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(wèn)世以來(lái)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(duì)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(cè)量時(shí)間間隔是測(cè)量領(lǐng)域一直關(guān)注的問(wèn)題。本文從精簡(jiǎn)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(cè)量芯片TDC-GP2來(lái)精確測(cè)量IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間系統(tǒng)，用于測(cè)量IGBT的導(dǎo)通延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且成本低的一種較為理想的測(cè)量方案。
1 TDC-GP2的特性分析
TDC-GP2是德國(guó)ACAM公司繼TDC-GP1之后新推出的一款高精度時(shí)間間隔測(cè)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(cè)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(lái)操作。通過(guò)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(lái)。通過(guò)對(duì)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(cè)量“傳輸延時(shí)”來(lái)進(jìn)行的，是以信號(hào)通過(guò)內(nèi)部門電路的傳播延遲來(lái)進(jìn)行高精度時(shí)間間隔測(cè)量的。TDC-GP2時(shí)間間隔測(cè)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(cè)量芯片TDC-GP2的測(cè)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(duì)的分辨能力，測(cè)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(cè)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(cè)量的原理
IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的精確測(cè)量，是通過(guò)測(cè)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(guò)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(cè)量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控制信號(hào)作為時(shí)間測(cè)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(duì)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。
整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路連接如圖4所示。
整個(gè)系統(tǒng)分為單片機(jī)系統(tǒng)模塊、TDC-GP2測(cè)量模塊和顯示模塊三部分。TDC-GP2作為系統(tǒng)測(cè)量核心單元，可直接對(duì)信號(hào)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)單片機(jī)處理后將時(shí)間間隔數(shù)值在液晶顯示器上顯示。與常用的測(cè)量方法相比，該方法所需外圍器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。
3．2 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
測(cè)量單元由START信號(hào)觸發(fā)，接收到STOP信號(hào)后停止。由環(huán)形振蕩器的位置和粗值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出START信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔，測(cè)量范圍可達(dá)20位。在3．3 V和25℃時(shí)，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(duì)門電路的傳播延遲時(shí)間有很大的影響，通常通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償由溫度和電壓變化引起的誤差。在校準(zhǔn)過(guò)程中，TDC測(cè)量一個(gè)和兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期的時(shí)序如圖5所示，其測(cè)量范圍受計(jì)數(shù)器大小的限制：
tyy=BIN×26 224△1．8μs。
初始化之后，TDC-GP2高速測(cè)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(cè)量溢出后才停止工作。軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)。在測(cè)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(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(diǎn)數(shù)到輸出寄存器。然后通過(guò)單片機(jī)AT89S52處理后，在液晶顯示器讀取時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，其測(cè)量流程如圖6所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
該系統(tǒng)充分利用TDC-GP2的優(yōu)良特性，通過(guò)其高精度時(shí)間間隔測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)了。IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間間隔的測(cè)量。該系統(tǒng)測(cè)量范圍為2．0 ns～1．8 μs，其主要性能指標(biāo)能滿足測(cè)量IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于IGBT導(dǎo)通的電流信號(hào)是納秒量級(jí)的高頻信號(hào)，因此在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，以滿足測(cè)量導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間間隔的需要。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(shí)也可以通過(guò)使用更高精度的時(shí)間間隔測(cè)量芯片來(lái)提高測(cè)量精度。