關(guān)于IGBT導(dǎo)通延遲時間的精確測量方法

肖廣大,李海濤,馬學(xué)林,嚴(yán)仲明,董 亮,王 豫

摘 要: IGBT以其輸入阻抗高,開關(guān)速度快,通態(tài)壓降低等特性已成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件的主流器件,但在它的使用過程中,精確測量導(dǎo)通延遲時間,目前還存在不少困難。在介紹時間測量芯片TDC-GP2的主要功能和特性的基礎(chǔ)上,利用其優(yōu)良的特性,設(shè)計一套高精度的IGBT導(dǎo)通延遲時間的測量系統(tǒng),所測時間間隔通過液晶顯示器直接讀取,是一套較為理想的測量方案。

關(guān)鍵詞:IGBT;TDC-GP2;導(dǎo)通延遲時間;測量

中圖分類號:TN710文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-017-03

Measurement of Interval for IGBT′s Close Delay Time

XIAO Guangda1,2,LI Haitao2,MA Xuelin1,YAN Zhongming1,DONG Liang1,WANG Yu1

(1.Superconductivity R﹠D Center,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China;

2.MOE Key Lab of Magler Technology and Vehicle,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract:IGBT as an important role in the high power electronics field,because of its excellent performance enables such as high input impedance,rapid pace of on-off,small voltage losing of close,there is some difficulty to measure the interval for IGBT′s delay time.TDC-GP2 that is a CMOS chip for measuring a brief interval,and a system to measure the brief interval that about the IGBT′s close delay time are introduced.

Keywords:IGBT;TDC-GP2;close delay time;measurement

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是GTR和MOSFET的一種新型復(fù)合器件[1],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)域的工程實踐當(dāng)中。目前,IGBT的導(dǎo)通延遲時間可以達(dá)到幾百納秒,甚至更低。但在某些對器件時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)通延遲時間。因而高精度的測量時間間隔是測量領(lǐng)域一直關(guān)注的問題。本文從精簡結(jié)構(gòu),同時兼顧精度的角度出發(fā),提出一種基于時間測量芯片TDC-GP2來精確測量IGBT導(dǎo)通延遲時間系統(tǒng),用于測量IGBT的導(dǎo)通延遲時間,實現(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間間隔測量芯片[2]。與前代芯片相比,具有更高的精度、更小的封裝和更低的價格,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。

圖1 時間測量芯片TDC-GP2內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要由脈沖產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)處理單元、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、溫度測量單元、時鐘控制單元、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)的一個外圍設(shè)備來操作。通過內(nèi)部ALU單元計算出時間間隔,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”來進(jìn)行的,是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進(jìn)行高精度時間間隔測量的。TDC-GP2時間間隔測量原理如圖2所示。

圖2 TDC-GP2時間間隔測量原理

START信號與STOP信號之間的時間間隔由非門的個數(shù)決定,而非門的傳輸時間可以由集成電路工藝精確的確定。同時,由于門電路的傳輸時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)計了鎖相電路和標(biāo)定電路。

在時間測量芯片TDC-GP2的測量范圍1中,兩個STOP通道共用一個START通道。每個通道的典型分辨率為50 ps,每個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2.0～1.8 μs,每個通道都可以選擇上升沿或下降沿觸發(fā)。ENABLE引腳提供強(qiáng)大的停止信號產(chǎn)生的功能,可測量任意兩個信號之間的時間間隔[3]。

2 IGBT導(dǎo)通延遲時間測量的原理

IGBT導(dǎo)通延遲時間的精確測量[4],是通過測量IGBT的控制信號、驅(qū)動信號和導(dǎo)通電流信號間的時間間隔得到的,流程圖見圖3。通過信號處理隔離電路將控制信號、驅(qū)動信號和導(dǎo)通電流信號輸入時間測量芯片TDC-GP2。其中,IGBT的控制信號作為時間測量芯片TDC-GP2的START端口輸入,驅(qū)動信號和IGBT的導(dǎo)通電流信號作為STOP1和STOP2端的兩個脈沖輸入。由此可得START與STOP1端口的時間間隔為控制信號與驅(qū)動信號的延遲時間;START與STOP2端口的時間間隔為控制信號與IGBT導(dǎo)通信號的延遲時間,兩者的時間差即為IGBT相對于驅(qū)動信號的導(dǎo)通延遲時間。

