三极管RBSOA测试仪的设计与实现

摘要：主要介绍了三极管反向偏压安全工作区(RBSOA)测试仪的硬件结构和相应的软件实现。该测试仪主要基于三极管的RBSOA及三极管的开关原理，并结合实际测试生产环境，设计了大功率电源供电电路、电流驱动电路、电压箝位电路、电流电压检测电路、单片机控制电路以及PC机的用户界面这6大模块。该测试系统采用了电感诱导控制电流和箝位电路限压，成功实现了对三级管集电极电流Ic和集电极-发射极电压Vcc的控制；使用多点采样法，实现了可靠的电流电压检测。经过长期对不同型号和同一型号不同状况的三极管测试，成功验证了测试仪的性能和可靠性。
关键词：三极管；反向偏压安全工作区；电感诱导；钳位电路

0 引言
箝位本文介绍的三极管反向偏压安全工作区(Reverse-Bias Safe Operating Area，RBSOA)检测技术是一种新型的、具有专门性、高可靠性的检测手段，广泛应用于三极管性能的检测，并得到业界的认可。目前专门用于检测三极管在反向偏压安全工作区性能状况的仪器相对较少，而在国内还没有这样专门的仪器。相关的检测仪器，如国内的一款BJ2923晶体管测试仪，只能检测三极管的参数，如反向电压Vceo，Vc bo等，却无法检测该三极管在极限参数工作下，性能是否有下降或损坏。虽然国外也出现过相关的检测仪器，如韩国的EAS2100检测仪，专门用来检测场效应管(MOSFET)在雪崩能量下的性能状况，操作简单，性能可靠，但是只是仅限于MOSFET检测检测领域，没有对三极管的检测功能。纵观现有的相关检测仪器，不是技术检测不成熟，就是针对性不强，发展专门针对三极管的反向偏压安全工作区检测技术，势在必行。
本文基于三极管的反向偏压安全工作区原理，设计研发了一款由电感诱导的三极管RBSOA测试仪。通过反向偏压安全工作区判断三极管的好坏，是一种全新的检测方法。

l 三极管RBSOA测试技术概述
1．1 RBSOA
由于负载诱导，在关断三极管的时候，负载端的高电压与大电流将同时持续存在，持续时间主要取决于发射结的反向偏压的大小。所以在关断时集电极的电流电压必须控制在三极管的可承受范围以内，这即是晶体管的反向偏压安全工作区，它表现为反偏关断晶体管时的电流电压值，如图1所示。所以，RBSOA即晶体管在反向偏压下能够安全工作的区域。一般说来，晶体管的反向偏压工作范围是由其最大额定值(电压、电流、温度功率最大值)决定的。

在实际应用中，功率晶体管及其他半导体器件在应用中常常会受到一种被称为“二次击穿”现象的损坏，它表现为器件电压自发地而且往往是突然的下降，以及突然发生内部电流集中。电压降低和伴随的电流增大会造成电路故障，而内部电流集中将会引起局部发热，因而导致器件退化甚至完全失效。当晶体管工作于RBSOA内，则可以很好地避免“二次击穿”的发生。
1．2 三极管RBSOA测试原理
三极管RBSOA测试的原理如图2所示。

开关S先打到Ib1端，给测试管DUT提供正向基极Ib脉冲，使被测管导通。由于测试管工作于放大区，Ic=βIb，Ic上升，但由于线性电感Lc的作用，Ic随时间线性上升，直到Ic达到预设定的值。然后将S打到Ib2端，反向抽取DUT基区的超量电荷，迫使DUT马上关断，加速Ic的下降。根据ε=L×dI／dt，Ic的快速下降将使电感两端产生一个很高的感生电动势，DUT的集电极上的电位也随之升高。当Vce大于Vclamp时，Vce就会被箝位电路箝住，使Vce保持跟Vclamp相等。通过检测Ic和Vclamp是否能达到预设的值(即三极管是否能在反向偏压安全工作区内正常工作而不被击穿)，就可以断定被测管是否好管。

2 系统结构
由以上测试原理可知，本系统的特点是要实现三极管集电极电流和集电极-发射极反向偏压可控、电流和电压的迅速检测并判断以及对各种判断结果做出相应处理，因此必须要求系统具有非常良好的可控性、可靠性、稳定性和实时性。为了实现上述功能和特点，本测试仪划主要分成6个模块；驱动电路模块、箝位电路模块、电流电压检测模块、MCU模块、计算机／PC模块和大功率电源模块，结构框图如图3所示。

2．1 驱动电路模块(Ib模块)
驱动电路模块是整个测试过程的启动因素，负责给被测三极管提供基极电流Ib，使被测三极管导通。在诱导电感Lc的作用下，通过控制Ib的持续时间可以实现对Ic大小的控制，使Ic达到预设的值。

为了实现Ic可控，并且能准确地达到预设值，这就要求Ib的启动与关闭必须非常迅速。根据三极管的开关响应特性(见图4)，为了使DUT快速导通，缩短开通时间ton，驱动电流必须具有一定幅值，前沿较陡的正向驱动电流，可加速DUT的导通；为加速DUT关断，缩短关断时间toff，驱动电流必须具有一定幅值的反向驱动电流。所以，根据RBSOA基本测试原理图(图2)，驱动电路模块(Ib模块)必须具备3个能力：一是必须具有0～3 A的正向驱动能力，即Ib1，对于大多数常用的三极管，0～3 A的驱动电流已能达到驱动的作用；二是具有一个有快速关断能力的开关S，以保证DUT快速关断；三是具有吸收反向电流Ib2的能力，这样才能更好地减少DUT的关断时间。理想的驱动电流如图5所示。