摘要：主要介紹了三極管反向偏壓安全工作區(qū)(RBSOA)測試儀的硬件結構和相應的軟件實現(xiàn)。該測試儀主要基于三極管的RBSOA及三極管的開關原理，并結合實際測試生產環(huán)境，設計了大功率電源供電電路、電流驅動電路、電壓箝位電路、電流電壓檢測電路、單片機控制電路以及PC機的用戶界面這6大模塊。該測試系統(tǒng)采用了電感誘導控制電流和箝位電路限壓，成功實現(xiàn)了對三級管集電極電流Ic和集電極-發(fā)射極電壓Vcc的控制；使用多點采樣法，實現(xiàn)了可靠的電流電壓檢測。經過長期對不同型號和同一型號不同狀況的三極管測試，成功驗證了測試儀的性能和可靠性。
關鍵詞：三極管；反向偏壓安全工作區(qū)；電感誘導；鉗位電路
0 引言
箝位本文介紹的三極管反向偏壓安全工作區(qū)(Reverse-Bias Safe Operating Area，RBSOA)檢測技術是一種新型的、具有專門性、高可靠性的檢測手段，廣泛應用于三極管性能的檢測，并得到業(yè)界的認可。目前專門用于檢測三極管在反向偏壓安全工作區(qū)性能狀況的儀器相對較少，而在國內還沒有這樣專門的儀器。相關的檢測儀器，如國內的一款BJ2923晶體管測試儀，只能檢測三極管的參數(shù)，如反向電壓Vceo，Vc bo等，卻無法檢測該三極管在極限參數(shù)工作下，性能是否有下降或損壞。雖然國外也出現(xiàn)過相關的檢測儀器，如韓國的EAS2100檢測儀，專門用來檢測場效應管(MOSFET)在雪崩能量下的性能狀況，操作簡單，性能可靠，但是只是僅限于MOSFET檢測檢測領域，沒有對三極管的檢測功能?？v觀現(xiàn)有的相關檢測儀器，不是技術檢測不成熟，就是針對性不強，發(fā)展專門針對三極管的反向偏壓安全工作區(qū)檢測技術，勢在必行。
本文基于三極管的反向偏壓安全工作區(qū)原理，設計研發(fā)了一款由電感誘導的三極管RBSOA測試儀。通過反向偏壓安全工作區(qū)判斷三極管的好壞，是一種全新的檢測方法。
l 三極管RBSOA測試技術概述
1．1 RBSOA
由于負載誘導，在關斷三極管的時候，負載端的高電壓與大電流將同時持續(xù)存在，持續(xù)時間主要取決于發(fā)射結的反向偏壓的大小。所以在關斷時集電極的電流電壓必須控制在三極管的可承受范圍以內，這即是晶體管的反向偏壓安全工作區(qū)，它表現(xiàn)為反偏關斷晶體管時的電流電壓值，如圖1所示。所以，RBSOA即晶體管在反向偏壓下能夠安全工作的區(qū)域。一般說來，晶體管的反向偏壓工作范圍是由其最大額定值(電壓、電流、溫度功率最大值)決定的。
在實際應用中，功率晶體管及其他半導體器件在應用中常常會受到一種被稱為“二次擊穿”現(xiàn)象的損壞，它表現(xiàn)為器件電壓自發(fā)地而且往往是突然的下降，以及突然發(fā)生內部電流集中。電壓降低和伴隨的電流增大會造成電路故障，而內部電流集中將會引起局部發(fā)熱，因而導致器件退化甚至完全失效。當晶體管工作于RBSOA內，則可以很好地避免“二次擊穿”的發(fā)生。
1．2 三極管RBSOA測試原理
三極管RBSOA測試的原理如圖2所示。
