有源MOSFET电压钳位电路、钳位方法和双脉冲测试电路技术

本发明专利技术涉及有源MOSFET电压钳位电路、钳位方法和双脉冲测试电路。该电压钳位电路，包括被测器件漏极连接有源钳位管漏极，有源钳位管源极连接钳位端X结点，被测器件的源极连接钳位端的Y结点，X结点通过二极管D

Voltage clamp circuit, clamp method and double pulse test circuit of active MOSFET

【技术实现步骤摘要】
有源MOSFET电压钳位电路、钳位方法和双脉冲测试电路
本专利技术涉及高压功率器件的电压钳位测量模块
，特别涉及一种用于商用p-GaN栅极功率器件动态电阻表征的有源MOSFET电压钳位电路、钳位方法和双脉冲测试电路。
技术介绍
商用p-GaN栅极氮化镓高压器件在高压开关过程中具有动态电阻衰退的问题。巨大的漏源电压摆幅导致动态导通电压难以准确监测进而影响对p-GaN栅极高压器件动态电阻的评估。动态导通电阻可以通过动态导通电压除以动态导通电流表征，动态导通电流可以由分流电阻准确监测。动态导通电压则需要通过电压钳位模块进行测量。当前的电压钳位模块主要有可以分为有源钳位模块(含有有源器件)和无源钳位模块(仅无源器件)两种。传统的有源钳位模块(专利号:US20080309355A1)，在有源钳位管源极和功率地之间的阻抗网络仅仅由电阻和二极管组成。在输入电压高于200V时，钳位端会出现明显的电压尖峰并且该电压尖峰会显著影响示波器的测量精度。无源钳位模块主要由高压二极管构成，简单的无源钳位结构包含一个高压肖特基二极管，但是该电路检测到的导通电压包含肖特基二极管的正向导通压降，该正向导通压降和流过肖特基二极管的电流以及结温有关，从而对导通电压的测量精度造成影响。另一种基于镜像电流源的电压钳位电路(专利号:US9000791B2)，包含两个相同的高压肖特基二极管，两个相同的肖特基二极管流过相同的电流，有相同的导通压降，从而起到电压相消的作用，消除二极管正向压降对测量的影响。但是该电路结构复杂，对钳位电压的调节需要使用多个低压二极管串联。而且高压肖特基二极管的器件公差会导致导通电压的测量误差。电压钳位电路主要分为无源钳位电路和有源钳位电路两种，都是利用钳位端(X结点和Y结点)电压来跟随被测器件的导通电压。图1(a)是传统的有源钳位电路，钳位模块由有源器件(MT)和无源器件(二极管和电阻)组成，有源器件的栅极施加固定栅极偏压(Vcc)，被测器件处于关态时，结点X和结点Y间的电压(VXY)被钳位Vcc-VTH,MT附近,当被测器件处于开态时，VXY跟随导通电压(VDSON)。图1(b)是基于单个高压二极管的无源钳位电路，VXY包含被测器件的导通压降(VDSON)和高压二极管的正向导通压降(VF)。而二极管的正向导通压降(VF)对温度非常敏感，所以该钳位电路对环境温度敏感。图1(c)基于两个高压二极管的无源钳位电路。该电路采用镜像电流源结构，使X结点所在的上支路和Y结点所在的下支路电流相等。当两个高压二极管完全相同时，上、下支路中二极管的导通压降(VF)相同，进而相互抵消，所以钳位端电压(VXY)直接跟随被测器件的导通电压(VDSON)。该电路元件众多，电路结构复杂，对电路版图设计要求高(上、下支路需要对称性设计)，且同一型号高压二极管的参数公差，会导致导通电压的测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种有源MOSFET电压钳位电路、双脉冲测试电路，所述电路是基于传统的有源钳位模块，并针对有源钳位管的源极和功率地之间的阻抗网络进行了优化的有源钳位模块，阻抗网络由电容，电阻以及二极管组成，该网络能在开关瞬态呈现很低的动态阻抗，能有效抑制高压输入(如：600V)时，钳位端出现的电压尖峰，同时并不会影响钳位端对导通电压的跟随速度，从而满足了600V/650V高压p-GaN栅极氮化镓器件在额定电压范围内对动态电阻的测量需求，有源钳位电路对结温不敏感，无需额外的温度校正，而且能方便地通过有源管栅极电压的调节来调节钳位电压的幅值。本专利技术的另一目的是提供一种既能保证很宽的电压测量范围，又能避免环境温度和器件参数的变化对导通电压测量造成显著影响的有源MOSFET电压钳位电路。本专利技术的再一目的是提供一种解决无源钳位模块对温度敏感，以及元件繁多，结构复杂问题而用于商用p-GaN栅极功率器件动态电阻表征的有源MOSFET电压钳位电路。本专利技术的技术解决方案是所述有源MOSFET电压钳位电路，其特殊之处在于，包括被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)和无源器件，被测器件(DUT)漏极连接有源钳位管(MT)漏极，有源钳位管(MT)源极连接钳位端X结点，被测器件(DUT)的源极连接钳位端的Y结点，X结点通过二极管D1与Y结点之间并联电容C1、电阻R1和齐纳二极管D2，有源钳位管(MT)的栅极与被测器件(DUT)的源极和钳位端Y结点的公共端之间并联电容C2和串联的电阻Rg、电源(Vcc)；有源钳位管(MT)的栅极施加固定栅极偏压(Vcc)，被测器件(DUT)处于关态时，钳位端结点X和钳位端结点Y之间的电压VXY被钳位Vcc-VTH,MT附近,当被测器件(DUT)处于开态时，电压VXY跟随导通电压VDSON。作为优选：所述有源钳位管(MT)选用IPD60R280P7(650V-240mΩ-12A)，有源钳位管(MT)栅极电压设定在6.6V，因MT阈值电压为3.3V，故钳位电压VCLAMP被设定在3.3V，二极管D1选用VS18TQ040-N3(40V-18A)硅基肖特基整流器，齐纳二极管D2(4.7V-0.5W)，电阻R1定为10kΩ，电容C1定为2μF。本专利技术的另一技术解决方案是所述有源MOSFET电压钳位电路的钳位方法，其特殊之处在于，包括步骤：⑴在被测器件(DUT)刚刚关断时，被测器件(DUT)的电容Coss开始充电；⑵被测器件(DUT)的漏极-源极电压从导通电压VDSON上升到钳位电压VCLAMP＝Vcc-VTH,MT，有源钳位管(MT)被动关断；⑶负载电流开始同时对被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)的电容Coss充电，流过有源钳位管(MT)电容Cds的电流对钳位端结点X充电，钳位端结点X电压过冲后，二极管D1正向导通；⑷钳位端结点X与钳位端结点Y之间的瞬态阻抗由电容C1决定，若电容C1为μF量级，则有源钳位管(MT)的电容Cds从0V(-104pF)充电到VDSQ～VCLAMP(-20pF)对应的充电电荷(Qds)对电容C1电压的影响几乎忽略不计，其中：VDSQ是功率器件处于关态时，器件漏源端施加的高压偏置(如:母线电压)，VCLAMP是钳位电压；⑸在整个关断瞬态，钳位端结点X的电压略大于钳位电压VCLAMP，不会造成明显的电压尖峰；⑹在稳定的被测器件(DUT)关态，被测器件(DUT)漏极电压稳定在母线电压VDSQ，而钳位端结点X的电压会随电容C1通过电阻R1及齐纳二极管D2放电而略微下降并依然稳定在钳位电压VCLAMP附近；⑺在被测器件(DUT)开启瞬态，被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)的电容Coss通过被测器件(DUT)的沟道进行放电；⑻被测器件(DUT)的漏极-源极电压从母线电压VDSQ下降到钳位电压VCLAMP，有源钳位管(MT)的漏极-源极电压也从VDSQ-VCLAMP下降到接近0V；⑼有源钳位管(MT)的漏源电容Cds的放电引起的位移电流使钳位端结点X的电压略微下降，二极管D1将从正向偏置变成反向偏置状态，且电容C1持续通过电阻R1放电；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有源MOSFET电压钳位电路，其特征在于，包括被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)和无源器件，被测器件(DUT)漏极连接有源钳位管(MT)漏极，有源钳位管(MT)源极连接钳位端X结点，被测器件(DUT)的源极连接钳位端的Y结点，X结点通过二极管D

