移动箱：在高电流实验室表征装置方面的制造及应用

　　一、引言

　　在新产品开发阶段，电气实验室表征起到了验证设备电气功能的重要作用，确保其功能符合数据表规格或客户的要求。PROFET™是由英飞凌科技公司制造的一款高电流产品，它是一种带保护的高端驱动器。PROFET™是一种典型的带增强功能（如图1所示）的MOSFET，增强的功能可提升其在高端驱动器应用中的性能。PROFET™设备通常涉及到高电流测试参数。高电流测试参数，比如短路测量、电流限制和各种高负荷应用测量等。

　　传统的高电流测量装置包括被测设备（DUT）、电源、外部触发器、示波器、150mF/100V电容器组和放电电阻。放电电阻是改善电容器放电时间所必需的，它可避免电容器放电过程中发生意外触电事件。现在有一种改善这种装置的方法，其原理是制造一个可容纳放电电阻和被测设备（DUT）这些电子元件的移动箱。

　　

　　图1PROFET™是一种典型的带增强功能的MOSFET

　　二、测量装置

　　本节介绍的是一个高电流测量示例，具体是带函数发生器的短路表征示例，该函数发生器作为外部触发器已配备建议的保护功能。

　　如图2（a）所示，短路表征装置包括一个供电电压、一个用于触发脉冲的函数发生器和数根连接至示波器的探针。供电电源为设备的电源（Vs）引脚提供电压，而函数发生器则产生脉冲并传递至设备的输入（IN）引脚。

　　

　　图2（a）用于短路表征的电路原理图

　　函数发生器由于能够灵活地改变输入电压的脉冲宽度，因而被用于产生脉冲。IN引脚接收的脉冲用于打开或启用设备。使用脉冲模式是为了避免因使用持续的直流电压源而导致设备发热的情况。如果设备持续发热，会导致设备进入热关断状态。此装置使用了三根探针，两根电压探针分别置于Vs和IN引脚处，目的是监测Vs所获得的电压并观察设备的IN引脚处的脉冲信号。另一侧的电流探针则置于输出（OUT）引脚以测量输出电流。

　　由于所需的电流为70A，高于电源（Agilent6032A直流电源）的供电能力50A［5］，所以需要使用一个电容器组来为测量提供更高的电流。因此，为电源连接一个150mF/100V电容器，并附加一个10 放电电阻。配置如图2（b）所示。电路中设置了2个安全开关；一个在关闭箱门时激活，另一个则在打开箱门时激活。后者针对的是电容器组的放电过程。

　　

　　图2（b）放电电阻电路图。

　　实验室测量时可能会发生意外事故。在实验中可能发生严重事故，如在破坏性测试时被测设备发生爆炸，或者用户在测量中直接接触高电流电缆，直接暴露在触电危险中。人员/用户触电的严重程度取决于流通人体的电流量。如果电流大于2A，可能会导致心脏骤停、内脏严重损害以及严重烧伤。不采用放电电阻的缺点是，电容器组的放电将十分缓慢。因此所建议的方案是制造便携的且方便用户使用的移动箱。 [p]

　　与上述的采用两个安全开关的方案不同，图2（c）显示的是仅需一个安全开关的移动箱设计。但这个开关的作用是相同的，它带有正极侧双重连接；一端连接至电源，另一端连接至放电电阻。不仅实体方案得到了简化，去除一个开关还可从一定程度上降低项目成本。

　　

　　图2（c）移动箱设计。

　　三、用于保护的元件

　　A.移动箱

　　移动箱是一个由树脂玻璃制成的8”x8”x8”立方体便携式箱盒。树脂玻璃由于抗拉伸强度高、机加工特性良好，适用于高频高压加速器等高电压应用，而且成本合理。图3为移动箱。

　　

　　图3移动箱

　　B.安全开关

　　本箱盒中最好使用双向微动开关，因为它成本低且尺寸小。它包括2个接线端子和1个共用接线端子。被测设备的接地端子连接至开关的共用接线端子；而另外两个接线端子中，一个连接至负极电源，另一个连接至放电电阻。

　　如第二节所述，接线端子1仅在箱门正确关闭时才会导通。在此条件下，接线端子2将保持断开。当箱门打开时，接线端子2将导通，而接线端子1则处于断路状态。图4为安全开关配置示例。

　　

　　图4开关配置　　C.放电电阻

　　（1）根据RC时间常数原理，放电电阻的阻值可根据所需的放电时间来确定。电阻和电容成正比关系，电阻值越大，则时间常数越大（放电时间越长）。

　　根据该原理，适合于150mF电容器的电阻值为9.9 ，两者乘积所得的时间常数为1.485s。

　　t=RC （1）

　　同时也采用47μF电容器进行实验以研究电容器特性。如图5所示，该实验装置包括一个电阻、一个电容器和一个函数发生器。函数发生器触发5V的脉冲信号为电容器充电，经过一段时间后电容器放电。

　　

　　图5 电容器放电电路图

　　注释：Function generator （5V）--函数发生器 （5V）

　　可观察到，采用10 电阻时，电容器放电耗时2.6ms；采用1k 电阻时，放电时间则延迟至39.2ms。表1汇总不同电阻值所对应的电容器放电时间。据观察，电容器放电时间的增加与电阻值的增加成正比关系。

　　表1 电容器放电时间

　　四、应用

　　图6（a）为用于高电流测量的实验室装置。所需的输出电流约为60A，且与常规装置相比，新的实验室装置不存在偏差。事实上，由于放电电阻效应，新装置的供电电压波纹较少。测量结果对比见图7。 [p]

　　

　　图 6 用于高电流测量的实验室装置：（a） 当箱门关闭时导通 （b） 箱门打开时断开

　　

　　图 7 测量结果：（a） 旧实验室装置 （b） 采用移动箱的新实验室装置

　　从图6 （b） 中还可看出，当箱门打开时，测量会立即中断。如此可避免实验室事故，并能让实验室装置更加整齐有序。由于购买新的品牌高电压电源成本较高，所以在测量装置中采用电容器的方案无需购买高电压电源即可实现目的。

　　示波器下方的绿色波形代表被测设备的负载电流 （IL）。短路电流的初始高峰电流限值始终大于重复性的电流限值。当被测设备开启时，它会立即进入电流限制模式。第一个波峰表示被测设备达到电流限制模式，随后的重复性电流限值则是根据设备的具体结温而确定的。换句话说，设备立即开始进一步限制输出的电流，直至达到重复性波峰。到达结温时，被测设备进入热关断模式，最终，观察到设备在过温关断和电流限值运行之间反复切换。

　　短路测量结果汇总于表2，表中同时列出采用和不采用移动箱这两种情况下的重复性电流限值IL（SCR）以进行对比。

　　表2 短路测量结果

　　五、总结和后续工作

　　如上所述，已成功设计和制造了一种名为移动箱的便携式树脂玻璃箱盒。使用该装置成功完成了高电流测量，且电压波纹较小，被测电流对比证明了该设计的有效性。实验室自动集成功能将在后续工作中进行研究，目的是改善和增强移动箱的功能性。