關(guān)于IGBT導通延遲時(shí)間的精確測量方法
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絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是GTR和MOSFET的一種新型復合器件，自問(wèn)世以來(lái)就以輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降低，阻斷電壓高，承受電流大等優(yōu)點(diǎn)成為當今功率半導體器件中的主流開(kāi)關(guān)器件，并廣泛應用于多領(lǐng)域的工程實(shí)踐當中。目前，IGBT的導通延遲時(shí)間可以達到幾百納秒，甚至更低。但在某些對器件時(shí)間特性要求較高的工程應用中，需要更精確地確定IGBT的導通延遲時(shí)間。因而高精度的測量時(shí)間間隔是測量領(lǐng)域一直關(guān)注的問(wèn)題。本文從精簡(jiǎn)結構，同時(shí)兼顧精度的角度出發(fā)，提出一種基于時(shí)間測量芯片TDC-GP2來(lái)精確測量IGBT導通延遲時(shí)間系統，用于測量IGBT的導通延遲時(shí)間，實(shí)現簡(jiǎn)單且成本低的一種較為理想的測量方案。
1 TDC-GP2的特性分析
TDC-GP2是德國ACAM公司繼TDC-GP1之后新推出的一款高精度時(shí)間間隔測量芯片。與前代芯片相比，具有更高的精度、更小的封裝和更低的價(jià)格，更適合于低成本工業(yè)應用領(lǐng)域。TDC-GP2內部結構，如圖1所示。
該系統主要由脈沖產(chǎn)生器、數據處理單元、時(shí)間數字轉換器、溫度測量單元、時(shí)鐘控制單元、配置寄存器以及與單片機相接的SPI接口組成。在實(shí)際應用中，由于TDC-GP2的功耗很低，使得TDC-GP2的輸入／輸出電壓(工作電壓)為1．8～5．5 V，核心電壓為1．8～3．6 V，所以可以采用電池供電，使用方便。同時(shí)單片機由4線(xiàn)的SPI接口相連，可以把TDC-GP2作為單片機的一個(gè)外圍設備來(lái)操作。通過(guò)內部ALU單元計算出時(shí)間間隔，并將結果送入結果寄存器保存起來(lái)。通過(guò)對TDC-GP2內部寄存器的設置，可以多次采樣并將結果保存。TDC-GP2是基于內部的模擬電路測量“傳輸延時(shí)”來(lái)進(jìn)行的，是以信號通過(guò)內部門(mén)電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測量的。TDC-GP2時(shí)間間隔測量原理如圖2所示。
START信號與STOP信號之間的時(shí)間間隔由非門(mén)的個(gè)數決定，而非門(mén)的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確的確定。同時(shí)，由于門(mén)電路的傳輸時(shí)間受溫度和電源電壓的影響比較大，因而該芯片內部設計了鎖相電路和標定電路。
在時(shí)間測量芯片TDC-GP2的測量范圍1中，兩個(gè)STOP通道共用一個(gè)START通道。每個(gè)通道的典型分辨率為50 ps，每個(gè)STOP通道都可以進(jìn)行4次采樣。具有15 ns間隔脈沖對的分辨能力，測量范圍為2．0～1．8μs，每個(gè)通道都可以選擇上升沿或下降沿觸發(fā)。ENABLE引腳提供強大的停止信號產(chǎn)生的功能，可測量任意兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔。
2 IGBT導通延遲時(shí)間測量的原理
IGBT導通延遲時(shí)間的精確測量，是通過(guò)測量IG-BT的控制信號、驅動(dòng)信號和導通電流信號間的時(shí)間間隔得到的，流程圖見(jiàn)圖3。通過(guò)信號處理隔離電路將控制信號、驅動(dòng)信號和導通電流信號輸入時(shí)間測量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控制信號作為時(shí)間測量芯片TDC-GP2的START端口輸入，驅動(dòng)信號和IGBT的導通電流信號作為STOP1和STOP2端的兩個(gè)脈沖輸入。由此可得START與STOP1端口的時(shí)間間隔為控制信號與驅動(dòng)信號的延遲時(shí)間；START與STOP2端口的時(shí)間間隔為控制信號與IGBT導通信號的延遲時(shí)間，兩者的時(shí)間差即為IGBT相對于驅動(dòng)信號的導通延遲時(shí)間。
3 IGBT延遲導通時(shí)間測量系統設計
3．1 測量系統硬件設計
系統主要由脈沖信號取樣器、脈沖輸入信號整形電路、TDC-GP2測量電路、AT89S52單片機、液晶顯示電路、電源電路、時(shí)鐘電路組成。TDC-GP2的每個(gè)測量通道都提供一個(gè)使能引腳，可獨立地設置這兩個(gè)引腳進(jìn)行通道選擇。TDC-GP2需要一個(gè)2～8 MHz的高速時(shí)鐘進(jìn)行校準用。TDC-GP2只是在進(jìn)行時(shí)間測量時(shí)才必須用振蕩器，且能夠自動(dòng)控制振蕩器的開(kāi)啟時(shí)間。
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