一种测量功率开关管动态驱动电压的方法与流程

1.本发明涉及一种测量功率开关管动态驱动电压的方法。


背景技术：

2.si mosfet、sic mosfet、igbt以及gan hemt，其主要的动态过程包括开关过程和串扰(crosstalk)，其动态过程中的动态驱动电压测量结果对器件研发和电路应用起到指导作用。
3.传统的半导体开关器件的非开尔文封装形式具有三个引脚，以mosfet为例，有漏极(d)、源极(s)、栅极(g)三个引脚，其等效电路如图1所示。驱动电路是与g引脚和s引脚相连，功率回路与d引脚和s引脚相连。随着技术的发展，器件的开关速度越来越快，上述问题愈发严重。各厂商推出了开尔文封装形式。以mosfet为例，有漏极(d)、源极(ps)、栅极(g)、开尔文源极(ks)四个引脚，其等效电路如图2所示。驱动电路是与g引脚和ks引脚相连，主回路与d引脚和ps引脚相连。这样避免了驱动回路和主功率换流回路拥有公用线路，实现了两个回路解耦。
4.现阶段进行功率半导体开关器件动态驱动电压测量时，采用的方法是直接将电压探头接在器件的引脚上进行测量，对于igbt，则接栅极和发射极引脚；对于si mosfet、sic mosfet以及gan hemt，则接栅极和漏极引脚。
5.现有方法的缺点在于，电压探头只能接在器件的引脚上，无法直接接触开关管芯片，那么测试点之间就包含了器件封装的寄生参数和芯片的寄生参数。测量点间封装寄生电感包括封装引脚和框架的寄生电感、封装键合线的寄生电感；芯片的寄生参数为芯片的栅极寄生电阻。因此在进行动态驱动电压测试时，这些寄生参数上的压降也会被测量并被算进驱动电压中，这就使得测量结果为芯片上真实的驱动电压与电压探头测量点之间包含的寄生参数上电压之和，造成了测量结果与芯片上真实的驱动电压存在区别，大大影响了测量结果的正确性和准确度，从而对器件分析和应用电路设计造成负面影响。
6.现有的测试方法获得的驱动电压波形与芯片上真实的驱动电压具有明显差异，会导致开关过程分析时出现与理论分析矛盾的情况，同时还容易误导器件研发和电路应用，造成资源浪费和项目进度延期。并且，现有的测试方法会导致串扰驱动电压波形与芯片上串扰真实的驱动电压波形具有明显差异，会导致对串扰过程分析时出现与理论分析矛盾的情况，同时还容易误导器件研发和电路应用，造成资源浪费、项目进度延期或降低电路可靠性。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题，在于提供一种测量功率开关管动态驱动电压的方法，能够获得开关管芯片上实际的驱动电压，确保了测试结果的正确性，提高了测量精度，为器件的动态过程(包含开关过程和串扰)分析提供了正确的数据，对器件研发和电路应用起到指导作用。
8.本发明是这样实现的：一种测量功率开关管动态驱动电压的方法，具体包括如下步骤：
9.步骤1、获得实测驱动电压、开关管栅极寄生电阻电压、测量点间封装寄生电感电压；
10.步骤2、将开关管栅极寄生电阻电压、测量点间封装寄生电感电压从实测驱动电压中减去，即获得所需的开关管芯片上实际的驱动电压。
11.进一步地，所述实测驱动电压通过示波器和电压探头进行测量获得，电压探头测量点在器件封装引脚上。
12.进一步地，所述开关管栅极寄生电阻电压为驱动电流ig和开关管栅极寄生电阻r
g(int)
相乘的乘积；其中ig使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；r
g(int)
使用curve tracer或阻抗分析仪测量获得。
13.进一步地，
14.对于非开尔文封装器件，所述测量点间封装寄生电感电压为l
s(pkg-m)
和di
ds
/dt相乘的乘积与l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积之和，其中di
ds
/dt为i
ds
的时间变化率，dig/dt为ig的时间变化率，其中ig和i
ds
使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；l
s(pkg-m)
为测量点间源极/发射极封装寄生电感，l
g(pkg-m)
测量点间栅极封装寄生电感，l
s(pkg-m)
和l
g(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量或电磁仿真软件仿真获得；
15.对于开尔文封装器件，所述测量点间寄生电感电压为l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积与l
ks(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积之和，其中dig/dt为ig的时间变化率，其中ig使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；l
g(pkg-m)
为测量点间栅极封装寄生电感，l
ks(pkg-m)
为测量点间驱动源极/发射极封装寄生电感，l
g(pkg-m)
和l
ks(pkg-m)
使用阻抗分析仪测量或电磁仿真软件仿真获得。
16.本发明具有如下优点：
17.本发明可以获得更加准确的器件开关过程驱动电压波形，能够为器件的开关过程分析提供正确的数据，从而得到正确的结论。在器件的研发和电路的应用提供有力的数据，不会导致器件的浪费，便于项目进度控制。
18.可以获得更加准确的器件串扰驱动电压波形，能够为器件的串扰特性分析、电路应用时对串扰进行抑制提供正确的数据，从而能够得到正确的结论。
附图说明
19.下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
20.图1是现有技术中非开尔文封装等效电路图。
21.图2是现有技术中开尔文封装等效电路图。
22.图3为本发明一种测量功率开关管动态驱动电压的方法流程图。
23.图4为本发明非开尔文封装栅极电压测量等效电路示意图。
24.图5为本发明开尔文封装栅极电压测量等效电路示意图。
具体实施方式
25.如图3所示，本发明一种测量功率开关管动态驱动电压的方法，具体包括如下步
骤：
26.步骤1、获得实测驱动电压、开关管栅极寄生电阻电压、测量点间封装寄生电感电压，所述实测驱动电压通过示波器和电压探头进行测量获得，电压探头测量点在器件封装引脚上，所述开关管栅极寄生电阻电压为驱动电流ig和开关管栅极寄生电阻r
g(int)
