一种基于继电器重构反馈路径的多量程双极性高压闭环源测系统及方法

本发明涉及高压源测，具体涉及一种基于继电器重构反馈路径的多量程双极性高压闭环源测系统及方法。

背景技术：

1、在半导体器件、功率器件、绝缘器件以及高压电子器件的参数测试中，电流-电压特性测试，即i-v特性测试，是评估器件性能的重要手段。对于sic、gan等宽禁带功率器件，其耐压高、工作电压范围宽、漏电流跨度大，因此测试设备通常需要同时具备高压输出能力、双极性输出能力、电流/电压测量能力、多量程切换能力以及稳定闭环控制能力。

2、现有源测系统通常包括两种基本工作模式：强制电压测量电流模式，即fv模式，系统向被测器件施加设定电压，并测量被测器件在该电压下产生的响应电流。强制电流测量电压模式，即fi模式，系统向被测器件施加设定电流，并测量被测器件两端形成的响应电压。

3、在高压源测系统中，为了实现较高电压输出，现有技术中通常采用高压运算放大器、线性高压放大器、级联mosfet输出级或者高压电源模块作为高压激励单元。为了扩展测试范围，现有技术中也会采用多量程电阻网络、分压网络或者多档采样电阻实现电压或电流测量。

4、与本发明较接近的实现方案可以概括为：一种多量程高压闭环源测系统，包括低压控制模块、高压激励模块、被测器件接口、反馈采样模块和模数转换模块。低压控制模块通过dac输出参考信号，高压激励模块根据参考信号产生高压输出，反馈采样模块采集输出电压或输出电流信息，并经adc返回控制器，控制器根据目标值与反馈值之间的误差进行闭环调节。

5、部分现有方案中，高压激励模块采用级联mosfet输出结构，以降低单个mosfet承受的电压应力；反馈模块采用不同电阻网络或采样电阻实现不同量程；系统支持fv模式和fi模式，用于实现高压i-v特性测试。

6、然而，现有方案在fv/fi双模式、多量程切换和双极性高压闭环控制结合时，仍然存在反馈路径不一致、量程校准复杂、高压切换可靠性不足以及闭环补偿参数难以统一等问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于继电器重构反馈路径的多量程双极性高压闭环源测系统及方法，本发明通过继电器重构反馈单元、安全切换控制模块与闭环控制单元的协同，利用统一采集的采样电阻电压及动态匹配的控制参数，解决了多量程双极性高压切换中反馈路径不一致与闭环稳定性差的难题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于继电器重构反馈路径的多量程双极性高压闭环源测系统，其特征在于，包括上位机、低压数字控制单元、高压激励单元、被测器件接口、继电器重构反馈单元、闭环控制单元和安全切换控制模块；

4、所述上位机与低压数字控制单元通信连接，用于下发测试参数并接收测试结果；

5、所述低压数字控制单元分别与继电器重构反馈单元、闭环控制单元和安全切换控制模块连接；低压数字控制单元包括数模转换器、控制器和模数转换器；所述控制器用于根据测试参数确定目标值、目标工作模式、目标测量量程和目标输出极性；将目标值发送至数模转换器，向继电器重构反馈单元发送模式选择指令和量程选择指令，以及向安全切换控制模块发送切换请求；所述数模转换器用于将接收到的目标值转换为模拟参考信号后发送至闭环控制单元；所述模数转换器用于接收来自继电器重构反馈单元的模拟反馈信号，将其转换为数字反馈信号后发送至闭环控制单元；

6、所述高压激励单元包括正高压输出支路、负高压输出支路以及输出极性选择与驱动互锁单元；所述正高压输出支路和负高压输出支路连接至公共高压输出节点；

7、所述继电器重构反馈单元包括模式切换单元、量程采样电阻切换单元和信号调理单元；所述信号调理单元用于采集被选中的采样电阻两端的差分电压，并进行信号处理形成所述模拟反馈信号；

8、所述闭环控制单元包括反馈量换算模块和闭环补偿模块；反馈量换算模块存储有换算系数表，闭环补偿模块存储有闭环补偿参数表；闭环控制单元用于接收模拟参考信号及数字反馈信号，调用换算系数表及补偿参数表，将模拟参考信号与换算得到的反馈量进行比较，生成闭环控制量，并将所述闭环控制量发送至高压激励单元，调节公共高压输出节点的输出；

9、所述安全切换控制模块分别与低压数字控制单元、高压激励单元和继电器重构反馈单元连接，用于根据切换请求，执行输出极性切换、工作模式切换和测量量程切换。

10、优选地，所述模式切换单元包括fv模式继电器和fi模式继电器，fv模式继电器和fi模式继电器不能同时闭合；模式切换单元仅在接收到安全切换控制模块提供的切换许可后执行切换操作，切换时按照先断开当前模式继电器、再闭合目标模式继电器的顺序动作。

