半導體功率器件測試用脈沖高壓源的設計與實現

高子興，趙昭，李潔，沙長濤，高峰

（1.中國電子技術標準化研究院，北京 100176；2.山東科技大學，山東 青島 266000）

0 引言

近年來，脈沖高壓技術在電力裝備、等離子放電、腫瘤治療等領域廣泛應用，在功率半導體器件參數測量方面也發揮著重要的作用。脈沖高壓源是功率半導體器件測試的關鍵設備，主要用于測量功率半導體器件擊穿電壓VCES（VBR）、截止電流（ICES）等靜態參數，其性能指標會影響到功率半導體器件靜態參數測量的準確性。目前，廣泛應用的功率半導體器件主要有二極管、三極管、MOSFET和IGBT等。因自身特性的不同，使其在參數測量時施加的脈沖高壓幅值和寬度也不相同。例如，在測量MOSFET的擊穿電壓VDSS（VBR）時，所施加的脈沖高壓可達2000 V，測量功率IGBT模塊的擊穿電壓VCES（VBR）時，所施加的脈沖高壓可達4500 V，甚至可高達6500 V，其脈沖寬度在300μs～10 ms之間。因此研究設計一種輸出脈沖電壓范圍廣且幅值和寬度可調的脈沖高壓源對功率半導體器件測試具有重要意義。

目前，脈沖高壓的產生方式主要包括直線型變壓器驅動源電路和Marx發生器［1-8］。前者因受到變壓器磁芯飽和的影響，輸出脈沖寬度有限，無法滿足功率半導體器件測試要求，因此多采用Marx發生器原理研制用于功率半導體器件測試的脈沖高壓源。Marx發生器原理是對多個電容并聯充電，然后電容串聯放電，實現輸出電壓瞬間倍增。通過將固態開關MOSFET與Marx發生器相結合［9-11］，利用其快速導通、關閉和耐高壓的特性，可實現脈沖高壓源的輸出幅值、寬度連續可調。例如，程顯、卓遠等人［12］基于Marx發生器原理研制了一種脈沖幅值0～4300 V可調，脈沖寬度0.3～5μs可調的脈沖高壓源。

為滿足功率半導體器件測試對脈沖高壓源輸出脈沖幅值和寬度的需求，現基于Marx發生器基本原理，采用雙電源、快恢復二極管隔離充電模式，降低了對電源功率的要求，減小了充電損耗，同時也加快了電容的充電速度。為功率半導體器件參數測量提供了可靠的脈沖高壓源。

1 系統組成及工作原理

本脈沖高壓源系統由單片機控制器、改進型Marx脈沖發生模塊、充電電源模塊、充放電采樣模塊、電源模塊、通訊模塊以及上位機組成，系統組成如圖1所示。

圖1 脈沖高壓源基本組成Fig.1 Basic composition of pulse high voltage source

脈沖高壓源系統工作原理為：單片機控制器接收到上位機設定的脈沖電壓幅值、寬度數據后，將脈沖幅值數據進行處理，并通過通訊模塊傳輸到充電電源模塊。充電電源沖發生模塊充電，在此過程中，充放電采樣模塊會實時監測改進型Marx脈沖發生模塊儲能電容的電壓值。當充放電采樣模塊檢測到電壓值與單片機控制器的設定值相等時，單片機控制器控制充電電源模塊停止充電，同時向改進型Marx脈沖發生模塊發送放電信號，控制放電時間。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要由單片機控制器及外圍電路模塊、改進型Marx脈沖發生模塊、充電電源模塊、充放電采樣模塊、電源模塊、通訊模塊等部分構成。

2.1 單片機控制器及外圍電路模塊

單片機控制器選用STM32F103C8T6單片機，其CPU最大工作頻率為72 MHz，內部集成了3個UART接口、8個定時器、12位ADC、2個SPI接口等，價格低、運行速度快，可以滿足系統應用的需求。

外圍電路分為供電電路、晶振、UART接口、電壓轉換電路等部分。其中STM32F103C8T6供電電壓為2.0～3.6 V，其余器件均為5 V工作電壓。為給模塊提供穩定的電壓供給，采用三端穩壓芯片LM7805和REF3033。將市電經過變壓器降壓、整流、濾波后得到穩定的12 V直流電壓，然后通過LM7805和REF3033得到穩定的5 V和3.3 V電壓。

2.2 充電電源模塊

該充電電源模塊采用現有的程控線性直流電源，通過與單片機控制器進行數據傳遞，輸出不同幅值的直流電壓對改進型Marx脈沖發生模塊充電，從而實現脈沖高壓源輸出脈沖幅值的連續可調。

該脈沖高壓源處于工作狀態時，最大輸出UOUT=2nUDC，n=4，所以UDC=1000 V。能量傳輸過程一般存在5%左右的損耗［12］，因此充電電源的輸出功率PC應滿足

