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(kāi)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(guò)程中,精確測(cè)量導(dǎo)通延遲時(shí)間,目前還存在不少困難。在介紹時(shí)間測(cè)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(jì)一套高精度的IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的測(cè)量系統(tǒng),所測(cè)時(shí)間間隔通過(guò)液晶顯示器直接讀取,是一套較為理想的測(cè)量方案。

關(guān)鍵詞:IGBT;TDC-GP2;導(dǎo)通延遲時(shí)間;測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào):TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(wèn)世以來(lái)就以輸入阻抗高,開(kāi)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(kāi)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[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(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。

圖1 時(shí)間測(cè)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(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(mén)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。

圖2 TDC-GP2時(shí)間間隔測(cè)量原理

START信號(hào)與STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門(mén)的個(gè)數(shù)決定,而非門(mén)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(mén)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2.0～1.8 μs,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[3]。

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[4],是通過(guò)測(cè)量IGBT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(jiàn)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[5,6]。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(kāi)啟時(shí)間。

圖3 IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間測(cè)量的流程圖

整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路連接如圖4所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)硬件電路連接圖

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(mén)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[7]。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 2241.8 μs。

圖5 TDC-GP2芯片工作時(shí)序圖

初始化之后,TDC-GP2高速測(cè)量單元接收到START脈沖后開(kāi)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(kāi)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(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(mǎn)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(mǎn)足測(cè)量導(dǎo)通延時(shí)時(shí)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(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[10]。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

參考文獻(xiàn)

[1]張國(guó)俊,王剛.IGBT的發(fā)展情況及特點(diǎn)分析[J].微處理機(jī),2003(3):1-3.

[2]TDC-GP2 Universal 2 Channel Time-to-Digital Conver-ter.ACAM-Messelectronic,2007.

[3]孫杰,潘繼飛.高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法綜述[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2007,15(2):145-148.

[4]仲峰,萬(wàn)莉萍,岳宇軍,等.高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP2在激光測(cè)距中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007,20(4):69-72.

[5]李志勇,王輔忠,張海明,等.利用TDC-GP2優(yōu)化脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)性能[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(Z1):89-92.

[6]鄧星部,陳勇.時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP1在頻率測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新特器件應(yīng)用,2008(9):7-9.

[7]盧澤民.時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)用于用于激光測(cè)距及其誤差淺析[J].紅外與激光工程,2001(1):37-39.

[8]彭仕玉,張國(guó)云.提高相位激光測(cè)距精確度的研究[J].岳陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002(2):70-72.

[9]梁芳,孫曉明,強(qiáng)錫富.調(diào)強(qiáng)連續(xù)波激光測(cè)距系統(tǒng)中的電子交調(diào)干擾[J].光學(xué)技術(shù),1999(4):73-75.

[10]陳千頌,楊成偉,潘志文,等.激光飛行時(shí)間測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[J].激光與紅外,2002(1):7-10.