关于IGBT 导通延迟时间的精确测量方法 作者：肖广大, 李海涛, 马学林, 严仲明, 董 亮, 王 豫
来源：《现代电子技术》2009年第20期
摘 要: IGBT以其输入阻抗高, 开关速度快, 通态压降低等特性已成为当今功率半导体器件的主流器件, 但在它的使用过程中, 精确测量导通延迟时间, 目前还存在不少困难。在介绍时间测量芯片TDC-GP2的主要功能和特性的基础上, 利用其优良的特性, 设计一套高精度的IGBT 导通延迟时间的测量系统, 所测时间间隔通过液晶显示器直接读取, 是一套较为理想的测量方案。 关键词:IGBT;TDC-GP2;导通延迟时间; 测量
中图分类号:TN710文献标识码:A
文章编号: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
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是GTR 和MOSFET 的一种新型复合器件[1],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
[2]。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。
图1 时间测量芯片TDC-GP2内部结构图
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。 图2 TDC-GP2时间间隔测量原理
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2.0～1.8 μs,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[3]。
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[4],是通过测量IGBT 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
关于IGBT 导通延迟时间的精确测量方法 作者：肖广大, 李海涛, 马学林, 严仲明, 董 亮, 王 豫
来源：《现代电子技术》2009年第20期
摘 要: IGBT以其输入阻抗高, 开关速度快, 通态压降低等特性已成为当今功率半导体器件的主流器件, 但在它的使用过程中, 精确测量导通延迟时间, 目前还存在不少困难。在介绍时间测量芯片TDC-GP2的主要功能和特性的基础上, 利用其优良的特性, 设计一套高精度的IGBT 导通延迟时间的测量系统, 所测时间间隔通过液晶显示器直接读取, 是一套较为理想的测量方案。 关键词:IGBT;TDC-GP2;导通延迟时间; 测量
中图分类号:TN710文献标识码:A
文章编号: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
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是GTR 和MOSFET 的一种新型复合器件[1],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
[2]。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。
图1 时间测量芯片TDC-GP2内部结构图
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。 图2 TDC-GP2时间间隔测量原理
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2.0～1.8 μs,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[3]。
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[4],是通过测量IGBT 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