式中：f為輸出脈沖電壓頻率，Hz；tW為輸出脈沖電壓寬度，占空比約為2%。

將UOUT=2nUDC代入式（1），得到單個充電電源輸出功率PC應滿足

根據式（2）計算得到單個充電電源功率應滿足PC≥337 W。若充電電源功率太小，則在充電過程中充電電流太小，導致充電時間過長，因此充電電源的功率相對要大一些，盡量縮短對儲能電容的充電時間。本模塊選用程控線性直流電源HLU100H05DA，其最大輸出電壓1100 V，額定功率500 W，可滿足設計要求。

2.3 改進型Marx脈沖發生模塊

2.3.1 電路拓撲

基于全固態Marx發生器基本原理，采用雙電源模式，充電回路采用快速恢復二極管隔離，圖2為該改進型Marx發生器電路拓撲圖。

圖2 改進型Marx發生器電路拓撲Fig.2 Circuit topology of improved Marx generator

該脈沖發生模塊電路包括2個同極性充電電源UDC，限流電阻RS1～RS2，4級子模塊以及負載電阻RL組成。每級子模塊均由上臂充電回路、下臂充電回路和放電回路組成。其中，第1級子模塊包括2個儲能電容C1～C2，兩個開關管Q1，Q9和3個隔離快速恢復二極管D1～D3；第2級至第4級模塊共包含6個儲能電容C3～C8，7個開關管Q2～Q8，12個隔離快速恢復二極管D4～D15。

2.3.2 工作原理

改進型Marx發生器的工作原理如圖3所示。圖3（a）為該電路的上臂充電總回路，UDC經過限流電阻RS1、隔離二極管、開關管Q9為電容C2，C4，C6，C8充電。若將快恢復二極管視為理想狀態，則此時各儲能電容上的電壓均為UDC。

圖3（b）為該電路的下臂充電總回路，UDC經過限流電阻RS2、隔離二極管、開關管Q9為電容C1，C3，C5，C7充電，則此時各儲能電容上的電壓也均為UDC。

圖3（c）為該電路的同步放電總回路，當充電完畢時，充電電源斷開充電，單片機產生信號先控制開關管Q9關閉，后控制開關管Q1～Q7導通。在開關管Q1～Q7導通后，再控制主開關管Q8導通，使儲能電容C1～C8串聯同步放電。在放電過程中，通過單片機控制主開關管Q8的導通時間，進而控制輸出脈沖寬度。

圖3 改進型Marx發生器基本工作原理Fig.3 Basic working principle of improved Marx generator

理想狀態下，負載電阻RL上的輸出脈沖電壓為

式中：n為該發生器的級數。

2.3.3 參數選擇

該電路輸出脈沖電壓是否能夠滿足設計要求直接取決于儲能電容和開關管。其儲能電容的容值大小會直接影響脈沖高壓源充電時間以及輸出脈沖幅值的穩定度；而開關管的開啟、關斷時間將直接影響輸出脈沖波形的上升、下降時間。

該電路在充電完畢后，接收到單片機控制信號Q1～Q7導通時，電路中儲能電容的串聯電壓為

電路中儲能電容串聯后的等效電容C∈為

將式（4）、式（5）代入電容放電公式Ut=

令t為輸出脈沖寬度最大值tW=1000 μs，輸出脈沖穩定度為5%，取負載電阻RL=1 kΩ，則

將式（4）代入式（7）中，整理得到儲能電容值應滿足

代入數據計算得到儲能電容值C≥156μF。

從上下臂充電回路可看出，開關管充電過程中兩端電壓始終為UDC，所以開關管最大耐壓值應大于等于UDC，上升時間小于等于40 ns；在放電過程中，二極管承受最大反向電壓為6UDC，因此二極管的最大反向電壓大于等于6UDC。

2.4 充放電采樣模塊

2.4.1 工作原理

充放電采樣模塊功能是采集儲能電容和負載電阻兩端電壓，通過單片機內部ADC芯片轉換成數字量，再經過運算，計算出實際電壓值［13］，其電路如圖4所示。因為A1，A2為電壓跟隨器，所以Uo1=Vf+，Uo2=Vf-，因此減法器A3的反相輸入端為

圖4 充放電采樣電路Fig.4 Charge and discharge sampling circuit

同相輸入端為

根據減法器A3的減法原理并結合式（9）和式（10）得

令R39=R40，R41=R42，代入式（11）得

然后Uo3經分壓電阻R43和R44，將采樣電壓轉化為單片機內部AD芯片的電壓輸入范圍。

在電壓采樣過程中，儲能電容和負載電阻兩端電壓遠大于采樣模塊的電壓輸入范圍，因此需要對電壓進行分壓處理［14］。該模塊通過分壓電阻RS1，RS2，將儲能電容或負載電阻兩端的電壓成比例的轉化為采樣模塊電壓輸入范圍。在采集儲能電容兩端電壓時，為了避免放電過程中，儲能電容通過采樣電阻放電，影響輸出脈沖電壓的精度，采樣電阻RS1，RS2取值要大一些。根據電容放電公式

