二极管反向恢复时间多档测试技术

吴晓华， 韦文生， 曲金星， 莫越达， 罗 飞

（1.温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035；2.金华市华丰仪器研究所，浙江金华 321017）

0 引 言

电气设备中的二极管在关断瞬间经历反向恢复过程，产生浪涌电流，引起电磁干扰，增加能耗［1-3］。反向恢复时间Trr是反向恢复性能的主要参数，取决于器件的内部结构，也受外部工作电路、环境温度的影响［4］。技术上，测量Trr的技术方案有箝位电感负载（CIL）法和传输线脉冲（TLP）法［5-7］。使用CIL法进行测量时，可以分别调整测量条件，如正向电流IF脉冲、反向阻断电压UR脉冲和电流转换率（di/dt）的大小［8］，Trr的最低量程（LMR）接近20 ns。本课题组采用改进的CIL方法设计了Trr测试仪［9］，通过使用不同的分流电路、分压器和电感器，分别调节IF、UR和di/dt，Trr的LMR 接近15 ns。CIL 方法的主要优点是技术较简单，但在包含被测二极管（Diode Under Test，DUT）的电路中，弥散电感会因为电磁感应而改变di/dt，从而改变反向恢复电流（Irr）波形［10］，进而引起Trr的测量误差。使用TLP 系统检测Trr时［11］，长传输线经过高压电源充电后再放电，产生边沿上升、下降时间约0.1 ns的陡脉冲并加载到DUT 上。TLP 系统中可以分别调整IF、UR和di/dt，利用此法测得GaN超快恢复二极管的Trr＝4 ns，但是陡脉冲的边沿形状难以控制。王秀清等［12］采用等精度通用型计数器E312B组成自动测量系统，以89C2052 型单片机为核心进行功能转换、测量控制、数据处理及显示。无论哪种方案，现在市场上的Trr测试仪只按一种标准设计，若要按照不同要求测试，需要购置多台仪器，导致成本增加；更换设备进行测试，工作效率下降。因此，迫切需要一台满足不同要求的Trr测试装置，克服现有仪器的缺点。反向恢复特性的内容在课程中阐述不多，但在开关器件、电路应用中经常涉及，这就启发我们开展校企合作，研发新的Trr测试装置，按照不同要求组合IF、UR脉冲加载于DUT，通过发射极耦合逻辑（ECL）电路构成的电压比较器对产生的反向恢复信号采样［13-14］，通过模/数转换，驱动显示器呈现Trr值，用于测量碰撞雪崩渡越时间二极管、续流二极管等器件的Trr值。

1 反向恢复时间及其测试方案

1.1 反向恢复时间的测试标准

给DUT 加载IF脉冲，DUT 正向导通稳定后内部贮存了少子；再给DUT 及时加载UR脉冲，DUT 不能立即截止，而是经历反向恢复过程［8］，Irr波形如图1 上部所示。按照电子工业协会（EIA）标准［15］，反向恢复过程持续的时间Trr有两种定义：一是当Irr波形的下降沿、上升沿分别经过反向恢复电流峰值Irrm/4 的两点之间的时间差就是Trr，如图1（a）所示；二是当Irr波形的下降沿、上升沿分别经过0.10Irrm的两点之间的时间差就是Trr，如图1（b）所示。

图1 Trr的取值范围及对应的Trr脉冲

实验上，可让Irr经过线性采样电阻RL并在其上形成电压信号Utrr＝IrrRL，利用示波器监测Utrr波形就能真实地反映Irr波形。按照上述定义，移动示波器屏幕的两条竖直标尺线即可截取Trr值。另外，如果把Trr对应的Utrr波形转换为宽度等于Trr的矩形脉冲（简称Trr脉冲），如图1 下部所示，就能利用模/数转换器把此脉冲转换成Trr值，并驱动发光二极管（LED）显示出来。

