
为示波器探头等效输入电阻；c
p
为示波器探头等效输入电容；
l
p
为示波器探头等效输入电感。
[0049]
本发明提供的一种功率器件的共源电感的测试方法，如图2所示，应用本发明的测试电路进行测试，测试前，将待测功率器件q3的漏极分别与脉冲信号发生器vg1的负极和功率mosfet q2的源极连接，将待测功率器件q3的栅极分别与驱动电压源vg2的正极和驱动输入电容c1的一端连接，待测功率器件q3的源极分别与测试电阻r1的另一端和同轴电阻r2的一端连接。图2中ld为功率回路走线寄生电感；l
s1
为q1的源极走线寄生电感和器件q1的共源电感之和；l
g1
为q1的驱动回路走线寄生电感；l
s2
为q2的源极走线寄生电感和器件q2的共源电感之和；l
g2
为q2的驱动回路走线寄生电感；l
s3
为q3的源极走线寄生电感和器件q3的共源电感之和；l
g3
为q3的驱动回路走线寄生电感。
[0050]
具体测试方法包括以下步骤：
[0051]
步骤1、将驱动电压源vg2的电压调节为待测功率器件q3的开通电压，使得待测功率器件q3持续导通；
[0052]
步骤2、调节脉冲信号发生器vg1发出第一脉冲信号和第二脉冲信号，且第一脉冲信号的导通时间大于第二脉冲信号的导通时间；
[0053]
步骤3、当第二脉冲信号的上升沿到来时，测量待测功率器件q3的漏极电流信号i
d3
，并读取电流信号i
d3
的振荡频率f1，判断振荡频率f1与所需测量频率f的大小是否相同，如果相同，则执行步骤4；如果不相同，则调节输入电压源vin的电压值，并返回步骤2，直至振荡频率f1与所需测量频率f相同；
[0054]
步骤4、当第二脉冲信号的上升沿到来时，测量测试电阻r1的电压信号v
r1
和待测功率器件q3的漏极电流信号i
d3
；
[0055]
步骤5、读取测试电阻r1的电压信号v
r1
在某一振荡周期下的峰峰值δv
r1
、待测功率器件q3的电流信号i
d3
在同一振荡周期下的峰峰值δi
d3
以及所需测量频率f，根据峰峰值δv
r1
、峰峰值δi
d3
以及所需测量频率f计算得到待测功率器件q3的共源电感ls，具体计算公式如下：
[0056][0057]
作为优选的实施方式，所需测量频率f满足待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
的虚部远大于实部的条件。
[0058]
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
[0059]
首先简述测试方法的原理：如图3所示的测试电路的测试原理等效电路图中，将q2第二次开通即信号发生器发出第二个脉冲信号的上升沿到来时的i
d3
等效为一个电流信号源，此信号只与输入电压源和信号发生器产生的脉冲宽度有关，不受待测器件影响。待测器件长期处于开通状态，此时流过一个高频电流信号，将会在功率器件的共源电感上产生一个电压信号。由于待测器件的驱动回路串入一个大电阻r1，所以所有的交流信号将会流过阻抗较小的导通电阻支路，此时q3的驱动侧相对于q3的功率侧为开路状态，而且在满足待测器件栅源阻抗zgs的虚部远大于实部时，q3的栅源电压降将会全部落在q3的共源电感上，于是在电阻r1上测得的电压信号可以等效为共源电感上的电压降。因此通过测试电阻r1的电压信号和待测器件的电流信号以及振荡频率可以得到共源电感的准确值。
[0060]
本实施例中，功率mosfet q1和功率mosfet q2为epc2007，待测功率器件q3为
epc2015c，同轴电阻r2为ssdn-414-10(0.096ω/2ghz)，测量电阻r1为5ω，电感l为25uh，输入电压源vin的电压为30v。首先通过对提出的测试方法以及计算得到的参数对epc2015c进行仿真，仿真时按照仿真软件寄生参数提取结果设定共源电感和寄生电阻的值，验证得到图4所示的仿真结果。从图4可以看出在q2第二次开通即信号发生器发出第二个脉冲信号的上升沿到来时，id3为一个高频正弦波，同时在电阻r1的两端测得电压为同频的振荡信号，并利用共源电感的计算公式验证得到电压信号与电流信号以及振荡频率之比为仿真电路中的设定的共源电感大小。
[0061]
对待测功率器件q3的栅源阻抗值z
gs
和示波器探头的输入阻抗值z
in
进行计算，计算步骤如下：
[0062][0063][0064][0065]cds
＝c
oss-c
gd
[0066]cgs
＝c
iss-c
gd
[0067]
式中，ω＝2
×
π
×
f；ron＝3.2
×
10-3
；cgd＝160
×
10-12
；cgs＝940
×
10-12
；cds＝1000
×
10-12
；ls3＝80
×
10-12
；c
p
＝3.9
×
10-12
；l
p
＝5
×
10-9
；r
p
＝10
×
106。
[0068]
根据zgs和zin的计算公式得到epc2015c的栅源阻抗zgs随频率变化的曲线如图5所示，同时得到计算得到epc2015c的栅源阻抗zgs的虚部与实部的模长之比随频率变化的曲线如图6所示，示波器探头阻抗随频率变化的曲线如图7所示。
[0069]
根据图6中栅源阻抗zgs的虚部与实部的模长之比随频率变化的曲线可知，选择测试频率为40mhz时，此时zgs的虚部与实部的模长之比为20，此时的误差小于5％，而epc2015c的栅源阻抗zgs此时为30mω，示波器探头的输入阻抗为1000ω，因此电阻r1可以选为20ω，同时满足远小于示波器探头输入阻抗和远大于待测器件的栅源阻抗的条件。但是为了进一步的提高测试精度，可以将测试频率调整为200mhz，此时zgs的虚部与实部的模长之比为60，即q3的栅源电压全部为共源电感电压，此时的误差接近1.5％，而epc2015c的栅源阻抗zgs此时为110mω，示波器探头的输入阻抗为250ω，因此电阻r1可以选为5ω，同时满足远小于示波器探头输入阻抗和远大于待测器件的栅源阻抗的条件。
[0070]
根据所选的振荡频率条件和测试阻抗大小，实验测试epc2015c的共源电感值，所测得结果如图9所示，振荡频率为200mhz，测得电阻的一个周期下的电压峰峰值为0.945v，相应周期下同轴电阻(0.096ω/2ghz)测得的电压信号峰峰值为0.815v，于是计算得到epc2015c的共源电感值为90ph。
[0071]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员
在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。