關(guān)于IGBT導(dǎo)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(fù)合器件，自問世以來就以輸入阻抗高，開關(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(dāng)今功率半導(dǎo)體器件中的主流開關(guān)器件，并廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域的工程實(shí)踐當(dāng)中。目前，IGBT的導(dǎo)通延遲時(shí)間可以達(dá)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(yīng)用中，需要更精確地確定IGBT的導(dǎo)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)注的問題。本文從精簡結(jié)構(gòu)，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來精確測量IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間系統(tǒng)，用于測量IGBT的導(dǎo)通延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡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(yīng)用領(lǐng)域。TDC-GP2內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
該系統(tǒng)主要由脈沖產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)處理單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)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(jī)相接的SPI接口組成。在實(shí)際應(yīng)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(jī)由4線的SPI接口相連，可以把TDC-GP2作為單片機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備來操作。通過內(nèi)部ALU單元計(jì)算出時(shí)間間隔，并將結(jié)果送入結(jié)果寄存器保存起來。通過對TDC-GP2內(nèi)部寄存器的設(shè)置，可以多次采樣并將結(jié)果保存。TDC-GP2是基于內(nèi)部的模擬電路測量“傳輸延時(shí)”來進(jìn)行的，是以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(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(hào)與STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)決定，而非門的傳輸時(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(nèi)部設(shè)計(jì)了鎖相電路和標(biāo)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(qiáng)大的停止信號(hào)產(chǎn)生的功能，可測量任意兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔。
2 IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間測量的原理
IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的精確測量，是通過測量IG-BT的控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)和導(dǎo)通電流信號(hào)間的時(shí)間間隔得到的，流程圖見圖3。通過信號(hào)處理隔離電路將控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)和導(dǎo)通電流信號(hào)輸入時(shí)間測量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控制信號(hào)作為時(shí)間測量芯片TDC-GP2的START端口輸入，驅(qū)動(dòng)信號(hào)和IGBT的導(dǎo)通電流信號(hào)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(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間；START與STOP2端口的時(shí)間間隔為控制信號(hào)與IGBT導(dǎo)通信號(hào)的延遲時(shí)間，兩者的時(shí)間差即為IGBT相對于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的導(dǎo)通延遲時(shí)間。
3 IGBT延遲導(dǎo)通時(shí)間測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由脈沖信號(hào)取樣器、脈沖輸入信號(hào)整形電路、TDC-GP2測量電路、AT89S52單片機(jī)、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(dú)立地設(shè)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(zhǔn)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)控制振蕩器的開啟時(shí)間。
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