1.2 反向恢复时间测试方案

根据Trr的定义以及一台仪器可按不同条件要求进行测试的设想，在对比文献［2，9，11］技术方案的基础上，提出了单台装置可按不同条件（多档）测试Trr的方案，电路系统如图2 所示。其中包括直流稳压电源、测试条件形成和信号采集电路、Trr信号处理电路、模/数转换和显示电路4部分。直流稳压电源由降压、整流、滤波、稳压4 个环节组成，可为其他电路提供稳定的直流电压，此为常规电路，以下不再赘述。测试条件形成和信号采集电路由IF脉冲源、UR脉冲源、多档（测试条件选择）电路、DUT、采样电阻RL组成。其中IF脉冲使DUT正向充分导通；UR脉冲使DUT经历反向恢复过程，产生Irr通过RL形成电压波形Utrr；多档电路用于选择不同的IF、UR脉冲和RL来组成满足不同测试要求的条件。Trr信号处理电路由峰值检波电路、分压电路、发射极耦合逻辑（ECL）电路构成的电压比较器等组成。模/数转换和显示电路由A/D 转换器、LED显示器组成。ECL 电路中的两个晶体管没有电荷存储效应［13］，高、低电平转换速度极快，可以处理高频高速信号，在此当作电压比较器。一方面，在RL上形成的电压Utrr直接送给电压比较器的输入端；另一方面，由峰值检波电路检出Utrr波形的峰值Utrrm），经过分压电路，得到定义Trr所要求的0.25Utrrm或0.10 Utrrm［15］，送给电压比较器的参考电压输入端；由ECL电路构成的电压比较器完成Utrr波形采样，输出宽度等于Trr的脉冲。模/数转换和显示电路由模/数（A/D）芯片、LED显示器组成，前者把Trr脉冲转换成数字信号并驱动LED显示器显示Trr值，此为常用电路，此后不再详述。

图2 Trr多档测试装置的电路系统框图

1.3 主要电路设计

1.3.1 测试条件形成和信号采集电路

此电路主要包括IF脉冲源、UR脉冲源、多档（测试条件选择）及信号采集电路。其中，IF脉冲源电路、UR脉冲源电路均为常规电路。多档（不同测试条件选择）及信号采集电路主要由选择开关、被测二极管、采样电阻等构成，如图3 所示。

图3 多档及信号采集电路

正向IF脉冲应先于UR脉冲到达DUT，使其正向充分导通，内部储存少子。随后反向UR脉冲到达DUT时的下降沿与IF脉冲的下降沿对齐，避免DUT内部少子自行耗散，这些少子全部被UR脉冲形成的电场扫除，如此形成的Irr波形或者在RL上形成的Utrr（＝IrrRL）波形才能真实地反映DUT的反向恢复特征。利用示波器监测到Utrr波形后，可以按照Trr测试标准的要求，移动示波器屏幕的两条竖直标尺线分别到达下降沿、上升沿中的0.25Utrrm或0.10Utrrm位置，两点之间的时间差就是Trr。为此，从同一个CPU 芯片产生IF、UR原始脉冲，经过严格筛选器件、精心设计印刷电路板上的传输电路，严格控制时延，IF、UR脉冲到达DUT时的下降沿对齐。

在图3 中，多档电路的选择开关K2 中K21、K22、K23、K24 之一闭合，实际就是按照委托方的要求，选择不同的IF、UR脉冲和采样电阻RL（R2、R4、R6、R9其中之一），组合所需要的测试条件参数，实现不同的测试要求。例如，当选择开关K2 闭合K21 时，此时的IF脉冲幅值为0.05 A，使DUT正向导通，反向阻断脉冲UR的幅度为－ 10 V，经K21 送到DUT 的阳极，在采样电阻R2上形成Utrr波形。再如，当选择开关K2 闭合K24时，此时的IF脉冲幅值为0.50 A，使DUT 正向导通，反向阻断脉冲UR的幅度为－ 10 V，经电阻R8、开关K24送到DUT的阳极，在采样电阻R9上形成Utrr波形。

1.3.2 反向恢复信号处理电路

此电路可以分成Utrrm检波电路、电阻分压电路、Trr脉冲转换电路等部分。其中Utrrm检波电路、电阻分压电路均为常规电路。Trr脉冲转换电路包括发射极耦合逻辑（ECL）电路构成的电压比较器、射极跟随器，如图4 所示。

图4 Trr脉冲转换电路

Irr从DUT 负极流出通过RL形成电压信号Utrr。一方面，Utrr经过峰值检波电路得到Utrr的峰值Utrrm。Utrrm经过运算放大器及电阻构成的反相电路，负极性转换为正极性。然后，经过模拟电子开关及电阻构成的分压电路，得到0.25Utrrm（RL＝1 Ω 档）或0.10Utrrm（RL＝10、75、100 Ω档），作为图4 中微波三极管TR7、TR8 组成的ECL 电路——电压比较器中的参考电压（TR8 基极）。另一方面，Utrr经过电阻R48、R49送到三极管TR7 的基极，作为电压比较器的输入电压。ECL电路担当电压比较器的功能，其中的两个晶体管逻辑功能简单，两者推挽工作，分别在截止、线性放大状态之间转换，没有饱和状态的电荷储存效应，抑制共模干扰，把Utrr波形转换成Trr脉冲。此脉冲从ECL电路中三极管TR7、TR8 的集电极输出，电压放大；再送到三极管TR9、TR10 构成的射极跟随器的基极，从发射极输出，电流放大。Trr脉冲送入A/D 芯片转换成Trr数值，并驱动LED显示出来。制造电路时尽量选择参数对称的三极管TR7、TR8 和TR9、TR10，保证Trr脉冲的对称性和Trr值的准确性。

