用于测量氮化物基开关装置的动态导通电阻的设备和方法与流程

1.本发明大体上涉及一种氮化物基开关装置。更确切地说，本发明涉及一种用于测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的设备和方法。


背景技术：

2.由于宽带隙和快速开关转变，基于氮化镓(gan)的装置已经广泛地用于各种电能转换系统。在功率转换中，gan装置损耗模型的准确建立对于优化电路设计和增加功率密度很重要。gan导通损耗占总导通损耗的重要部分，其对于总导通损耗的准确建模非常重要。归因于gan装置的特性，动态导通电阻在功率转换中受例如结温度、栅极驱动电压、漏极-源极电压等因素影响。可在装置导通间隔期间通过将漏极-源极电压除以漏极-源极电流来获得动态导通电阻。漏极-源极电压可由示波器直接测量。然而，因为gan装置的漏极-源极电压量值可在断开状态下的几百伏到接通状态下的几毫伏的范围内变化，所以示波器测量过程中可能发生过冲，且难以获得准确的测试结果。因此，需要一种测试系统，其可解决gan装置的动态导通电阻的测量过程中的过冲问题使得可建立准确的功率损耗模型。


技术实现要素：

3.根据本公开的一个方面，提供一种用于测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的设备，所述氮化物基被测装置包括连接到控制器的控制端子，所述控制器被配置成生成用以接通和切断所述dut的控制信号。所述设备包括：输入接口，其包括被配置成用于电连接到dut的第一导通端子的第一输入节点、被配置成用于电连接到dut的第二导通端子的第二输入节点；输出接口，其包括被配置成用于电连接到电信号监测设备的第一信号输入节点的第一输出节点，以及连接到被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点，且所述第二输出节点连接到第二输入节点；第一箝位模块，其包括控制端子、电连接到第一输入节点的第一导通端子，和电耦合到第一输出节点的第二导通端子；第二箝位模块，其包括电连接到第一输出节点的第一端子，和电连接到第二输出节点的第二端子；以及驱动模块，其包括电连接到第一输入节点的输入端子，和电连接到第一箝位模块的控制端子的输出端子。驱动模块被配置成：感测dut的状态改变；以及基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块的控制信号，使得当dut处于接通状态时，跨第一和第二输出节点的输出电压经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
4.根据本公开的另一方面，提供一种用于测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的设备，所述氮化物基被测装置包括连接到控制器的控制端子，所述控制器被配置成生成用以接通和切断所述dut的控制信号。所述设备包括：输入接口，其包括被配置成用于电连接到dut的第一导通端子的第一输入节点、被配置成用于电连接到dut的第二导通端子的第二输入节点；输出接口，其包括被配置成用于电连接到电信号监测设备的第一信号输入节点的第一输出节点，以及被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点，所述第二输出节点连接到第二输入节点；第一箝位模块，其包括控制端
子、电连接到第一输入节点的第一导通端子，和电耦合到第一输出节点的第二导通端子；第二箝位模块，其包括控制端子、电连接到第一输出节点的第一导通端子，和电连接到第二输出节点的第二导通端子；以及驱动模块，其包括电连接到第一输入节点的输入端子、电连接到第一箝位模块的控制端子的第一输出端子，和电连接到第二箝位模块的控制端子的第二输出端子。所述驱动模块被配置成：感测dut的状态改变；以及基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块的第一控制信号，以及用以在第一箝位模块接通之前接通第二箝位模块并在第一箝位模块切断之后切断第二箝位模块的第二控制信号，使得跨第一和第二输出节点的输出电压经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
附图说明
5.通过参看附图从以下详细描述可以容易地理解本公开的各方面。图示可能未必按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，可以任意增大或缩小各种特征的尺寸。归因于制造工艺和容差，本公开中的艺术再现和实际设备之间可能存在区别。可在整个图式和具体实施方式中使用共同参考标号来指示各个实施例中的相同或类似组件。
6.图1描绘根据本技术的对比实施例的动态导通电阻测量电路；
7.图2描绘根据本技术的一实施例的动态导通电阻测量设备以及其如何经实施以测量氮化物基被测装置(dut)的导通电阻的电路框图；
8.图3描绘第一箝位模块以及其如何实施于图2的测量设备中的示例性电路；
9.图4描绘第二箝位模块以及其如何实施于图2的测量设备中的示例性电路；
10.图5描绘第二箝位模块以及其如何实施于图2的测量设备中的另一示例性电路；
11.图6描绘图2的测量设备中的驱动模块的示例性电路；
12.图7描绘图2的测量设备中的驱动模块的另一示例性电路；
