关于IGBT导通延迟时间的精确测量方法
关于igbt导通延迟时间的精确测量方法
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。
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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。
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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。
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