关于IGBT导通延迟时间的精确测量方法 晶体管, 测量

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0 引 言
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是GTR和MOSFET的一种新型复合器件，自问世以来就以输入阻抗高，开关速度快，通态压降低，阻断电压高，承受电流大等优点成为当今功率半导体器件中的主流开关器件，并广泛应用于多领域的工程实践当中。目前，IGBT的导通延迟时间可以达到几百纳秒，甚至更低。但在某些对器件时间特性要求较高的工程应用中，需要更精确地确定IGBT的导通延迟时间。因而高精度的测量时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文从精简结构，同时兼顾精度的角度出发，提出一种基于时间测量芯片TDC-GP2来精确测量IGBT导通延迟时间系统，用于测量IGBT的导通延迟时间，实现简单且成本低的一种较为理想的测量方案。
1 TDC-GP2的特性分析
TDC-GP2是德国ACAM公司继TDC-GP1之后新推出的一款高精度时间间隔测量芯片。与前代芯片相比，具有更高的精度、更小的封装和更低的价格，更适合于低成本工业应用领域。TDC-GP2内部结构，如图1所示。


该系统主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。在实际应用中，由于TDC-GP2的功耗很低，使得TDC-GP2的输入/输出电压(工作电压)为1.8～5.5 V，核心电压为1.8～3.6 V，所以可以采用电池供电，使用方便。同时单片机由4线的SPI接口相连，可以把TDC-GP2作为单片机的一个外围设备来操作。通过内部ALU单元计算出时间间隔，并将结果送入结果寄存器保存起来。通过对TDC-GP2内部寄存器的设置，可以多次采样并将结果保存。TDC-GP2是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的，是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的。TDC-GP2时间间隔测量原理如图2所示。


START信号与STOP信号之间的时间间隔由非门的个数决定，而非门的传输时间可以由集成电路工艺精确的确定。同时，由于门电路的传输时间受温度和电源电压的影响比较大，因而该芯片内部设计了锁相电路和标定电路。
在时间测量芯片TDC-GP2的测量范围1中，两个STOP通道共用一个START通道。每个通道的典型分辨率为50 ps，每个STOP通道都可以进行4次采样。具有15 ns间隔脉冲对的分辨能力，测量范围为2.0～1.8μs，每个通道都可以选择上升沿或下降沿触发。ENABLE引脚提供强大的停止信号产生的功能，可测量任意两个信号之间的时间间隔。
2 IGBT导通延迟时间测量的原理
IGBT导通延迟时间的精确测量，是通过测量IG-BT的控制信号、驱动信号和导通电流信号间的时间间隔得到的，流程图见图3。通过信号处理隔离电路将控制信号、驱动信号和导通电流信号输入时间测量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控制信号作为时间测量芯片TDC-GP2的START端口输入，驱动信号和IGBT的导通电流信号作为STOP1和STOP2端的两个脉冲输入。由此可得START与STOP1端口的时间间隔为控制信号与驱动信号的延迟时间;START与STOP2端口的时间间隔为控制信号与IGBT导通信号的延迟时间，两者的时间差即为IGBT相对于驱动信号的导通延迟时间。


3 IGBT延迟导通时间测量系统设计
3.1 测量系统硬件设计
系统主要由脉冲信号取样器、脉冲输入信号整形电路、TDC-GP2测量电路、AT89S52单片机、液晶显示电路、电源电路、时钟电路组成。TDC-GP2的每个测量通道都提供一个使能引脚，可独立地设置这两个引脚进行通道选择。TDC-GP2需要一个2～8 MHz的高速时钟进行校准用。TDC-GP2只是在进行时间测量时才必须用振荡器，且能够自动控制振荡器的开启时间。
整个系统的硬件电路连接如图4所示。


整个系统分为单片机系统模块、TDC-GP2测量模块和显示模块三部分。TDC-GP2作为系统测量核心单元，可直接对信号时间间隔进行测量，并通过单片机处理后将时间间隔数值在液晶显示器上显示。与常用的测量方法相比，该方法所需外围器件少，电路结构简单，功耗低。
3.2 测量系统软件设计
测量单元由START信号触发，接收到STOP信号后停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出START信号和STOP信号之间的时间间隔，测量范围可达20位。在3.3 V和25℃时，GP2的最小分辨率是65 ps，RMS噪音约是50 ps(0.7 LSB)。温度和电压对门电路的传播延迟时间有很大的影响，通常通过校准来补偿由温度和电压变化引起的误差。在校准过程中，TDC测量一个和两个校准时钟周期的时序如图5所示，其测量范围受计数器大小的限制：
tyy=BIN×26 224△1.8μs。


初始化之后，TDC-GP2高速测量单元接收到START脉冲后开始工作，达到设置的采样数或者遇到测量溢出后才停止工作。软件设计的重点在于根据需要设置TDC-GP2的工作模式和读取其内部的测量数据。在测量结尾，ALU开始依照HIT1和HIT2的设置处理数据并把结果送入输出寄存器。如果不进行校准，ALU传输16位原始数据到输出寄存器;如果进行校准，则ALU传输32位的固定浮点数到输出寄存器。然后通过单片机AT89S52处理后，在液晶显示器读取时间间隔数据，其测量流程如图6所示。


4 结 语
该系统充分利用TDC-GP2的优良特性，通过其高精度时间间隔测量功能实现了。IGBT导通延迟时间间隔的测量。该系统测量范围为2.0 ns～1.8 μs，其主要性能指标能满足测量IGBT导通延迟时间的要求，具有一定的实用价值。由于IGBT导通的电流信号是纳秒量级的高频信号，因此在后续电路设计中，将进一步提高系统的抗干扰能力，以满足测量导通延时时间间隔的需要。另外，单片机的工作频率较低，为了进一步提高该系统的工作速度，甚至增加更多的附加功能，可以考虑用工作频率更高的控制芯片作为系统的控制核心;同时也可以通过使用更高精度的时间间隔测量芯片来提高测量精度