相乘的乘积；其中ig使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；r
g(int)
使用curvetracer或阻抗分析仪测量获得；
27.步骤2、将开关管栅极寄生电阻电压、测量点间封装寄生电感电压从实测驱动电压中减去，即获得所需的开关管芯片上实际的驱动电压。
28.对于非开尔文封装器件，所述测量点间封装寄生电感电压为l
s(pkg-m)
和di
ds
/dt相乘的乘积与l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积之和，其中di
ds
/dt为i
ds
的时间变化率，dig/dt为ig的时间变化率，其中ig和i
ds
使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；l
s(pkg-m)
为测量点间源极/发射极封装寄生电感，l
g(pkg-m)
测量点间栅极封装寄生电感，l
s(pkg-m)
和l
g(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量或电磁仿真软件仿真获得；
29.对于开尔文封装器件，所述测量点间寄生电感电压为l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积与l
ks(pkg-m)
和dig/dt相乘的乘积之和，其中dig/dt为ig的时间变化率，其中ig使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪或采样电阻中的任一方式测量获得；l
g(pkg-m)
为测量点间栅极封装寄生电感，l
ks(pkg-m)
为测量点间驱动源极/发射极封装寄生电感，l
g(pkg-m)
和l
ks(pkg-m)
使用阻抗分析仪测量或电磁仿真软件仿真获得。
30.所述测量点间封装寄生电感电压包含测量点间栅极封装寄生电感电压、测量点间源极/发射极封装寄生电感电压，以及测量点间驱动源极/发射极封装寄生电感电压。
31.所述功率开关管包括但不限于simosfet、sicmofet、igbt及gan hemt。
32.实施例一
33.1、对于非开尔文封装器件，等效电路如图4所示，其中r
g(int)
为被测器件内部栅极电阻；l
g(pkg-m)
和l
s(pkg-m)
分别为测量点间栅极和源极/发射极封装寄生电感，l
g(pkg-o)
和l
s(pkg-o)
分别为测量点外栅极和源极/发射极封装寄生电感；ig为驱动电流，正方向如箭头所示；i
ds
为流过被测器件的电流，正方向如箭头所示；v
gs
被测器件芯片上实际的驱动电压，正方向如标注所示；v
gs(m)
为测量获得的驱动电压，正方向如标注所示。v
gs(m)
使用电压探头和示波器测量获得；
34.通过ig和r
g(int)
相乘获得。其中ig可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻中的任一方式测量获得；r
g(int)
可使用curve tracer、阻抗分析仪测量获得；通过l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘获得，其中dig/dt为ig的时间变化率，ig可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻中的任一方式测量获得；l
g(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量、电磁仿真软件仿真获得；通过l
s(pkg-m)
和di
ds
/dt相乘获得。其中i
ds
/dt为i
ds
的时间变化率，i
ds
可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻中的任一方式测量获得；l
s(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量、电磁仿真软件仿真获得。
35.则v
gs(m)
和v
gs
的关系为：
36.37.从v
gs(m)
中减掉ig在r
g(int)
的压降dig/dt在l
g(pkg-m)
上的压降di
ds
/dt在l
s(pkg-m)
上的压降即可获得v
gs
。
38.2、对于非开尔文封装器件，等效电路如图5所示，其中r
g(int)
为被测器件内部栅极电阻；l
s(pkg)
为被测器件源极或集电极封装寄生电感；l
g(pkg-m)
和l
ks(pkg-m)
分别为测量点间栅极和驱动源极/驱动发射极封装寄生电感，l
g(pkg-o)
和l
ks(pkg-o)
分别为测量点外栅极和驱动源极/驱动发射极封装寄生电感，ig为驱动电流，正方向如箭头所示；i
ds
为流过被测器件的电流，正方向如箭头所示；v
gs
被测器件芯片上实际的驱动电压，正方向如标注所示；v
gs(m)
为测量获得的驱动电压，正方向如标注所示。v
gs(m)
使用电压探头和示波器测量获得；通过ig和r
g(int)
相乘获得。其中ig可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻测量获得；r
g(int)
可使用curve tracer、阻抗分析仪测量获得；通过l
g(pkg-m)
和dig/dt相乘获得。其中dig/dt为ig的时间变化率，ig可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻中的任一方式测量获得；l
g(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量、电磁仿真软件仿真获得；通过l
ks(pkg-m)
和dig/dt相乘获得。其中dig/dt为ig的时间变化率，ig可使用电流探头、罗氏线圈、电流波形分析仪、采样电阻中的任一方式测量获得；l
ks(pkg-m)
可使用阻抗分析仪测量、电磁仿真软件仿真获得。
39.则v
gs(m)
和v
gs
的关系为：
[0040][0041]
从v
gs(m)
中减掉ig在r
g(int)
的压降dig/dt在l
g(pkg-m)
上的压降dig/dt在l
ks(pkg-m)
上的压降即可获得v
gs
。
[0042]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。