13.图8描绘根据本技术的另一实施例的动态导通电阻测量设备以及其如何经实施以测量氮化物基被测装置(dut)的导通电阻的电路框图；
14.图9描绘第一箝位模块以及其如何实施于图8的测量设备中的示例性电路；
15.图10描绘第二箝位模块以及其如何实施于图8的测量设备中的示例性电路；
16.图11描绘图8的测量设备中的驱动模块的示例性电路；
17.图12描绘图8的测量设备中的驱动模块的另一示例性电路；
18.图13描绘根据本发明的一个实施例用于利用测量设备测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的方法的流程图；以及
19.图14描绘根据本发明的另一实施例用于利用测量设备测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的方法的流程图。
具体实施方式
20.在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施例。可省略特定细节以免使本公开模糊不清；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
21.图1描绘根据本技术的对比实施例的动态导通电阻测量电路。在此对比实施例中，微控制器单元(mcu)用于经由驱动器驱动测试中的gan电力装置q1以及开关装置q2以有效
地箝位待由示波器测量的gan电力装置q1的漏极到源极电压。有源箝位电路可提供比无源箝位电路更高的测量准确性，因为测得的电压独立于二极管温度，但其成本相对高，这是由于需要具有用于使q2与q1同步的同步功能的特殊mcu。
22.图2描绘根据本技术的一实施例的动态导通电阻测量设备100a以及其如何经实施以测量氮化物基被测装置(dut)200的导通电阻的电路框图。
23.如所展示，dut 200可具有电连接到dc电力供应器(未图示)的第一导通端子201、电连接到接地的第二导通端子202，以及电连接到控制器模块220的输出端子221的控制端子203。控制器模块220可被配置成生成用以接通和切断dut 200的控制信号。
24.在一些实施例中，dut 200可以是algan/gan增强型场效应晶体管(fet)装置，其具有漏极为第一导通端子201、源极为第二导通端子202，以及栅极为控制端子203。
25.测量设备100a可包括输入接口，所述输入接口包括被配置成用于电连接到dut 200的第一导通端子201的第一输入节点111、被配置成用于电连接到dut 200的第二导通端子202的第二输入节点112，以及被配置成用于电连接到控制器模块220的输出端子221的控制输入节点113。
26.测量设备100a可进一步包括输出接口，所述输出接口包括被配置成用于电连接到电信号监测设备(未图示)的第一信号输入节点的第一输出节点191，以及电连接到第二输入节点且被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点192。电信号监测设备可以是示波器，或用于监测来自测量设备100a的电信号波形的任何信号分析仪。
27.测量设备100a可进一步包括第一箝位模块110，其包括控制端子、第一导通端子和第二导通端子。第一箝位模块110的第一导通端子电连接到第一输入节点111。第一箝位模块110的第二导通端子电耦合到第一输出节点191。
28.测量设备100a可进一步包括第二箝位模块150a，其包括第一端子和第二端子。第二箝位模块150a的第一端子电连接到第一输出节点111。第二箝位模块150a的第二端子电连接到第二输出节点191。
29.测量设备100a可进一步包括驱动模块130a，其包括输入端子和输出端子。驱动模块130a的输入端子电连接到第一输入节点。驱动模块130a的输出端子电连接到第一箝位模块110的控制端子。
30.驱动模块130a可被配置成：感测dut 200的状态改变；以及基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块110a的控制信号vctrl，使得当dut处于接通状态时，跨第一和第二输出节点191、192的输出电压vout经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
31.参看图3，第一箝位模块110可包括晶体管q3，其具有连接到驱动模块130a的输出端子的栅极、连接到第一输入节点111的漏极，和连接到第一输出节点191的源极。
32.参看图4，第二箝位模块150a可包括一对肖特基势垒二极管d1、d2，其反并联连接在第一输出节点191和第二输出节点192之间。或者，参看图5，第二箝位模块150a包括一对晶体管q4、q5。晶体管q4可具有短接在一起且连接到第一输出节点191的栅极和源极，以及连接到第二输出节点192的漏极。晶体管q5可具有短接在一起且连接到第二输出节点192的栅极和源极，以及连接到第一输出节点191的漏极。
33.参看图6，驱动模块130a可包括比较器u1、边缘检测器u2、反相器u3、触发器u、or门
u5和放大器u6。比较器u1可具有连接到第一输入节点111的反相输入，和连接到第二输入节点112的非反相输入。边缘检测器u2可具有连接到第一输入节点111的第一输入，和连接到第二输入节点112的第二输入。反相器u3可具有连接到比较器u1的输出的输入。触发器u4可具有连接到比较器u1的输出的数据输入，和连接到边缘检测器u2的输出的时钟输入。or门u5可具有连接到反相器u3的输出的第一输入，和连接到触发器u4的输出的第二输入。放大器u6可具有连接到or门u5的输出的输入，和连接到第一箝位模块的控制端子(也就是说，充当驱动模块130a的输出端子)的输出。
