功率二极管模块结电容测量方法及装置

技术领域

本发明涉及高压电源领域，具体功率二极管模块结电容测量方法及装置。

背景技术

在大功率高压电源中，功率二极管模块常用于缓冲电路的吸收，一般采用多个模块串联的方式使用。由于二极管结电容的存在，一组串联的二极管模块在吸收反向电压时，每个模块由于承受的电压不均等可能会造成二极管模块的过压失效。因此需要一种可以测量高压反向偏置条件下二极管模块结电容的方法和装置，筛选结电容相近的二极管模块组成缓冲电路，保证二极管模块的正常工作。

当给二极管PN结上承受一个反偏的电压时，内建电场区的厚度也会稳定为一个值，如果PN结上的反压增大，那么内建电场区厚度也增加，即内部电荷增多。反之，如果电压减小，那么内部电荷减少。因此，二极管模块的结电容大小受PN结两端电压大小的影响。然而，普通的LCR测试设备无法在功率二极管模块受反向高压的条件下测试二极管的结电容，因此需要一种测试方法和装置，测量高压反向偏置条件下的二极管模块结电容的大小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，克服现有的技术的不足，提供功率二极管模块结电容测量方法及装置，能够测量高压反向偏置下二极管模块结电容。

为达到上述技术目的，一方面，本发明提供的一种功率二极管模块结电容测量方法，包括：

将测试电容并联在二极管模块两端，向测试电容施加脉冲高压的同时在二极管模块两端提供初始电压，获取测试电容电压由零上升至最大值所需的第一充电时长；所述脉冲高压和初始电压的方向与二极管模块导通方向相反；

将二极管模块从测试电容两端断开后，获取测试电容电压由零上升至最大值所需的第二充电时长；

根据所述第一充电时长和第二充电时长，计算得到功率二极管模块结电容值。

具体的，所述向测试电容施加脉冲高压，具体包括：

窄脉冲电压模块产生脉冲电压后输出至升压隔离模块；

所述升压隔离模块将脉冲电压升至脉冲高压后施加在测试电容上。

具体的，所述窄脉冲电压模块，包括：储能电容和磁压缩电感；

所述窄脉冲电压模块产生脉冲电压后输出至升压隔离模块，具体包括：

所述储能电容通过交流电源进行储能，为磁压缩电感提供原始脉冲；

所述磁压缩电感压缩原始脉冲得到脉冲电压输出至升压隔离模块。

具体的，所述升压隔离模块包括：变压器；

根据所述第一充电时长和第二充电时长，计算得到功率二极管模块结电容值，具体包括：

结合第二充电时长、储能电容的电容值、测试电容的电容值和变压器匝数，计算得到磁压缩电感和电路上电感总和在变压器次级的等效值；

根据所述等效值、第一充电时长和测试电容的电容值，计算得到功率二极管模块结电容值。

另一方面，本发明提供的一种功率二极管模块结电容测量装置，其特征在于，包括：依次连接的高压脉冲模块、测试电容和直流反偏模块；

所述二极管模块设置在高压脉冲模块与直流反偏模块之间，与测试电容并联；

所述高压脉冲模块向测试电容施加脉冲高压；

所述直流反偏模块向二极管模块提供初始电压；

所述脉冲高压和初始电压的方向与二极管模块导通方向相反。

具体的，所述高压脉冲模块，包括：窄脉冲电压模块和升压隔离模块；

所述窄脉冲电压模块产生脉冲电压后输出至升压隔离模块；

所述升压隔离模块将脉冲电压升至脉冲高压后施加在测试电容上。

具体的，所述窄脉冲电压模块，包括：储能电容和磁压缩电感；

所述储能电容两端并联有交流电源；

所述磁压缩电感的一端与储能电容的一端相连，另一端连接升压隔离模块。

具体的，所述窄脉冲电压模块，还包括：充电电阻和功率开关；

所述充电电阻与功率开关串联后，分别连接交流电源的一端和储能电容的一端；

所述交流电源的另一端连接储能电容的另一端。

具体的，所述升压隔离模块，包括：变压器和隔直电容；

所述变压器的原边与窄脉冲电压模块并联，副边与隔直电容串联后再与测试电容并联。

具体的，所述直流反偏模块，包括：直流电源和隔交电感；

所述直流电源和隔交电感串联后并联在测试电容两端；

所述直流电源提供电流方向与二极管模块导通方向相反。

在本申请实施例中，对二极管模块施加的初始电压使二极管模块呈现容性，同时在二极管模块两端施加脉冲高压，给二极管模块一个反向高压的环境，然后测量出第一充电时长和第二充电时长，就可以在高压反向偏置下得到二极管模块结电容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例的功率二极管模块结电容测量方法的流程示意图；

图2为本申请实施例的功率二极管模块结电容测量装置的结构示意图；

图3为本申请实施例的功率二极管模块结电容测量装置的模块结构示意图；

图4为本申请实施例的功率二极管模块结电容测量装置的电路连接示意图；

图5为本申请实施例的测试电容在第一充电时长的波形变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种功率二极管模块结电容测量方法，包括：