ECL电路的开关速度虽然极快但也有限［16］，导致Utrr波形转换成Trr脉冲时上升沿、下降沿都有一定的坡度。当Trr缩短到一定程度，经过ECL电路构成的电压比较器转换得到Trr脉冲的上升沿、下降沿靠拢夹成一个角，角度大小由ECL 电路的开关速度决定，此时的Trr值称为测量装置的下限。设计时尽可能选择开关速度快、参数一致的两个高频微波三极管来组成ECL电路，能够降低Trr测试仪的LMR，扩大测量范围。

2 测试结果与误差分析

利用研制的装置，在100 Ω 档下测量1N4148 型二极管时，使用YOKOGAWA-DLM2024 型示波器观测的IF、UR、Utrr波形及Trr脉冲分别如图5 的①、②、③、④波形所示。可见，IF脉冲（波形①）先于UR脉冲（波形②）到达DUT，两个脉冲的下降沿对齐，达到了设计要求。UR脉冲到达DUT 后使其经历反向恢复过程，在采样电阻R4上形成Utrr信号（波形③），Utrr波形被ECL电路构成的电压比较器转换成Trr脉冲（波形④）。从图5 可见，使用示波器屏幕的竖直标尺线对准Utrr波形中分别为0.10Utrrm的两点，时间差ΔT ＝14.3 ns ＝0.014 3 μs，与LED 显示器（灰色方框）上Trr的值0.015 μs非常接近。

图5 IF 脉冲、UR、Utrr、Trr的测量结果（灰色方块里的数值是LED显示的Trr值，μs）

利用研制的装置在4 个不同档位测试了1N4742型二极管的Utrr波形、Trr值，如图6 所示。图中两条竖直标尺线之间的时间差即为示波器测得的Trr值，右上方灰色方块里的数值是本装置LED 上显示的Trr值，单位μs。分别测试了1N4742、1N4748、1N4749 3 种型号的二极管，将测试结果分别列入表1 和表2，表1 中列出了示波器测得的Trr值、装置LED 显示的Trr值以及两者之间的相对误差；表2 列出了3 种二极管在不同档位下测得的Trr、Irrm值。

图6 4种档位分别测得1N4742型二极管的Utrr波形及Trr值（灰色方块里的数值是LED显示的Trr值，μs）

对比同一个二极管在4 个不同档位下测得的Utrr波形和Trr值可见，使用RL＝1 Ω档测得的Trr值最小，因为此时定义的Trr值是Urr波形上升沿、下降沿分别经过0.25Urrm时两点之间的时间差；而RL＝10 Ω、75 Ω、100 Ω 档定义的Trr值是上升沿、下降沿分别经过0.10Urrm时两点之间的时间差。后者的时间间隔更长，即Trr值更大。

从表1 可见，示波器测得的Trr值与LED 显示的Trr值之间相对误差的最大值小于5.0%，相对误差很小，证明本装置的可靠性，达到设计要求。误差归因于电路存在时延、元器件参数误差、示波器屏幕中标尺线的读数误差等。

表1 3 种二极管在4 种档位下示波器测量Trr值与LED显示Trr值的比较

从表2 可见，不同档位的IF脉冲幅值分别为0.5、0.1、0.05、0.01 A，但是各个脉冲的宽度都设计为相同的2 μs。因此，各个DUT内部储存的少子——反向恢复电荷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，使用某一个标准测量一种二极管时，在一定范围内，IF值越大，Qrr值越大，即IrrmTrr的值越大。由此推断，表2 列出的测量数据符合半导体器件物理的规律。

表2 3 种二极管在4 种档位下的Trr值与Irrm值的比较

3 结 语

按照测试标准要求，制订了二极管反向恢复时间Trr分为4 档测试的电路系统方案，设计并成功研制了测试装置。采用不同标准（档位）分别测试了3 种二极管的Trr值，并用示波器观测了反向恢复信号的波形和Trr值。装置LED 显示的Trr值与示波器测得的Trr值基本吻合，所得数据符合半导体器件物理的规律，验证了设计的可行性。

本文的方法和装置克服了现有仪器只按一种标准工作而无法满足不同要求的缺陷，能在LED上显示测试结果，操作简便，成本下降，可从市场选购元器件进行工业化生产，符合相关企业需求，市场前景诱人。同时，可以作为模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理与应用、传感器与检测技术等课程的综合创新型课程设计和毕业设计等案例，不断更新功能、指标要求，逐步完善，学以致用。