3 IGBT延遲導(dǎo)通時間測量系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)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(jī)、液晶顯示電路、電源電路、時鐘電路組成[5,6]。TDC-GP2的每個測量通道都提供一個使能引腳,可獨立地設(shè)置這兩個引腳進(jìn)行通道選擇。TDC-GP2需要一個2～8 MHz的高速時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)用。TDC-GP2只是在進(jìn)行時間測量時才必須用振蕩器,且能夠自動控制振蕩器的開啟時間。

圖3 IGBT導(dǎo)通延遲時間測量的流程圖

整個系統(tǒng)的硬件電路連接如圖4所示。

圖4 測量系統(tǒng)硬件電路連接圖

整個系統(tǒng)分為單片機(jī)系統(tǒng)模塊、TDC-GP2測量模塊和顯示模塊三部分。TDC-GP2作為系統(tǒng)測量核心單元,可直接對信號時間間隔進(jìn)行測量,并通過單片機(jī)處理后將時間間隔數(shù)值在液晶顯示器上顯示。與常用的測量方法相比,該方法所需外圍器件少,電路結(jié)構(gòu)簡單,功耗低。

3.2 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

測量單元由START信號觸發(fā),接收到STOP信號后停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計數(shù)器的計數(shù)值可以計算出START信號和STOP信號之間的時間間隔,測量范圍可達(dá)20位。在3.3 V和25 ℃時,GP2的最小分辨率是65 ps,RMS噪音約是50 ps(0.7 LSB)。溫度和電壓對門電路的傳播延遲時間有很大的影響,通常通過校準(zhǔn)來補(bǔ)償由溫度和電壓變化引起的誤差[7]。在校準(zhǔn)過程中,TDC 測量一個和兩個校準(zhǔn)時鐘周期的時序如圖5所示,其測量范圍受計數(shù)器大小的限制:tyy=BIN×26 2241.8 μs。

圖5 TDC-GP2芯片工作時序圖

初始化之后,TDC-GP2高速測量單元接收到START脈沖后開始工作,達(dá)到設(shè)置的采樣數(shù)或者遇到測量溢出后才停止工作。軟件設(shè)計的重點在于根據(jù)需要設(shè)置TDC-GP2的工作模式和讀取其內(nèi)部的測量數(shù)據(jù)。在測量結(jié)尾,ALU 開始依照HIT1 和HIT2 的設(shè)置處理數(shù)據(jù)并把結(jié)果送入輸出寄存器[8]。

如果不進(jìn)行校準(zhǔn),ALU 傳輸16 位原始數(shù)據(jù)到輸出寄存器;如果進(jìn)行校準(zhǔn),則ALU傳輸32 位的固定浮點數(shù)到輸出寄存器。然后通過單片機(jī)AT89S52處理后,在液晶顯示器讀取時間間隔數(shù)據(jù),其測量流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)充分利用TDC-GP2的優(yōu)良特性,通過其高精度時間間隔測量功能實現(xiàn)了IGBT導(dǎo)通延遲時間間隔的測量。該系統(tǒng)測量范圍為2.0 ns～1.8 μs ,其主要性能指標(biāo)能滿足測量IGBT導(dǎo)通延遲時間的要求,具有一定的實用價值。由于IGBT導(dǎo)通的電流信號是納秒量級的高頻信號, 因此在后續(xù)電路設(shè)計中,將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力,以滿足測量導(dǎo)通延時時間間隔的需要[9]。另外,單片機(jī)的工作頻率較低,為了進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的工作速度,甚至增加更多的附加功能,可以考慮用工作頻率更高的控制芯片作為系統(tǒng)的控制核心;同時也可以通過使用更高精度的時間間隔測量芯片來提高測量精度[10]。

圖6 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計圖

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