在電容值C不變的情況下，采樣電阻阻值R越大，放電越緩慢。當R取值合適時，其通過采樣電阻的放電量就十分小，對脈沖放電精度造成的影響可忽略不計。

2.4.2 元件選型

該模塊選用TI公司的OPA2277高精度運算放大器。其輸入失調電壓最大為20μV，輸入偏置電流最大為1 nA，同時在增益為0 dB時，可以保證0 Hz～1 MHz內信號不失真，充分保證電壓采樣的精度。模數轉換器采用STM32F103C8T6單片機內部集成的12位高精度AD轉換芯片，其單次轉換時間可達到1μs，完全可以滿足脈寬為200～1000μs之間電壓采集要求。

2.5 通訊模塊

該模塊通過單片機UART接口PA9，PA10與上位控制機通訊，采用串口芯片CH340將電平轉換為TTL電平。通訊格式設置為起始位和結束位各1位，數據位為8位，波特率為9600 b/s。為了確保數據傳輸的準確性，在數據發送前后分別加入起始符‘S’、結束符‘J’。

3 系統軟件設計

脈沖高壓源的軟件設計包括脈沖電壓發生程序和控制界面應用程序［15］兩部分。脈沖電壓發生程序由主程序和中斷子程序兩部分組成。開機時，主程序對變量、I/O端口以及UART等設置進行初始化，進入查詢標志位程序，然后進入待機狀態。中斷子程序包括UART中斷。系統運行時，單片機控制器UART中斷獲取脈沖電壓幅值、寬度數據，置位標志位。主程序查詢到標志位后，開始處理接收的數據，脈沖高壓源進入工作狀態。在脈沖放電完成后，上位機接收放電波形數據顯示出來，并清除標志位。中斷子程序運行框圖如圖5所示，主程序運行框圖如圖6所示。

圖5 中斷子程序運行框圖Fig.5 Interrupt subprogram block diagram

圖6 主程序運行框圖Fig.6 Main program block diagram

上位機應用程序是基于VB6.0進行設計［16］，程序應用界面如圖7所示。

圖7 上位機應用程序界面Fig.7 Upper computer application program interface

4 實驗結果

4.1 主要元件選擇

為驗證該脈沖高壓源工作原理及器件選型的正確性，根據上述原理搭建脈沖高壓源實物并進行測試，其主要元件的規格參數見表1。MOSFET型號選用美國安森美的半導體公司生產的NTH4L160N120SC1，其漏源擊穿電壓為1200 V，導通內阻0.224 Ω，最大上升時間20 ns；快恢復二極管選擇2CL71A，其承受最大反向電壓8000 V；儲能電容選用160 μF，耐壓1200 V的無感薄膜電容。另外采用實驗室現有的DPO-5204示波器對輸出脈沖進行數據驗證。

表1 主要元件參數Tab.1 Parameters of main components

4.2 測試驗證

將脈沖高壓源設置在不同充電電壓幅值、不同脈沖寬度下進行測試，通過示波器采集負載電阻脈沖電壓波形圖如圖8所示。

圖8 負載電阻脈沖電壓波形圖Fig.8 Pulse voltage waveform of load resistor

設置脈沖寬度為400 μs保持不變，在200～1000 V充電電壓下，該脈沖高壓源的輸出脈沖電壓波形如圖8（a）所示，可以看出輸出脈沖電壓幅值分別在1600，3200，4800，6400，8000 V左右，與式（3）中計算結果吻合，滿足UOUT=2nUDC，其輸出脈沖穩定度也比較好，達到設計要求。

設置輸出脈沖電壓幅值為5000 V保持不變，脈沖寬度分別設置為200，400，600，800，1000μs，該脈沖高壓源輸出脈沖波形如圖8（b）所示。可見輸出脈沖波形一致性較好，在此范圍內可實現脈沖寬度的連續調節。

如圖8（c）所示，輸出脈沖電壓幅值在4688 V時，脈沖上升時間大約在35 ns左右，滿足設計要求。

5 結束語

脈沖高壓源經過多次試驗測試，驗證了雙源充電模式以及固態開關同步放電電路的可行性，實現了輸出脈沖幅值、寬度的連續可調。測試結果表明，脈沖輸出最大幅值可達8000 V，最大脈寬可達1000μs，上升時間35 ns，可以實現對大部分MOSFET，IGBT等功率半導體器件參數的快速測量。