關(guān)于IGBT導(dǎo)通延遲時間的精確測量方法

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，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)域的工程實踐當中。目前，IGBT的導(dǎo)通延遲時間可以達到幾百納秒，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。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。

    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。同時單片機由4線的SPI接口相連，可以把TDC-GP2作為單片機的一個外圍設(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”來進行的，是以信號通過內(nèi)部門電路的傳播延遲來進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。

    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，可測量任意兩個信號之間的時間間隔。

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，是通過測量IG-BT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、液晶顯示電路、電源電路、時鐘電路組成。TDC-GP2的每個測量通道都提供一個使能引腳，可獨立地設(shè)置這兩個引腳進行通道選擇。TDC-GP2需要一個2～8 MHz的高速時鐘進行校準用。TDC-GP2只是在進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。

    整個系統(tǒng)的硬件電路連接如圖4所示。

    整個系統(tǒng)分為單片機系統(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行測量，并通過單片機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，通常通過校準來補償由溫度和電壓變化引起的誤差。在校準過程中，TDC測量一個和兩個校準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×26 224△1．8μs。

    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。如果不進行校準，ALU傳輸16位原始數(shù)據(jù)到輸出寄存器；如果進行校準，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。另外，單片機的工作頻率較低，為了進一步提高該系統(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。