34.参看图7，可选地，驱动模块130a可进一步包括：延迟电路u7，其连接于反相器u3和or门u5之间；以及延迟电路u8，其连接于触发器u4和or门u5之间。也就是说，延迟电路u7可具有连接到反相器u3的输出的输入。延迟电路u8可具有连接到触发器u4的输出的输入。or门u5可具有连接到延迟电路u7的输出的第一输入，和连接到延迟电路u8的输出的第二输入。
35.图8描绘根据本技术的另一实施例的动态导通电阻测量设备100b以及其如何经实施以测量氮化物基被测装置(dut)200的导通电阻的电路框图。
36.测量设备100b可包括输入接口，所述输入接口包括被配置成用于电连接到dut 200的第一导通端子201的第一输入节点111、被配置成用于电连接到dut 200的第二导通端子202的第二输入节点112，以及被配置成用于电连接到控制器模块220的输出端子221的控制输入节点113。
37.测量设备100b可进一步包括输出接口，所述输出接口包括被配置成用于电连接到电信号监测设备(未图示)的第一信号输入节点的第一输出节点191，以及电连接到第二输入节点且被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点192。电信号监测设备可以是示波器，或用于监测来自测量设备100b的电信号波形的任何信号分析仪。
38.测量设备100b可进一步包括第一箝位模块110，其包括控制端子、第一导通端子和第二导通端子。第一箝位模块110的第一导通端子电连接到第一输入节点111。第一箝位模块110的第二导通端子电耦合到第一输出节点191。
39.测量设备100b可进一步包括第二箝位模块150b，其包括控制端子、第一导通端子和第二导通端子。第二箝位模块150b的第一导通端子电连接到第一输出节点111。第二箝位模块150b的第二导通端子电连接到第二输出节点191。
40.测量设备100b可进一步包括驱动模块130b，其包括输入端子、第一输出端子和第二输出端子。驱动模块130b的输入端子电连接到第一输入节点111。驱动模块130b的第一输出端子电连接到第一箝位模块110的控制端子。驱动模块130b的第二输出端子电连接到第二箝位模块150b的控制端子。
41.驱动模块130b可被配置成：感测dut 200的状态改变，基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块的第一控制信号vctrl1，且生成用以在第一箝位模块接通之前接通第二箝位模块且在第一箝位模块切断之后切断第二箝位模块的第二控制信号vctrl2。如此，跨第一和第二输出节点的输出电压经箝位以指示dut的漏极-源极电压，使得当dut处于接通状态时，跨第一和第二输出节点191、192的输出电压vout经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
42.参考图9，第一箝位模块110可包括晶体管q3，其具有连接到驱动模块130b的输出端子的栅极、连接到第一输入节点111的漏极，和连接到第一输出节点191的源极。
43.参看图10，第二箝位模块150b可包括晶体管q6，其具有连接到驱动模块130b的第二输出端子的栅极、连接到第一输出节点的漏极，和连接到第二输出节点的源极。
44.参看图11，驱动模块130b可包括比较器u1、边缘检测器u2、反相器u3、触发器u、or门u5、放大器u6、or门u9和放大器u10。比较器u1可具有连接到第一输入节点111的反相输入，和连接到第二输入节点112的非反相输入。边缘检测器u2可具有连接到第一输入节点111的第一输入，和连接到第二输入节点112的第二输入。反相器u3可具有连接到比较器u1的输出的输入。触发器u4可具有连接到比较器u1的输出的数据输入，和连接到边缘检测器u2的输出的时钟输入。or门u5可具有连接到反相器u3的输出的第一输入，和连接到触发器u4的输出的第二输入。放大器u6可具有连接到or门u5的输出的输入，和连接到第一箝位模块的控制端子(也就是说，充当驱动模块130b的第一输出端子)的输出。or门u9可具有连接到or门u5的输出的第一输入，和连接到dc电力供应器的第二输入。放大器u10可具有连接到or门u9的输出的输入，和连接到第二箝位模块的控制端子(也就是说，充当驱动模块130b的第二输出端子)的输出。
45.参看图12，可选地，驱动模块130b可进一步包括：延迟电路u7，其连接于反相器u3和or门u5之间；以及延迟电路u8，其连接于触发器u4和or门u5之间。也就是说，延迟电路u7可具有连接到反相器u3的输出的输入。延迟电路u8可具有连接到触发器u4的输出的输入。or门u5可具有连接到延迟电路u7的输出的第一输入，和连接到延迟电路u8的输出的第二输入。
46.在各种实施例中，晶体管q3/q4/q5/q6可由例如(但不限于)高电子迁移率晶体管(hemt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)构成。晶体管q3/q4/q5/q6的结构可选自n沟道增强型、n沟道耗尽型、p沟道增强型，或p沟道耗尽型。晶体管q3/q4/q5/q6可由例如iii-v化合物等直接带隙材料形成或包含所述直接带隙材料，其包含(但不限于)例如gaas、inp、gan、ingaas和algaas。优选地，晶体管q3/q4/q5/q6为algan/gan增强型hemt。