開關S先打到Ib1端，給測試管DUT提供正向基極Ib脈沖，使被測管導通。由于測試管工作于放大區(qū)，Ic=βIb，Ic上升，但由于線性電感Lc的作用，Ic隨時間線性上升，直到Ic達到預設定的值。然后將S打到Ib2端，反向抽取DUT基區(qū)的超量電荷，迫使DUT馬上關斷，加速Ic的下降。根據(jù)ε=L×dI／dt，Ic的快速下降將使電感兩端產生一個很高的感生電動勢，DUT的集電極上的電位也隨之升高。當Vce大于Vclamp時，Vce就會被箝位電路箝住，使Vce保持跟Vclamp相等。通過檢測Ic和Vclamp是否能達到預設的值(即三極管是否能在反向偏壓安全工作區(qū)內正常工作而不被擊穿)，就可以斷定被測管是否好管。
2 系統(tǒng)結構
由以上測試原理可知，本系統(tǒng)的特點是要實現(xiàn)三極管集電極電流和集電極-發(fā)射極反向偏壓可控、電流和電壓的迅速檢測并判斷以及對各種判斷結果做出相應處理，因此必須要求系統(tǒng)具有非常良好的可控性、可靠性、穩(wěn)定性和實時性。為了實現(xiàn)上述功能和特點，本測試儀劃主要分成6個模塊；驅動電路模塊、箝位電路模塊、電流電壓檢測模塊、MCU模塊、計算機／PC模塊和大功率電源模塊，結構框圖如圖3所示。
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2．1 驅動電路模塊(Ib模塊)
驅動電路模塊是整個測試過程的啟動因素，負責給被測三極管提供基極電流Ib，使被測三極管導通。在誘導電感Lc的作用下，通過控制Ib的持續(xù)時間可以實現(xiàn)對Ic大小的控制，使Ic達到預設的值。
為了實現(xiàn)Ic可控，并且能準確地達到預設值，這就要求Ib的啟動與關閉必須非常迅速。根據(jù)三極管的開關響應特性(見圖4)，為了使DUT快速導通，縮短開通時間ton，驅動電流必須具有一定幅值，前沿較陡的正向驅動電流，可加速DUT的導通；為加速DUT關斷，縮短關斷時間toff，驅動電流必須具有一定幅值的反向驅動電流。所以，根據(jù)RBSOA基本測試原理圖(圖2)，驅動電路模塊(Ib模塊)必須具備3個能力：一是必須具有0～3 A的正向驅動能力，即Ib1，對于大多數(shù)常用的三極管，0～3 A的驅動電流已能達到驅動的作用；二是具有一個有快速關斷能力的開關S，以保證DUT快速關斷；三是具有吸收反向電流Ib2的能力，這樣才能更好地減少DUT的關斷時間。理想的驅動電流如圖5所示。
實際的驅動電路輸出波形如圖6所示。由圖5與圖6可以看出，設計的驅動電路輸出的實際波形非常符合理論波形。[!--empirenews.page--]
2．2 箝位電路模塊
在開關晶體管加反向偏壓時，因為關斷時間會減少，根據(jù)ε=LdI／dt，集電極會產生一個很大的感生電動勢，此時應避免基極-發(fā)射極結發(fā)生雪崩現(xiàn)象。當二次擊穿發(fā)生時，利用保護電路轉移DUT中的電流，以避免損壞被測器件，使系統(tǒng)能夠無損測試，這就是箝位電路的主要作用之一。
箝位電路的作用之二是實現(xiàn)DUT集電極一發(fā)射極電壓Vce可控。在Ic電流急劇下降的過程中，電感Lc的自感作用將使DUT集電極打上一個很高的電位。所以當Vce大于箝位電路的箝位電壓Vclamp時，箝位電路將通過電阻電容消耗掉超出Vclamp的部分，使Vce保持與Vclamp相等。圖7中間處的一個脈沖就是Vce的檢測波形(線性上升部分的波形是Ic的波形)。由圖7可知，箝位電路的箝位作用很強，波形的頂端非常平坦，Vce可以很穩(wěn)定地被鉗在一定幅值上。
箝位電路的箝位電壓可以通過DA用0～5 V的低壓來實現(xiàn)對0～800 V大范圍電壓的線性調節(jié)，以適應多種三極管反向偏壓的測量。
2．3 電流電壓檢測模塊
