СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛЬТ-ФАРАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
METHOD FOR DETERMINATION OF VOLT-FARAD CHARACTERISTICS OF SEMICONDUCTOR POWER DEVICES

Изобретение относится к технике измерения электрических параметров и определения характеристик компонентов силовой электроники, в частности силовых полупроводниковых приборов, и может быть использовано для контроля их качества.
Известен способ определения общей емкости полупроводниковых диодов в состоянии низкой проводимости частотным методом, основанный на измерении частоты колебаний генератора при подключении к контуру, задающему частоту колебаний генератора, проверяемого прибора, находящегося в состоянии низкой проводимости, и дальнейшему расчету на основе полученных данных величины общей емкости проверяемого прибора, заключающийся в том, что на первом этапе испытания к контуру подключают контрольный конденсатор с известной величиной емкости и измеряют первое значение частоты колебаний генератора. Далее контрольный конденсатор отключают от контура и измеряют второе значение частоты колебаний генератора. По полученным значениям частоты колебаний генератора определяют значение емкости контура. На втором этапе к контуру подключают проверяемый прибор, к которому прикладывают обратное постоянное смещающее напряжение, и измеряют значение частоты колебаний генератора с подключенным проверяемым прибором. Далее проверяемый прибор отключают от контура и измеряют значение частоты колебаний генератора без проверяемого прибора. Величину общей емкости проверяемого прибора при данном значении обратного постоянного смещающего напряжения находят по определенной формуле (ГОСТ 18986.4-73. Диоды полупроводниковые. Методы измерения емкости).
Недостатками известного способа являются следующие.
1. Ограниченные функциональные возможности способа, заключающиеся в том, что данным способом за один испытательный цикл возможно определение величины общей емкости проверяемого прибора только при одном значении обратного постоянного смещающего напряжения.
2. Сложность технического решения и низкая производительность при реализации способа, обусловленная тем, что для определения значения общей емкости проверяемого прибора при одном только значении обратного постоянного смещающего напряжения требуется сложная операция механического и электрического подключения прибора к генератору и последующего отключения его от генератора. При использовании данного способа для определения вольт-фарадной характеристики прибора потребуется выполнение множества таких же испытательных циклов при подаче на проверяемый прибор обратного постоянного смещающего напряжения с различными значениями. Это предопределяет низкую производительность способа при определении как величины общей емкости при одном значении величины обратного постоянного смещающего напряжения, так и вольт-фарадной характеристики проверяемого прибора, если этот способ будет применяться для ее определения. Дополнительно, низкая производительность определяется также необходимостью измерения частоты колебаний генератора, определение которой происходит за множество значений периода колебаний генератора.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, упрощении процедуры испытания и повышении производительности, в возможности автоматизированного определения вольт-фарадных характеристик силовых полупроводниковых приборов в состоянии низкой проводимости.
с
m
Технический результат достигается тем, что в способе определения вольт-фарадных характеристик силовых полупроводниковых приборов, заключающемся в том, что предварительно однократно определяют значение емкости С контура, задающего частоту колебаний генератора, для чего к этому контуру подключают контрольный конденсатор с известной величиной емкости C и в моменты времени  измеряют и запоминают дискретные значения знакопеременного напряжения генератора с подключенным к контуру контрольным конденсатором, затем из полученных дискретных значений знакопеременного напряжения генератора определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора и моменты времени их достижения  из которых определяют момент времени  и последующий момент времени  для определения значения периода генератора с подключенным контрольным конденсатором по формуле
,
где  - момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
- последующий момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
Затем после отключения контрольного конденсатора от контура в моменты времени  измеряют и запоминают дискретные значения знакопеременного напряжения генератора, из которых определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора и моменты времени их достижения , из которых определяют момент времени  и последующий момент времени  для определения значения периода генератора без подключенного контрольного конденсатора по формуле
,
где  - момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
- последующий момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
Затем емкость контура определяют по формуле
m
где C - значение емкости контрольного конденсатора;
1
T - значение периода колебаний генератора с подключенным контрольным конденсатором;
2
T - значение периода колебаний генератора без контрольного конденсатора.