47.测量设备100a/100b的输入接口可以是电连接器，其包括作为第一输入节点111的第一引脚或位置、作为第二输入节点112的第二引脚或位置，以及作为控制输入节点113的第三引脚或位置。
48.或者，测量设备100a/100b可通过以下操作连接到dut 200：将第一输入节点焊接到连接到dut 200的第一导通端子201的焊垫，将第二输入节点112焊接到连接到dut 200的第二导通端子202的焊垫，并将控制输入节点焊接到连接到控制模块220的输出端子221的焊垫。
49.测量设备100a/100b的输出接口可以是同轴rf连接器，例如(但不限于)bnc(尼尔-康塞曼卡口(bayonet neill-concelman))连接器和sma(超小型a版(subminiature version a))连接器。
50.图13描绘根据本发明的一个实施例用于利用测量设备测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的方法的流程图。dut具有第一导通端子、第二导通端子和控制端子。测量设备包含：第一箝位模块；第二箝位模块；驱动模块；输入接口，其包括被配置成用于电连接到dut的第一导通端子的第一输入节点、被配置成用于电连接到dut的第二导通端子的
第二输入节点；以及输出接口，其包括被配置成用于电连接到电信号监测设备的第一信号输入节点的第一输出节点，以及连接到第二输入节点且被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点。
51.参看图13，所述方法可包括以下步骤：
52.s1302：将dut的控制端子连接到控制器的输出；
53.s1304：将第一输入节点连接到驱动模块的第一输入和第一箝位模块的第一导通端子；
54.s1306：将第二输入节点连接到驱动模块的第二输入；
55.s1308：将驱动模块的第一输出连接到第一箝位模块的控制端子；
56.s1310：将第一输出节点连接到第一箝位模块的第二导通端子和第二箝位模块的第一导通端子；以及
57.s1312：将第二输出节点连接到第二箝位模块的第二导通端子；以及
58.s1314：将第二输入节点连接到第二输出节点。
59.s1316：配置驱动模块以：感测dut的状态改变，且基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块的控制信号，使得当dut处于接通状态时，跨第一和第二输出节点的输出电压经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
60.图14描绘根据本发明的另一实施例用于利用测量设备测量氮化物基被测装置(dut)的动态导通电阻的方法的流程图。dut具有第一导通端子、第二导通端子和控制端子。测量设备包含：第一箝位模块；第二箝位模块；驱动模块；输入接口，其包括被配置成用于电连接到dut的第一导通端子的第一输入节点、被配置成用于电连接到dut的第二导通端子的第二输入节点；以及输出接口，其包括被配置成用于电连接到电信号监测设备的第一信号输入节点的第一输出节点，以及连接到第二输入节点且被配置成用于电连接到电信号监测设备的第二信号输入节点的第二输出节点。
61.参看图14，所述方法可包括以下步骤：
62.s1402：将dut的控制端子连接到控制器的输出；
63.s1404：将第一输入节点连接到驱动模块的第一输入和第一箝位模块的第一导通端子；
64.s1406：将第二输入节点连接到驱动模块的第二输入；
65.s1408：将驱动模块的第一输出连接到第一箝位模块的控制端子；
66.s1410：将驱动模块的第二输出连接到第二箝位模块的控制端子；
67.s1412：将第一输出节点连接到第一箝位模块的第二导通端子和第二箝位模块的第一导通端子；
68.s1414：将第二输出节点连接到第二箝位模块的第二导通端子；以及
69.s1416：将第二输入节点连接到第二输出节点。
70.s1418：配置驱动模块以：感测dut的状态改变，基于dut的状态改变生成用以接通和切断第一箝位模块的第一控制信号，且生成用以在第一箝位模块接通之前接通第二箝位模块并在第一箝位模块切断之后切断第二箝位模块的第二控制信号，使得跨第一和第二输出节点的输出电压经箝位以指示dut的漏极-源极电压。
71.挑选和描述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理和其实际应用，借此使所属领
域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于所审慎考虑的特定用途的各种修改。虽然本文所公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分这些操作或对这些操作进行重新排序以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序及分组并非限制性的。虽然本文中公开的设备已参考特定结构、形状、材料、物质组成和关系等等加以描述，但这些描述和说明并非限制性的。可作出修改以使特定情形适于本公开的目标、精神和范围。所有此些修改既定落入所附权利要求书的范围内。