高压二极管的反向恢复时间测试系统

陈亚军，陈隆道

(浙江大学电气工程学院，杭州310027)

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［1］。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TRR［2］。实际应用时，如果反向脉冲的持续时间比TRR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TRR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TRR［1，3］，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TRR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TRR测试波形，然后通过两个比较器获取与TRR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TRR值)［1］。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TRR在100 ns以上的二极管，当二极管的TRR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TRR测试波形获取模块、高速取样电路(获取TRR脉冲)、微处理机系统构成的二极管TRR测试系统［4］。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［5］。另外，这一方案能测的二极管TRR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 TRR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，Vcontrol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Vcontrol为“0”电平时，场效应管 TR1截止。Vcontrol为“0”电平的瞬间，稳压源VR对C1进行充电，Vcontrol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。

图2 波形时序图

当Vcontrol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VRs(=i·Rs)，即为TRR的测试波形。当Vcontrol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TRR测试波形了。图2中AB段的时间间隔即为二极管实际的TRR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3 TRR测试系统实物图

3 TRR测试系统的实现和原理

3.1 TRR测试系统的硬件实现

图3为TRR测试系统的实物图。TRR测试系统框图如图4所示。该系统设定的Vcontrol脉冲每22 μs完成一次正反向偏置回路的转换，正向偏置时间为20 μs，反向偏置时间为2 μs(当TRR较大时可将其调节到更大)，即每22 μs产生一个TRR测试波形，Vcontrol脉冲周期和占空比的大小是根据TRR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4 TRR测试系统框图

为了测得TRR，关键是要得到真正的TRR时间间隔内的波形，即图2中AB段的波形。因此，要测试TRR首先需要检测出IRM，然后根据10%·IRM取出AB段的TRR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TRR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TRR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TRR脉冲变成正向的，并进行放大。经过两级差分后，图2中TRR测试波形除TRR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VTRR所示。之后，对VTRR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TRR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［6］。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TRR(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 TRR测试的原理分析

这一节重点讨论截取图2中VTRR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［7］。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

图8 差分时序图

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［7］。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，VTRR=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，VTRR为最大值，

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，VTRR=0。如此就完成了脉冲的反向和放大，波形如图8中VTRR所示。

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［6，8］。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1.23 mV(0.123 ns)，得到AD转换导致的精度误差为0.0246%［9］。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芯片的精度已经足够。

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［10］，这里就不一一讨论了。

［1］王秀清，傅旻，雷淑英，等.二极管反向恢复时间的一种测定方法［J］.天津轻工业学院学报，2002，40(1):41-43.

［2］康华光.电子技术基础·模拟部分(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，2006:71-72.

［3］周惠潮，孙晓峰.常用电子器件及典型应用［M］.北京:电子工业出版社，2007:163-167.

［4］汤骐.基于微处理机的二极管反向恢复时间测试系统［J］.计量与测试技术，1995，22(6):29-31.

［5］王小海，祁才君，阮秉涛，等.集成电子技术基础·下册(第二版)［M］.北京:高等教育出版社，2008:36-44.

［6］胡汉才.单片机原理及其接口技术(第二版)［M］.北京:清华大学出版社，2004:320-324.

［7］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006:156-167.

［8］蒋延彪.单片机原理及应用:MCS-51［M］.重庆:重庆大学出版社，2003:152-162.

［9］刘瑞新.单片机原理及应用教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003:158-159.

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