0
m
0
m
i
j(T)
j(T)
Далее к контуру подключают проверяемый прибор и с момента времени t к нему прикладывают нарастающее по определенному закону обратное смещающее напряжение от нулевой и до заданной максимальной величины, достигаемой в момент времени t, при этом в интервале времени от t до t в процессе нарастания обратного смещающего напряжения в моменты времени t измеряют и запоминают дискретные значения обратного смещающего напряжения и дискретные значения знакопеременного напряжения генератора, из полученных дискретных значений напряжения генератора определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора и моменты времени их достижения t, при которых из полученных дискретных значений обратного смещающего напряжения определяют и запоминают соответствующие дискретные значения обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе, далее в момент времени  n-ого интервала измерения из полученных дискретных значений обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе, соответствующих моментам времени t, определяют и запоминают дискретное значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе, а в момент времени  n-ого интервала измерения определяют и запоминают последующее дискретное значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе, затем определяют значение n-ого периода генератора как
,
где  - момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
- последующий момент времени достижения напряжением генератора ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
Далее определяют и запоминают среднее значение обратного смещающего напряжения на n-ом интервале измерения, затем определяют и запоминают значение общей емкости проверяемого прибора на n-ом интервале измерения как:
c
где C - значение емкости контура;
n
T - значение n-ного периода колебаний генератора;
2
Т - значение периода колебаний генератора без контрольного конденсатора.
Затем по полученным на n-ых интервалах измерения значениям общей емкости проверяемого прибора и соответствующим средним значениям обратного смещающего напряжения определяют вольт-фарадную характеристику проверяемого прибора.
Обратное смещающее напряжение может быть как плавно нарастающим от нулевой величины, так и ступенчато нарастающим от нулевой величины с постоянной или переменной величиной приращения напряжения ступеньки и постоянной во времени величиной напряжения ступеньки. В случае применения ступенчато нарастающего обратного смещающего напряжения, дискретные значения напряжения генератора и дискретные значения обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе определяют в интервалах формирования постоянной во времени величины ступеньки обратного смещающего напряжения.
Способ осуществляют следующим образом.
c
m
На подготовительном этапе однократно определяют значение емкости C контура, задающего частоту колебаний генератора, для чего к этому контуру подключают контрольный конденсатор с известной величиной емкости C. Форма напряжения генератора  с подключенным контрольным конденсатором показана на рис.1. На рис.2 показаны области 1 и 2 рисунка 1 в увеличенном масштабе. Далее в моменты времени  измеряют и запоминают дискретные значения знакопеременного напряжения генератора  с подключенным к контуру контрольным конденсатором, из которых затем определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора  и моменты времени их достижения .
На рис.1, 2 показан случай, когда определяют и запоминают ближайшие к нулю дискретные значения напряжения генератора  и моменты времени их достижения  при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс.
Далее из полученных моментов времени  определяют момент времени  и последующий момент времени  для определения значения периода генератора с подключенным контрольным конденсатором по формуле
где  - момент времени достижения напряжением генератора  ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
- последующий момент времени достижения напряжением генератора  ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
Затем контрольный конденсатор отключают от контура генератора. Форма напряжения генератора  без подключенного контрольного конденсатора показана на рис.3. На рис.4 показаны области 1 и 2 рисунка 3 в увеличенном масштабе. Далее в моменты времени  измеряют и запоминают дискретные значения знакопеременного напряжения генератора . Затем из полученных значений определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора  и моменты времени их достижения .
На рис.3, 4 показан случай, когда определяют и запоминают ближайшие к нулю дискретные значения напряжения генератора  и моменты времени их достижения  при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс.
Далее из полученных моментов времени  определяют момент времени  и последующий момент времени  для определения значения периода генератора без подключенного контрольного конденсатора по формуле
,
где  - момент времени достижения напряжением генератора  ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
- последующий момент времени достижения напряжением генератора  ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
m
Величина емкости контрольного конденсатора C должна быть близка максимальной величине измеряемой общей емкости проверяемого типа прибора.
Затем емкость контура определяют по формуле
m
где C - значение емкости контрольного конденсатора;
1
T - значение периода колебаний генератора с подключенным контрольным конденсатором;
2
T - значение периода колебаний генератора без контрольного конденсатора.
0
R
Rm
m
G(T)
R(T)
0
m
i
Ri(T)
Gi(T)
Gi(T)
Gj(T)
j(T)
Ri(T)
Rj(T)
Далее к контуру, задающему частоту колебаний генератора, подключают проверяемый прибор и с момента времени t к нему прикладывают нарастающее по определенному закону обратное смещающее напряжение u от нулевой и до заданной максимальной величины u, достигаемой в момент времени t. На рис.5 показаны формы кривых напряжения генератора u с подключенным проверяемым прибором и линейного плавно нарастающего обратного смещающего напряжения u. На рис.6 показаны области 1 и 2 рисунка 5 в увеличенном масштабе. Далее в интервале времени от t до t в процессе нарастания обратного смещающего напряжения в моменты времени t измеряют и запоминают дискретные значения обратного смещающего напряжения u и дискретные значения знакопеременного напряжения генератора u. Из полученных дискретных значений напряжения генератора u определяют и запоминают ближайшие к нулю при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс или с плюса на минус дискретные значения напряжения генератора u и моменты времени их достижения t, при которых из полученных дискретных значений обратного смещающего напряжения u определяют и запоминают соответствующие дискретные значения обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе u.
