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IGBTdedaotongyanchishijian。yinergaojingdudeceliangshijianjiangeshicelianglingyuyizhiguanzhudewenti。benwencongjingjianjiegou
，tongshijiangujingdudejiaoduchufa
，tichuyizhongjiyushijianceliangxinpianTDC-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。

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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)。
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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。