0 引 言
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是GTR和MOSFET的一種新型復合器件,，自問世以來就以輸入阻抗高,，開關速度快,，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體器件中的主流開關器件,，并廣泛應用于多領域的工程實踐當中。目前,，IGBT的導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用中,，需要更精確地確定IGBT的導通延遲時間,。因而高精度的測量時間間隔是測量領域一直關注的問題。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導通延遲時間系統(tǒng)，用于測量IGBT的導通延遲時間,，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)應用領域,。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導通延遲時間測量的原理
IGBT導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)動信號的導通延遲時間,。
3 IGBT延遲導通時間測量系統(tǒng)設計
3．1 測量系統(tǒng)硬件設計
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,，達到設置的采樣數(shù)或者遇到測量溢出后才停止工作,。軟件設計的重點在于根據(jù)需要設置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導通延遲時間的要求,，具有一定的實用價值。由于IGBT導通的電流信號是納秒量級的高頻信號,，因此在后續(xù)電路設計中,，將進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以滿足測量導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,。