高压二极管的反向恢复时间测试系统

　　摘摇要：通过对二极管的反向恢复过程及相关应用的研究，指出二极管反向恢复时间测试的必要性，综合比较了三种现有的反向恢复时间的测试方法的优缺点，提出并设计了一个测量范围更广、更实用、更高、成本也较低的高压二极管反向恢复时间测试系统。该文对设计方案进行了误差分析，根据仪器在工厂的运行情况及示波器结果显示的比较，证明方案可行且误差较小。

　　晶体管和二极管常在脉冲电路中作为开关使用，这主要是利用它们对正反向电流表现出的通断特性。二极管与一般开关的不同在于，开关作用由两端所加电压的极性决定，而且导通时有微小的压降，关断时有微小的电流。由于二极管中PN 结电容效应的存在，当二极管外加电压极性翻转时，原工作状态相应的变化不能在瞬间完成。特别是外加电压从正向偏置变成反向偏置时，二极管中电流由正向变成反向，但翻转后的瞬间有较大的反向电流，经过一定时间后反向电流才会变得很小，而这段时间即为二极管的反向恢复时间T_RR.实际应用时，如果反向脉冲的持续时间比T_RR 短，则二极管在正反向都可导通，起不到开关作用。因此了解二极管的T_RR对选取管子和设计电路至关重要，但只有少量二极管的TRR可从技术手册查到。二极管反向特性的测试一般仅针对反向击穿电压和反向饱和电流等，没有涉及到T_RR,因此设计一种测量二极管反向恢复时间的测试系统变得很有必要。

　　1 三种T_RR测试方法的比较

　　目前，只有很少量的文章讨论过测量二极管反向恢复时间的方法和实施过程。它们提出的方案主要有以下3 种：

　　（1）利用高扫描频率的示波器、信号发生器、电流放大器等实验仪器和简单搭建的测试电路，在示波器上显示出二极管在整个正反向偏置电路转换过程中电流变化的波形，人工读取TRR 值。这种方案直接利用实验室的普通仪器进行测试，方法简单，但示波器时标的准确性较低，人工读数的误差也较大。

　　当测试一些TRR 较小的二极管时，对示波器扫描频率的要求会大大提高，不是所有实验室都能实施的，广泛应用将受到限制，这种方案不宜工厂采用。

　　（2）利用信号发生器提供正反向偏置回路的转换信号产生T_RR 测试波形，然后通过两个比较器获取与T_RR时间间隔等宽的脉冲，用高速计数器在规定的一段时间内对该脉冲进行计数，从而计算出一个脉冲宽度的时间（ 即T_RR 值）。相比第1 种方案，它的准确性更高，且对实验仪器的要求不高，应用更广泛。但这种方案受计数器计数频率的限制，主要适用于测量T_RR 在100 ns 以上的二极管，当二极管的T_RR较小时，对计数器计数频率的要求会提高，成本会大大增加。另外，这种方案需要信号发生器，在工厂批量生产线上使用仍受限制。

　　（3）以T_RR 测试波形获取模块、高速取样电路（获取T_RR脉冲）、微处理机系统构成的二极管TRR测试系统。它无需额外的仪器，系统独立工作，相比第2 种方案更灵活，也更容易实现。但该测试系统逻辑复杂，大部分采用数字器件，相比大量采用模拟器件的电路，时间延迟较大。它采用OC 非门作积分开关，存在等效电阻非理想化的问题，增大了测试的误差，还可能导致线性积分电路的非线性失真。另外，这一方案能测的二极管T_RR 在微妙级，测量范围较小。

　　鉴于上述3 种方案的特点，在此提出并实现了一种更简单实用，成本较低，测量范围更广的二极管反向恢复时间测试系统。该系统无需额外仪器，测量范围从十几纳秒到几百纳秒均可，已成功地应用在江苏如皋大昌电子公司高压二极管测试生产线上。

　　2 T_RR测试波形的获取

　　图1 为TRR测试波形（ 即整个正反向偏置回路转换的过程中，流过待测二极管Dx 的电流变化波形）获取的硬件简图。图2 为波形时序图。其中，V_control控制信号与上一节讨论的前两种方案中信号发生器的功能相似，是用逻辑集成器件搭建的。

图1 TRR测试波形获取的硬件简图

　　当V_control 为"0"电平时， 场效应管TR1 截止。

　　V_control为"0"电平的瞬间，稳压源VR 对C1 进行充电，V_control为"0"电平的持续时间足够长，使得C1 有足够的时间完成充电过程。充电完成后，VR 回路断开，仅由正向恒流源IF 对Dx 工作，此时为正向偏置。

　　当V_control为"1"电平时，场效应管TR1 导通。此时，IF 从D1 -R2 回路流走，停止对Dx 的正向偏置作用，仅由充满电的C1 通过TR1 -Rs -Dx 回路对Dx 施以与VR 相等大小的反向偏置电压。

　　Dx 由正向偏置转换成反向偏置后的整个过程，在取样电阻Rs 上得到V_Rs（ =i·Rs），即为TRR的测试波形。当V_control以适宜的占空比和频率将正反向偏置回路来回切换时，从Rs 处便可获取如图2 中i 所示的成周期变化的T_RR 测试波形了。图2 中AB 段的时间间隔即为二极管实际的T_RR值，即流过Dx 的电流从接入反向偏置电压开始到减小至规定的10%·IRM时刻的时间。