101、将测试电容并联在二极管模块两端，向测试电容施加脉冲高压的同时在二极管模块两端提供初始电压，获取测试电容电压由零上升至最大值所需的第一充电时长；所述脉冲高压和初始电压的方向与二极管模块导通方向相反；

102将二极管模块从测试电容两端断开后，获取测试电容电压由零上升至最大值所需的第二充电时长；

103、根据所述第一充电时长和第二充电时长，计算得到功率二极管模块结电容值。

其中，对测试电容施加的高压，以及对二极管模块提供的初始电压都为可调的，根据需求决定。

常规的二极管结电容一般是在二极管模块加反向直流电压偏置时，直接利用LCR(电感、电容、电阻)测试设备测试二极管的电容。然而，二极管的实际电容随反向直流电压变化呈现不同的

如图2所示，在本实施例中，对二极管模块3施加的初始电压使二极管模块3呈现容性。在二极管模块3两端施加脉冲高压，使得二极管模块3处于反向高压偏置的环境下，然后测量出第一充电时长和第二充电时长，再计算出二极管模块3的结电容。初始电压保证了二极管模块3的反向初始状态，使得二极管模块3在测量初期就呈现容性，从而保证了二极管模块3在脉冲高压的状态下得到的结电容的准确性。换而言之，若二极管模块3在初始状态下没有呈现容性，即使在高压反向偏置的条件下，计算得到的二极管模块结电容必定不会准确。

所述向测试电容施加脉冲高压，具体包括：

1011、窄脉冲电压模块产生脉冲电压后输出至升压隔离模块；

1012、所述升压隔离模块将脉冲电压升至脉冲高压后施加在测试电容上。

如图3所示，窄脉冲电压模块11产生脉冲电压，升压隔离模块12将脉冲电压升高，得到脉冲高压传送至测试电容2。由于上述过程中电压是脉冲的形式，所以在测试电容2上电压值是随着时间变化的。

所述窄脉冲电压模块，包括：储能电容和磁压缩电感；

所述窄脉冲电压模块产生脉冲电压后输出至升压隔离模块，具体包括：

10111、所述储能电容通过交流电源进行储能，为磁压缩电感提供原始脉冲；

10112、所述磁压缩电感压缩原始脉冲得到脉冲电压输出至升压隔离模块。

如图4所示，储能电容C0通过交流电源Ps1进行储能。本实施例中交流电源Ps1输出方向二极管模块导通方向相反交流电压波形。如图5中UC0所示，UC0代表储能电容C0两端的电压。在UC0的上升沿，即UC0值由零至最大值的波形，表示了储能电容C0的充电过程。图5中UC0的下降沿，即UC0值由最大值至零的波形，表示了储能电容C0的放电过程。由于窄脉冲电压模块11中有磁压缩电感L1的存在，根据伏秒积原理，当储能电容C0充电完成后，在储能电容C0放电时，磁压缩电感L1饱和后会将UC0的下降沿进行压缩。如图5所示，UC0的下降沿宽度窄于其上升沿宽度。在本实施例中，将UC0的下降沿宽度压缩至大概100ns。

若在窄脉冲电压模块11没有磁压缩电感L1，那么UC0的上升沿与下降沿将是轴对称图形。由此，在本实施例中，所述原始脉冲指的是储能电容C0在没有磁压缩电感L1提供的脉冲，即上升沿与下降沿对称的脉冲。因此，图5中UC0下降沿经过压缩后的波形，为脉冲电压波形。

所述升压隔离模块包括：变压器。

如图4所示，变压器Tr1将脉冲电压波形的幅值升高。如图5所示，UC2代表测试电容C2两端的电压。由于图5只进行示意所用，所以UC2的最大值没有明显高于UC0的最大值，但是经过变压器Tr1的作用，在本实施例中UC2的最大值是高于UC0的最大值。

如图5所示，脉冲高压的波形如UC2所示，当储能电容C0放电时，测试电容C2开始充电。在本实施例中，测试电容C2的充电时长为T1-T0，与储能电容C0放电时长相同，大概为100ns。由此，第一充电时长t

根据所述第一充电时长和第二充电时长，计算得到功率二极管模块结电容值，具体包括：

结合第二充电时长、储能电容的电容值、测试电容的电容值和变压器匝数，计算得到磁压缩电感和电路上电感总和在变压器次级的等效值；

根据所述等效值、第一充电时长和测试电容的电容值，计算得到功率二极管模块结电容值。

如图5所示，在本实施例中，由电容充电时间公式可知，第二充电时长t

公式(1)中，L

C

公式(2)中，C′

C′

公式(3)中，C

由于，C

在本实施例中，L

同理可知第一充电时长t

公式(4)中，C″为储能电容C0、测试电容C2与二极管模块D1结电容等效到变压器Tr1次级后的值。

C″可表示为：

公式(5)中，C

由于，C

由此可知，二极管模块D1的结电容可以通过上述方法得到。

如图2所示，本申请实施例还提供了一种功率二极管模块结电容测量装置，包括：依次连接的高压脉冲模块1、测试电容2和直流反偏模块4；

所述二极管模块3设置在高压脉冲模块1与直流反偏模块4之间，与测试电容2并联；

所述高压脉冲模块1向测试电容2施加脉冲高压；

所述直流反偏模块4向二极管模块3提供初始电压；

所述脉冲高压和初始电压的方向与二极管模块导通方向相反。

在本实施例中，二极管模块3在直流反偏模块4提供的初始电压下成容性。高压脉冲模块1提供给测试电容2的脉冲高压，使测试电容2可以充电，然后测出测试电容2在并联二极管模块3和断开二极管模块3两种状态下的充电时间，就可以计算出二极管模块3的结电容。显然，充电时间可以通过多种测量设备测出，在本实施例中，使用示波器测量。