Gj(T)
j(T)
На рис.5, 6 показан случай, когда определяют и запоминают ближайшие к нулю дискретные значения напряжения генератора u и моменты времени их достижения t при смене полярности напряжения генератора с минуса на плюс.
Rj(T)
j(T)
Далее в момент времени  n-ого интервала измерения из полученных дискретных значений обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе u, соответствующих моментам времени t, определяют и запоминают дискретное значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе  а в момент времени  n-ого интервала измерения определяют и запоминают последующее дискретное значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе . Затем определяют значение n-ого периода генератора как:
,
G(T)
где  - момент времени достижения напряжением генератора uближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус;
G(T)
- последующий момент времени достижения напряжением генератора u ближайшего к нулю значения при смене его полярности с минуса на плюс или с плюса на минус.
Далее определяют и запоминают среднее значение обратного смещающего напряжения на n-ом интервале измерения по формуле
где  - значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе в момент времени ;
- значение обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе в момент времени .
Затем определяют и запоминают значение общей емкости проверяемого прибора на n-ом интервале измерения как:
c
где C - значение емкости контура;
n
T - значение n-го периода колебаний генератора;
2
T - значение периода колебаний генератора без контрольного конденсатора.
Обратное смещающее напряжение может быть как плавно нарастающим, так и ступенчато нарастающим.
R
R
R
R
Скорость изменения плавно нарастающего обратного смещающего напряжения u выбирают таким образом, чтобы погрешность определения значений общей емкости проверяемого прибора  на n-ом интервале измерения от скорости изменения обратного смещающего напряжения u не превышала заданной величины, например 1%. Это предопределяет возможность формирования обратного смещающего напряжения как с линейно нарастающей формой, так и с переменной скоростью, когда при малых величинах обратного смещающего напряжения u (0-10 В) скорость изменения может быть меньше, чем при u>10 В.
RRM
G
Максимальное значение обратного смещающего напряжения выбирают меньше обратного значения напряжения, соответствующего классу по напряжению проверяемого прибора. Например, для тиристоров максимальное значение обратного смещающего напряжения должно быть меньше повторяющегося импульсного обратного напряжения U. Частоту дискретизации АЦП для оцифровки напряжения генератора u необходимо брать как минимум в 100 раз больше его максимальной частоты.
Вольт-фарадную характеристику проверяемого прибора определяют по полученным на n-ых интервалах измерения значениям общей емкости проверяемого прибора  и соответствующим средним значениям обратного смещающего напряжения .
Gj(T)
j(T)
Rj(T)
Для увеличения точности определения вольт-фарадной характеристики при подключении к контуру проверяемого прибора к нему прикладывают ступенчато нарастающее от нулевой величины обратное смещающее напряжение с постоянной во времени величиной напряжения ступеньки, а определение дискретных значений напряжения генератора u и соответствующих им моментов времени t и дискретных значений обратного смещающего напряжения на проверяемом приборе u происходит в интервалах формирования постоянной во времени величины ступеньки обратного смещающего напряжения. Величина приращения напряжения ступеньки может быть как постоянной, так и переменной. На рис.7 показаны формы кривых напряжения генератора и ступенчато нарастающего напряжения с постоянной величиной приращения ступеньки.
Признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:
1) проверяемый прибор остается подключенным к контуру, задающему частоту колебаний генератора, на протяжении всего интервала времени измерения;
2) в качестве параметра, определяющего колебательный процесс генератора, выбран период;
3) для определения вольт-фарадных характеристик к проверяемому прибору прикладывается нарастающее по определенному закону обратное смещающее напряжение;
4) в качестве проверяемых приборов дополнительно возможно использовать тиристоры, транзисторы и симисторные структуры.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет определять величины общей емкости при различных значениях обратного смещающего напряжения не только силовых диодов, но и таких распространенных типов силовых полупроводниковых приборов, как тиристоры, транзисторы и симисторы. При этом упрощается процедура испытания, так как проверяемый прибор остается подключенным к контуру генератора, задающему частоту его колебаний, на протяжении всего времени испытания, уменьшается время проведения испытания за счет измерения периода генератора. Предлагаемое решение позволяет определять вольт-фарадные характеристики при плавно нарастающем и ступенчато нарастающем сигналах обратного смещающего напряжения.