11、优选地，所述量程采样电阻切换单元包括多个不同阻值的采样电阻、多个量程选择继电器和量程互锁单元；在强制电压测量电流模式下，量程采样电阻切换单元将高阻电压采样电阻网络并联至被测器件两端；在强制电流测量电压模式下，量程采样电阻切换单元将电流采样电阻串联至被测器件的回路中；量程互锁单元用于禁止多个量程选择继电器同时闭合；量程采样电阻切换单元仅在接收到安全切换控制模块提供的切换许可后执行切换操作，切换时按照先断开当前量程选择继电器、再闭合目标量程选择继电器的顺序动作。

12、优选地，所述安全切换控制模块执行切换操作时具体包括：

13、控制高压激励单元降低闭环控制量或进入零输出、高阻或预设安全电压状态；检测输出电压和/或输出电流满足预设安全阈值；接收高压激励单元反馈的驱动状态、过流状态、过压状态及支路互锁状态，以及继电器重构反馈单元反馈的模式继电器状态、量程选择继电器状态及互锁状态；在确认所述实际状态与目标状态一致后，允许继电器重构反馈单元执行切换；切换完成后校验继电器实际状态与目标状态的一致性，一致则恢复闭环控制，不一致则禁止恢复高压输出并返回故障状态。

14、优选地，所述信号调理单元包括仪表放大器、低通滤波电路、过压保护电路和电平转换电路，仪表放大器采集被选中的采样电阻两端的差分电压后，依次经低通滤波电路滤波、过压保护电路限压、电平转换电路电平转换后，形成满足模数转换器输入范围的模拟反馈信号。

15、优选地，所述反馈量换算模块根据工作模式和对应量程的反馈增益系数和反馈偏置系数，计算反馈量，具体为：

16、在强制电压测量电流模式下，调用对应量程的电压反馈增益系数和电压反馈偏置系数，按公式换算得到电压反馈量；其中，表示电压反馈量，表示被选中采样电阻两端电压；

17、在强制电流测量电压模式下，调用对应量程的电流反馈增益修正系数和电流反馈偏置系数，按公式换算得到电流反馈量；其中，表示电流反馈量；表示第j个采样电阻的阻值。

18、优选地，所述闭环补偿模块存储的闭环补偿参数表包含与不同工作模式、不同测量量程、不同输出极性对应的比例参数、积分参数、微分参数、输出限幅参数、斜率限制参数、采样滤波参数和稳定判定参数。

19、优选地，所述正高压输出支路包括多个串联的正向级联mosfet及对应设置的均压与保护电路，连接至+1100v正高压母线；所述负高压输出支路包括多个串联的负向级联mosfet及对应设置的均压与保护电路，连接至-1100v负高压母线；所述输出极性选择与驱动互锁单元用于防止正高压输出支路和负高压输出支路同时接收有效驱动信号。

20、优选地，闭环控制单元还用于向低压数字控制单元反馈闭环状态、稳定状态和故障状态；

21、所述稳定状态的判据为：在连续预设数量的采样周期内，目标值与反馈量的误差绝对值均小于预设误差阈值，且相邻采样周期的反馈量变化量均小于预设波动阈值时，判定输出达到稳定状态。

22、本发明具备的有益效果是：

23、（1）本发明通过继电器重构反馈单元重构反馈路径，强制电压测量电流（fv）模式与强制电流测量电压（fi）模式下均采集被选中的采样电阻两端电压作为反馈信号，降低不同模式下反馈路径的差异造成的闭环补偿复杂度，解决现有方案反馈路径不一致的缺陷。

24、（2）本发明由安全切换控制模块安全地执行切换流程，切换前控制高压激励单元进入零输出、高阻或预设安全电压状态，执行先断开当前继电器、再闭合目标继电器的切换顺序，校验继电器状态、驱动状态与目标状态一致性后再允许切换动作；进一步结合输出极性选择与驱动互锁单元，防止正、负高压输出支路同时导通，解决现有方案高压切换可靠性不足的缺陷。

25、（3）本发明的闭环控制单元基于当前工作模式、测量量程及输出极性，动态调用换算系数表与闭环补偿参数表生成闭环控制量，无需针对不同模式、量程、极性单独开展人工校准，解决现有方案量程校准复杂的问题，且保障了反馈量换算的准确性。

26、（4）本发明的高压激励单元采用正/负高压输出支路的级联mosfet结构及均压与保护电路，支持±1100v双极性高压输出；通过多量程采样电阻进行切换，fv模式下匹配不同高阻电压采样电阻网络，fi模式下匹配不同电流采样电阻，可适配多种宽禁带功率器件的高压i-v特性测试需求。