電壓電流檢測模塊結構示意圖如圖8所示，它包含了電壓檢測模塊與電流檢測模塊。電壓檢測模塊負責檢測Vce，電流檢測模塊負責檢測Ic，然后把檢測到的信號送到比較器做比較，得到的比較信號再送MCU處理，處理結果分別送往LCD和PC機的LabVIEW界面。
由于要檢測的Ic和Vce信號持續(xù)時間非常短，最小持續(xù)時間僅有5μs，因此對比較器的響應速度提出了很高要求。由文獻可以看出MAX901是一款響應速度非?？斓谋容^器，從輸入到輸出，典型的響應時間是10 ns，足以滿足測量需求。
2．4 MCU模塊
MCU模塊是測試儀的核心模塊，在測試儀中起到主導作用，控制著整個系統(tǒng)的運行。同時還起到仲裁作用，根據(jù)系統(tǒng)不同的運行情況和不同的檢測結果，決定系統(tǒng)以后不同的運行步驟。另外，MCU模塊還起到了橋梁的作用，聯(lián)系和協(xié)調了系統(tǒng)各個模塊之間的運作。
2．5 計算機／PC模塊
PC模塊負責與電壓電流檢測模塊通訊，并提供人性化的操作界面(LabVIEW)。圖9為系統(tǒng)的LabVIEW面板。在這個面板上，可以設置基極驅動電流、箝位電壓等的初始值。而且，可以從面板上控制測試的開始，并顯示測試的結果。
2．6 大功率電源模塊
電源模塊為整個系統(tǒng)提供可靠電源，電路設計主要采用三端集成穩(wěn)壓器為控制電路供電，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路為負載電感等大功率電路供電，保證了電路大功率供電和各個模塊和芯片電源電壓穩(wěn)定供電的要求。
3 系統(tǒng)軟件算法的實現(xiàn)
3．1 控制軟件流程
控制軟件的流程主要是指MCU處理事件先后順序的流程?？刂栖浖牧鞒淌前凑找话愕臏y試流程進行的，具體的流程圖如圖10所示。
3．2 多點采樣法判斷檢測結果
在實際生產應用中，測試儀所處環(huán)境存在很大電磁干擾。在判斷Ic和Vce是否達到預設值時，如果采用單點檢測法來進行判斷，則往往難以區(qū)分負載產生的高壓與干擾產生的脈沖電壓，從而導致檢測結果不可靠。為了有效地避免這個問題，本系統(tǒng)采用多點采樣法來進行判斷，大大提高了檢測結果的可靠性。
多點采樣法即是對比較器的輸出端進行連續(xù)多次的采樣，并對采樣結果進行處理分析，在檢測到Ic值達到設定值的90％后開始連續(xù)采樣，以確定是否由于干擾而產生的單個脈沖電壓，在Ic開始下降后開始對Vce連續(xù)采樣，同樣排除了干擾脈沖的可能，這樣一來就實現(xiàn)了對Ic和Vce的可靠檢測，使得檢測結果的可靠性得以大大提高。
4 結語
本系統(tǒng)完成了整個三極管RBSOA測試儀的硬件和軟件的設計和實現(xiàn)。通過控制驅動電路的開啟時間來控制測試大電流和用D／A控制箝位電壓范圍，實現(xiàn)了對三極管的測試電流和電壓可控操作，真正做到了無損測試。本系統(tǒng)設計了大范圍的測試電流、測試電壓可調電路，以滿足多種不同型號的三極管測試要求；設計了多點采樣檢測法，避免了由于實際生產的惡劣環(huán)境導致對檢測結果產生誤判的現(xiàn)象發(fā)生，大大提高了測試的可靠性；設計了人性化的軟件界面，做到了使用方便，操作簡單，容易掌握。經過長期、大量的測試，本儀器已經真正實現(xiàn)了適應生產應用的測試環(huán)境和測試要求。
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