门极控制延迟时间和开通时间设计及研究

◇西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司 黄 攀 段 鑫 陈泽宇 杨 钰

本文研究晶闸管门极的开通时间与控制延迟时间，通过一定的电路设计测试并计算出晶闸管的控制延时时间与开通时间参数，以便更准确的了解晶闸管门极特性，来筛选有特定要求的产品。

1 概述

试验是在规定的条件下，测量晶闸管的门极控制延迟时间和开通时间（延迟时间+上升时间）。

不同的晶闸管器件的门极控制延迟时间和开通时间（下文以其缩写代替td、tgt）是不同的，因此想准确的知道其开通与延迟时间，就需要通过设计电路来测量相关的参数。

2 电路原理

图1 试验标准

器件选择：为了满足测量要求的通态电流上升率，可由下面公式来计算：

式中：t1-通态电流上升至0.5ITM的时间（见图2）；R1-电容充电时，保护VD的电阻器。

图2 t1的波形

通过二极管VD1和电阻R1、电容器C1在电源电压的某半个周期内充电。使元件的门极触发脉冲在下一个半周期内同步，以便在充电电源不充电的这半个周期内施加门极触发脉冲。触发脉冲的半幅值脉冲宽度应足够长（大于10μs），避免影响测量结果。示波器的一个输入为被测器件两段的电压，另一个输入为电阻器R3两段的电压。

3 测试波形

器件的开通过程分为三个阶段，见图3。

图3 波形图

td段 对应的是延迟时间，这时门极信号已加入，但元件未开通，是从门极电流上升为0.1 IGM起 到被试起就器件的阳极电压VD下 降到0.9（VD-VT）为止的一段时间，其中VT元 件的通态电压。

元件的阳极电压从0.9（VD-VT）下降到0.1（VD-VT）所需要的时间为tr。

元件的延迟时间td与 上升时间tr之 和为元件的开通时间tgt。

4 原理设计

4.1 电路原理（见图4）

图4 原理框图

4.2 工作原理

Td、tgt测 试单元电路主要由交流电源、充电储能、震荡放电、电感电容切换，接口切换、触发电路、示波器采集波形等组成。工作原理是工控机通过串口控制单片机，根据设定值计算并进行电感电容切换，交流电源整流后给电容充电，达到设定电压后间隔一定时间后通过电感触发被测元件放电，产生震荡放电，通过示波器采集触发及阳极电压波形，并传输到工控机中，根据标准要求计算出测量值。

4.3 主电路原理

图5 主电路原理框图

工作原理：

主电路由阳极电压调节电路、可调振荡电容器C、可调振荡电感L等组成。振荡电路是一个开环电压控制系统，加在被测器件DUT两端的电压、电流、di/dt通过串口设定，计算出电感、电容并根据被测器件的测试条件来施加阳极电压，阳极电流是通过C、L与被测器件形成振荡电流波形，用高频电流互感器Itd从示波器上测出电流波形，并通过示波器采集电压及门极触发波形，进行延迟时间和上升时间的计算。

4.4 控制回路原理

图6 控制原理框图

工作原理：

通过串口控制单片机板DIAP1、单片机接口放大板DIAP2、电感电容切换板DIAP4-A/B、充电控制板DIAP5、电压取样板DIAP6、触发控制板DIAP3、电压触发取样等部分组成。

在计算机屏幕上设定好电压、电流、di/dt及门极电流，压好被测元件，按下测试按钮，计算机通过串口控制单片机DIAP1，计算出电容及电感组合，通过DIAP2放大并通过DIAP4-A/B进行切换，切换好后开始由DIAP5充电，当达到反馈电压（DIAP6板控制）时关闭DIAP5，经过一定时间后控制DIAP3发出触发脉冲，经过功率放大后，触发被测器件，产生放电电流，在示波器采集电及门极波形，通过网口传输到工控机上，并将计算结果显示到计算机屏幕上。

5 di/dt引申研究

除本文所术获取电流临界上升率（di/dt）外，也可采用直流法获取；用以不同的思路和方法来研究和设计td、tgt。

直流法是通过电源电路、控制单元及LC调整电路构成。通过改变电感、电容的组合，以调整流过被测器件的通态电流临界上升率。

5.1 主回路原理

主回路主要由直流电源、断态电压调节电路、LC调节电路及电流波形采样电路组成。由变压器、整流电路、储能电容器组成直流电源。当接通主电路后即产生稳定的直流电压，并通过“电容电压”指针表指示。

LC调节电路由电感、电容及继电器和LC控制电路组成。通过“L选择”、“C选择”来选择不同的值，经LC控制电路使电感和电容以不同的组合方式投入，从而得到要求的通态峰值电流和规定的di/dt值。

流过被测器件的电流波形由磁芯线圈耦合产生，通过“波形输出”接口与示波器连接，可观察通态电流的波形。

断态电压由的“VDM调 节”进行设定，并通过“VDM” 显示。选择“运行”后，控制电路产生的“IGBT触发”信号经隔离开关驱动电路使“隔离开关”开通，电容充电。控制电路将电容电压的采样值与断态电压设定值进行比较。当电容充电达到规定值时，关断“隔离开关”，停止充电，并发触发脉冲使被测器件导通。通过振荡电路使电容放电，以得到要求的通态峰值电流和规定的di/dt值。通过“波形输出”端子与示波器连接，可观察通态峰值电流波形。

5.2 控制回路原理

控制电路由断态电压控制、采样/保持电路、同步脉冲形成电路、隔离开关驱动及被测器件触发电路、测试次数计数、测试失效指示等几个部分组成。断态电压由电位器进行设定。电容电压经集成电路输入至采样、保持电路，采样/保持后送入“VDM”表，以显示断态电压值。

同步信号经规定集成电路，由脉冲形成电路产生脉冲信号，一方面作为断态电压采样/保持电路的同步信号，另一方面作为触发脉冲，经隔离驱动电路，控制被测器件的门极，使其触发导通。

5.3 di/dt波形读取

通过“波形输出”端，使用示波器观察通态电流波形，波形见图7。

图7 通态电流波形图

其中：ITM：通态峰值电流（A）；t1：10%ITM和 50%ITM两点对应的时间间隔（μs）。

di/dt的定义：

注：“波形输出”端口输出的是电压值，应按规定换算成电流值。根据试验条件确定断态电压（VDM）、通态峰值电流（ITM）及规定的di/dt值，通过下列公式计算出所需的电容（C）、电感（L）值。

5.4 电感、电容计算方法

根据计算所得的L、C值预置“L选择”和“C选择”的档位。观察波形，若di/dt值偏大，可通过增大“L选择”的档位来减小；若通态峰值电流偏小，可通过增大“C选择”的档位来增大通态峰值电流值。

6 结束语

本文阐述了td、tgt时主原理回路设计、控制回路设计、控制流程及主要器件计算，并且介绍了td、tgt的相关波形，对选择晶闸管td、tgt有特殊要求的设计或试验有一定的帮助，也满足晶闸管td、tgt的 测试需要；并选取两种不同的方法来获取di/dt，对di/dt进行了更加深入的设计及研究；以不同的设计思路，多方面设计研究td、tgt。