如图3所示，所述高压脉冲模块1，包括：窄脉冲电压模块11和升压隔离模块12；

所述窄脉冲电压模块11产生脉冲电压后输出至升压隔离模块12；

所述升压隔离模块12将脉冲电压升至脉冲高压后施加在测试电容2上。

如图5所示，所述脉冲电压的波形图如UC0波形所示，脉冲高压的波形图如UC2波形所示。

如图4所示，所述窄脉冲电压模块11，包括：储能电容C0和磁压缩电感L1；

所述储能电容C0两端并联有交流电源Ps1；

所述磁压缩电感L1的一端与储能电容C0的一端相连，另一端连接升压隔离模块12。

在本实施例中，Ps1为0-600V脉冲电源，储能电容C0根据变压器Tr1的匝数n，一般选取值为n2C2大小的电容值。储能电容C0接收交流电源Ps1的交流电开始充电，波形如图5所示UC0波形的上升沿，充电完成后，储能电容C0进行放电。磁压缩电感L1为利用软磁磁芯制成的磁压缩电感，这种磁芯在满足伏秒积原理条件后会迅速达到饱和状态。当储能电容C0充电完成后，根据伏秒积原理，磁压缩电感L1饱和后将UC0波形的下降沿进行压缩，从而得到脉冲电压的波形UC0。其中，磁压缩电感L1利用可迅速达到饱和状态的特性，将波形UC0的下降沿缩到100ns级别。

如图5所示，所述窄脉冲电压模块11，还包括：充电电阻R1和功率开关Q1；

所述充电电阻R1与功率开关Q1串联后，分别连接交流电源Ps1的一端和储能电容C0的一端；

所述交流电源Ps1的另一端连接储能电容的另一端。

在本实施例中，功率开关Q1开通后交流电源Ps1产生的交流电通过充电电阻R1向储能电容C0充电。充电电阻R1的作用是对交流电进行限流，为大功率充电电阻。功率开关Q1通过驱动电路控制导通、关断。所述驱动电路单独设置，也可以为本实施例所述装置的一部分。

如图5所示，所述升压隔离模块12，包括：变压器Tr1和隔直电容C1；

所述变压器Tr1的原边与窄脉冲电压模块11并联，副边与隔直电容串联后再与测试电容并联。

在本实施例中，变压器Tr1为升压变压器，可将电压升至最高1000V左右。测试电容C2为谐振电容，选取与二极管模块D1结电容同级别大小容值，一般为几十到几百皮法值。磁压缩电感L1的一端与储能电容C0的一端相连，磁压缩电感L1的另一端和储能电容C0另一端分别连接变压器Tr1的原边两端。隔直电容C1可以防止直流信号串入所述装置。根据信号频率，隔直电容C1隔离10Mhz信号，一般选取0.01uF-0.1uF。高压脉冲模块1通过隔直电容C1向测试电容C2和二极管模块D1的结电容充电。由此可知，本实施例可以为二极管模块D1提供高频高压的条件，从而得到的结电容更加准确。

测量此时测试电容C2上的电压波形UC2，记录T0到T1时刻的准确的第一充电时间t

如图5所示，所述直流反偏模块4，包括：直流电源DC和隔交电感L2；

所述直流电源DC和隔交电感L2串联后并联在测试电容C2两端；

所述直流电源DC提供电流方向与二极管模块D1导通方向相反。

在本实施例中，隔交电感L2的作用为隔离交流脉冲，根据经验一般选取电感量选用10-20mH。在本实施例中，二极管模块D1需要在反向直流电压偏置的条件下呈现容性，才能测量出结电容。由此，直流电源DC的作用是使二极管模块D1呈现容性，便于测量。另外，根据需求，直流电源DC使二极管模块D1处于直流反向偏置条件下，保证二极管模块D1呈现容性，使测量更加准确。

关于本实施例所述的功率二极管模块结电容测量装置的工作过程，此处就不再赘述了，未能详尽的内容请参考前文所述的内容。

本实施例所述的功率二极管模块结电容测量方法及装置，通过直流反偏模块4使二极管模块D1处于直流反向偏置的条件下呈现容性。同时，通过高压脉冲模块1使二极管模块D1处于高压反向偏置条件下，测量测试电容C2在不同条件下的充电时间，来计算出与其并联的二极管模块D1的结电容。通过上述方法和装置使二极管模块D1不限于所处条件，只通过充电时间和已知参数就可得到其结电容值。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，上文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比较清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。