中心議題：

• TDC-GP2的特性分析
• IGBT導通延遲時間測量的原理
• IGBT延遲導通時間測量係統設計

解決方案：

• IGBT延遲導通時間測量係統硬件及軟件設計

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是GTR和MOSFET的(de)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)複(fu)合(he)器(qi)件(jian)
，自(zi)問(wen)世(shi)以(yi)來(lai)就(jiu)以(yi)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)高(gao)
，開(kai)關(guan)速(su)度(du)快(kuai)，通(tong)態(tai)壓(ya)降(jiang)低(di)，阻(zu)斷(duan)電(dian)壓(ya)高(gao)
，承(cheng)受(shou)電(dian)流(liu)大(da)等(deng)優(you)點(dian)成(cheng)為(wei)當(dang)今(jin)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)中(zhong)的(de)主(zhu)流(liu)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)，並(bing)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)多(duo)領(ling)域(yu)的(de)工(gong)程(cheng)實(shi)踐(jian)當(dang)中(zhong)。目(mu)前(qian)，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de導dao通tong延yan遲chi時shi間jian。因yin而er高gao精jing度du的de測ce量liang時shi間jian間jian隔ge是shi測ce量liang領ling域yu一yi直zhi關guan注zhu的de問wen題ti。本ben文wen從cong精jing簡jian結jie構gou，同tong時shi兼jian顧gu精jing度du的de角jiao度du出chu發fa，提ti出chu一yi種zhong基ji於yu時shi間jian測ce量liang芯xin片pianTDC-GP2來精確測量IGBT導通延遲時間係統，用於測量IGBT的導通延遲時間
，實現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之後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，更適合於低成本工業應用領域。TDC-GP2內部結構，如圖1所示。

該係統主要由脈衝產生器、數據處理單元

、時間數字轉換器
、溫度測量單元、時鍾控製單元、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，由於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。通過內部ALU單元計算出時間間隔，並將結果送入結果寄存器保存起來。通過對TDC-GP2內部寄存器的設置
，可以多次采樣並將結果保存。TDC-GP2是基於內部的模擬電路測量“傳輸延時”來進行的
，是以信號通過內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。

[page]

START信號與STOP信(xin)號(hao)之(zhi)間(jian)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)由(you)非(fei)門(men)的(de)個(ge)數(shu)決(jue)定(ding)，而(er)非(fei)門(men)的(de)傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)可(ke)以(yi)由(you)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)工(gong)藝(yi)精(jing)確(que)的(de)確(que)定(ding)。同(tong)時(shi)，由(you)於(yu)門(men)電(dian)路(lu)的(de)傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)受(shou)溫(wen)度(du)和(he)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)影(ying)響(xiang)比(bi)較(jiao)大(da)
，因(yin)而(er)該(gai)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)設(she)計(ji)了(le)鎖(suo)相(xiang)電(dian)路(lu)和(he)標(biao)定(ding)電(dian)路(lu)。

在時間測量芯片TDC-GP2的測量範圍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間隔脈衝對的分辨能力，測量範圍為2．0～1．8μs

，每個通道都可以選擇上升沿或下降沿觸發。ENABLE引腳提供強大的停止信號產生的功能
，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的控製信號


、驅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製信號、驅動信號和導通電流信號輸入時間測量芯片TDC-GP2。其中，IGBT的控製信號作為時間測量芯片TDC-GP2的START端口輸入
，驅動信號和IGBT的導通電流信號作為STOP1和STOP2端的兩個脈衝輸入。由此可得START與STOP1端口的時間間隔為控製信號與驅動信號的延遲時間；START與STOP2端口的時間間隔為控製信號與IGBT導通信號的延遲時間，兩者的時間差即為IGBT相對於驅動信號的導通延遲時間。

3 IGBT延遲導通時間測量係統設計

3．1 測量係統硬件設計
係統主要由脈衝信號取樣器、脈衝輸入信號整形電路、TDC-GP2測量電路
、AT89S52單片機、液晶顯示電路、電源電路、時鍾電路組成。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的高速時鍾進行校準用。TDC-GP2隻是在進行時間測量時才必須用振蕩器
，且能夠自動控製振蕩器的開啟時間。整個係統的硬件電路連接如圖4所示。

整個係統分為單片機係統模塊、TDC-GP2測量模塊和顯示模塊三部分。TDC-GP2作zuo為wei係xi統tong測ce量liang核he心xin單dan元yuan，可ke直zhi接jie對dui信xin號hao時shi間jian間jian隔ge進jin行xing測ce量liang，並bing通tong過guo單dan片pian機ji處chu理li後hou將jiang時shi間jian間jian隔ge數shu值zhi在zai液ye晶jing顯xian示shi器qi上shang顯xian示shi。與yu常chang用yong的de測ce量liang方fang法fa相xiang比bi，該gai方fang法fa所suo需xu外wai圍wei器qi件jian少shao，電dian路lu結jie構gou簡jian單dan，功gong耗hao低di。
[page]
3．2 測量係統軟件設計
測量單元由START信號觸發，接收到STOP信號後停止。由環形振蕩器的位置和粗值計數器的計數值可以計算出START信號和STOP信號之間的時間間隔，測量範圍可達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鍾周期的時序如圖5所示，其測量範圍受計數器大小的限製：
tyy=BIN×26 224△1．8μs。

初始化之後，TDC-GP2高速測量單元接收到START脈衝後開始工作
，達到設置的采樣數或者遇到測量溢出後才停止工作。軟件設計的重點在於根據需要設置TDC-GP2的工作模式和讀取其內部的測量數據。在測量結尾

，ALU開始依照HIT1和HIT2的設置處理數據並把結果送入輸出寄存器。如果不進行校準，ALU傳輸16位原始數據到輸出寄存器；如果進行校準
，則ALU傳輸32位的固定浮點數到輸出寄存器。然後通過單片機AT89S52處理後，在液晶顯示器讀取時間間隔數據
，其測量流程如圖6所示。

4 結 語

該係統充分利用TDC-GP2的優良特性，通過其高精度時間間隔測量功能實現了。IGBT導通延遲時間間隔的測量。該係統測量範圍為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。由於IGBT導dao通tong的de電dian流liu信xin號hao是shi納na秒miao量liang級ji的de高gao頻pin信xin號hao
，因yin此ci在zai後hou續xu電dian路lu設she計ji中zhong，將jiang進jin一yi步bu提ti高gao係xi統tong的de抗kang幹gan擾rao能neng力li，以yi滿man足zu測ce量liang導dao通tong延yan時shi時shi間jian間jian隔ge的de需xu要yao。另ling外wai
，單dan片pian機ji的de工gong作zuo頻pin率lv較jiao低di

，為wei了le進jin一yi步bu提ti高gao該gai係xi統tong的de工gong作zuo速su度du，甚shen至zhi增zeng加jia更geng多duo的de附fu加jia功gong能neng

，可ke以yi考kao慮lv用yong工gong作zuo頻pin率lv更geng高gao的de控kong製zhi芯xin片pian作zuo為wei係xi統tong的de控kong製zhi核he心xin
；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。