图2 波形时序图

　　3 T_RR测试系统的实现和原理

　　3. 1 T_RR测试系统的硬件实现

　　图3 为T_RR测试系统的实物图。T_RR测试系统框图如图4 所示。该系统设定的V_control脉冲每22 us 完成正反向偏置回路的转换，正向偏置时间为20滋s,反向偏置时间为2 us（当T_RR 较大时可将其调节到更大），即每22 us 产生一个T_RR测试波形，V_control脉冲周期和占空比的大小是根据T_RR的大小和C1 的充电时间等因素结合设计的，实际操作时比较灵活。

图3 T_RR测试系统实物图

图4 T_RR测试系统框图

　　为了测得TRR,关键是要得到真正的T_RR时间间隔内的波形，即图2 中AB 段的波形。因此，要测试T_RR首先需要检测出IRM,然后根据10%·IRM取出AB段的T_RR脉冲。

　　通过取样电阻Rs,可以将流过Dx 的电流i 转换成电压VRs.然后，系统对VRs进行峰值检波，检测出反向峰值电流IRM对应的VR（反向电流到达IRM时的VRs值），峰值检波电路如图5 所示。获取VR 后，用分压电阻分出VR 的10%作为第1 级差分电路截取T_RR脉冲波形的其中一个输入。此后，再将整个VRs波形作为第1 级差分的另一个输入端，即可截取出图2 中AB 段的T_RR脉冲，它的两个输出端作为第2级差分电路的两个输入端。第2 级差分则将第1 级差分得到的负向的、数值较小的T_RR 脉冲变成正向的，并进行放大。经过两级差分后，图2 中T_RR测试波形除T_RR脉冲的部分被保留、反向并放大，其余部分都变成了0,如图2 中V_TRR所示。之后，对V_TRR进行积分（即对整个周期的电压波形求平均值），得到V1.很明显V1 是一个很小的电压（ 当T_RR为一百纳秒以内的数值时，V1 小于100 mV），直接AD 转换，将会出现较大误差。所以，V1 要经过十倍放大再送去AD 转换。单片机根据从ADC 芯片读取的12位二进制数，控制数码管显示T_RR（单位是ns）的值，同时还可以显示IF 和IRM（单位是mA）。

图5 峰值检波电路

　　3. 2 T_RR测试的原理分析

　　这一节重点讨论截取图2 中V_TRR波形的两级差分电路的实现原理，积分求电压平均值的原理及电路都较常规，这里就不再赘述了。

　　该系统设计了一个两级差分的电路如图6 和图7 所示。第1 级是一个典型的双端输入双端输出差分电路。Vi1输入的是VRs,Vi2输入的是VR,两输出端VO1与VO2 的波形如图8 所示。在正向偏置（ 即CD 段）时，TR3 截止，VO2 =VCC;TR2 导通：

图6 第1 级差分电路

图7 第2 级差分电路

　　当电路刚转换为反向偏置（ 即DE 段） 时，TR2仍导通，但流过它的电流逐渐减小，一部分电流从TR3 流走且逐渐增大，直到E 点，TR2 截止，电流完全从TR3 流走，此时，VO1 =VCC:

　　在EF 段，TR3 仍导通，但流过它的电流逐渐减小，一部分电流从TR2 流走且逐渐增大，直到F 点，TR3 截止，电流完全从TR2 流走，此时，VO2 和VO1 的值跟CD 段一样。之后的FG 反向偏置时间段保持这样的状态。如此就完成了一个周期波形的差分截取。

　　第2 级差分是一个双端输入单端输出的电路。第1 级的输出VO1 与VO2 作为其两输入端，输出的即为VTRR脉冲。在HI 段，TR5 截止，V_TRR = 0;TR4 导通，电流完全从TR4 流走。在IJ 段，TR4 仍导通，但流过它的电流逐渐减小，一部分电流从TR5流走且逐渐增大，直到J 点，TR4 截止，电流完全从TR5 流走，此时，V_TRR为值：

　　在JK 段，TR5 仍导通，但流过它的电流逐渐减小，一部分电流从TR4 流走，且逐渐增大，直到K 点，TR5 截止，电流完全从TR4 流走，V_TRR =0.如此就完成了脉冲的反向和放大，波形如图8 中V_TRR所示。

图8 差分时序图

　　4 结果验证与误差分析

　　该设计已在江苏如皋大昌电子公司高压二极管测试生产线上正常运行，图9 是系统测试后在数码管上输出的结果与TRR 反向恢复过程在示波器上显示结果的对比图，结果证明该方案是可行而且可靠的。

图9 测试结果验证图

　　该系统采用12 bit ADC 芯片，参考电压为5 V,即输入为5 V 时，AD 转换后输出为1111 1111 1111.

　　在AD 转换过程中，按设定，0 ns 对应0 mV,AD 转换后为0000 0000 0000;500ns 对应5 000 mV,AD 转换后为1111 1111 1111.即ADC 芯片的分辨率为1. 23mV（0. 123 ns），得到AD 转换导致的误差为0郾0246% .这个误差是可以在ADC 芯片的选择过程中进一步减小的，在此处12 位ADC 芯片的已经足够。

　　此外，影响测试系统误差的因素还有电源干扰和CMOS 器件TR1 导通与截止的时间延迟等，这里就不一一讨论了。