【技术特征摘要】
1.一种有源MOSFET电压钳位电路，其特征在于，包括被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)和无源器件，被测器件(DUT)漏极连接有源钳位管(MT)漏极，有源钳位管(MT)源极连接钳位端X结点，被测器件(DUT)的源极连接钳位端的Y结点，X结点通过二极管D1与Y结点之间并联电容C1、电阻R1和齐纳二极管D2，有源钳位管(MT)的栅极与被测器件(DUT)的源极和钳位端Y结点的公共端之间并联电容C2和串联的电阻Rg、电源(Vcc)；有源钳位管(MT)的栅极施加固定栅极偏压(Vcc)，被测器件(DUT)处于关态时，钳位端结点X和钳位端结点Y之间的电压VXY被钳位Vcc-VTH,MT附近,当被测器件(DUT)处于开态时，电压VXY跟随导通电压VDSON。


2.根据权利要求1所述有源MOSFET电压钳位电路，其特征在于，所述有源钳位管(MT)选用IPD60R280P7(650V-240mΩ-12A)，有源钳位管(MT)栅极电压设定在6.6V，因MT阈值电压为3.3V，故钳位电压VCLAMP被设定在3.3V，二极管D1选用VS18TQ040-N3(40V-18A)硅基肖特基整流器，齐纳二极管D2(4.7V-0.5W)，电阻R1定为10kΩ，电容C1定为2μF。


3.一种根据权利要求1所述有源MOSFET电压钳位电路的钳位方法，其特征在于，包括步骤：
⑴在被测器件(DUT)刚刚关断时，被测器件(DUT)的电容Coss开始充电；
⑵被测器件(DUT)的漏极-源极电压从导通电压VDSON上升到钳位电压VCLAMP＝Vcc-VTH,MT，有源钳位管(MT)被动关断；
⑶负载电流开始同时对被测器件(DUT)、有源钳位管(MT)的电容Coss充电，流过有源钳位管(MT)电容Cds的电流对钳位端结点X充电，钳位端结点X电压过冲后，二极管D1正向导通；
⑷钳位端结点X与钳位端结点Y之间的瞬态阻抗由电容C1决定，若电容C1为μF量级，则有源钳位管(MT)的电容Cds从0V(-104pF)充电到VDSQ～VCLAMP(-20pF)对应的充电电荷(Qds)对电容C1电压的影响几乎忽略不计，其中：VDSQ是功率器...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敬，钟凯伦，
申请(专利权)人：香港科技大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44