電壓源 1 將存儲電容器 2 充電至約 100 V。浪涌電流脈沖形成的開始由同步電路 13 確定，該同步電路 13 發(fā)送命令以打開和第二開關(guān) 10 和 11，向發(fā)生器 14 發(fā)送控制命令以生成被測半導(dǎo)體器件 5 的控制信號和參考信號整形器 9 的觸發(fā)脈沖。參考信號整形器 9 向放大器 8 的同相輸入輸出持續(xù)時間為 10 ms 的適當(dāng)半正弦波的單個脈沖。它導(dǎo)致放大器 8 將信號輸出到 N 個 MOSFET 3 的柵極。為了防止晶體管因超過允許的脈沖功率而擊穿，到柵極的信號電平由電壓限制器12限制，而其持續(xù)時間由開關(guān)10限制。與流經(jīng)個 MOSFET 的電流成比例的反饋信號由其源中的電阻器 4 產(chǎn)生，并饋送到反相輸入放大器 8。

由于晶體管3的柵極是連接的，并且平衡電阻4包含在晶體管3的源中，因此通過每個晶體管3的電流脈沖大致相同，并重復(fù)參考信號的形狀。將這些電流脈沖相加，產(chǎn)生一個半正弦浪涌電流脈沖，該脈沖從存儲電容器 2 的正極端子流過對準(zhǔn)電阻器 4、被測半導(dǎo)體器件 5 和分流器（電流傳感器）6。

浪涌電流脈沖的幅度和形狀由測量單元 7 控制。浪涌電流脈沖結(jié)束后，開關(guān) 10 和 11 由來自同步電路 13 的命令閉合。閉合個開關(guān) 10 形成放大器 8 的本地反饋電路，防止其在浪涌電流脈沖之間的時間內(nèi)飽和，同時閉合第二個開關(guān)電路 11 可靠地閉合晶體管 3。測試儀采用模塊化設(shè)計。每個測試儀單元產(chǎn)生幅度高達(dá) 3.1 kA 的電流。形成 3.1 kA 電流需要 240 個上述簡單電流源。所有 240 個電流源都位于 6 個電源板上，每個電源板 40 個。電源板的布局如圖 5 所示。

電源板的布局。

圖 5：電源板的布局。

如上所述，該板包含 40 個簡單的電流源，即 40 個 MOSFET、源電阻器和電解電容器，以及用于設(shè)備與 220V 電網(wǎng)斷開時的電容器放電元件。每個電源單元包含 6 個這樣的板。功率模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖 6 所示。

動力裝置的結(jié)構(gòu)布局。圖 6：動力裝置的結(jié)構(gòu)布局。

圖 6：動力裝置的結(jié)構(gòu)布局。圖 6：動力裝置的結(jié)構(gòu)布局。

收到來自控制模塊的命令后，電流源在其輸出端產(chǎn)生 100V 的電壓。該電壓被饋送到電流源電源板上的存儲電容器和控制模塊進(jìn)行測量?？刂颇K單元為電流源生成控制信號，并接收來自其中一個電流源的電流反饋信號。電流源的功率輸出并聯(lián)連接，以對流經(jīng)被測半導(dǎo)體樣品的電流求和?？刂颇K中包含的電流調(diào)節(jié)器是一個數(shù)字 PI 控制器。在測試儀中測試了兩種類型的控制器 - 基于運(yùn)算放大器的模擬控制器和數(shù)字控制器。與基于運(yùn)算放大器的模擬控制器相比，使用數(shù)字 PI 控制算法具有許多重要優(yōu)勢。

首先，模擬控制器需要一定的時間才能將控制電壓的輸出電壓提高到在每個脈沖之前開始打開晶體管所需的閾值，這意味著必須提前發(fā)送同步信號。其次，調(diào)節(jié)器的比例積分組件不可能進(jìn)行操作調(diào)整。第三，在電流反饋信號丟失的情況下，電源板上的晶體管發(fā)生故障的風(fēng)險很高。此外，使用數(shù)字控制擴(kuò)展了測試儀的功能，能夠產(chǎn)生各種形狀的電流脈沖，例如梯形電流脈沖，以估計被測晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)擴(kuò)展時間。對于外部通信，測試儀配備了 CAN 接口和同步輸入以啟動測試。

120 kA 浪涌電流測試儀的結(jié)構(gòu)布局

圖 7：120 kA 浪涌電流測試儀的結(jié)構(gòu)布局

120 kA 浪涌電流測試儀的結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示。測試儀包含 39 個相同的單元，其中 38 個形成固定振幅為 3100A 的電流脈沖。第 39 個單元形成一個電流脈沖，其幅度可在 100 A 至 3100 A 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

測試儀的模塊化設(shè)計使其易于增加電流幅度。這種可擴(kuò)展性僅受結(jié)構(gòu)剛度和由于寄生電阻和電感而導(dǎo)致的電源總線上的電壓降的限制。測試儀使用帶有 19 英寸電容式觸摸屏的 HMI 單元進(jìn)行控制。該屏幕包括數(shù)據(jù)輸入和輸出字段以及電流和電壓圖。操作員輸入的所有值都通過所有單元通用的 CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺刂坪蜏y量單元。

控制單元配置所有 39 個功率單元/電流源，為被測晶閘管生成開路信號，為功率單元生成同步脈沖，從而形成電流脈沖。組合電流脈沖流經(jīng)電流測量單元和被測半導(dǎo)體器件。電流測量單元是一組帶有三頻放大器的分流器?？刂茊卧跍y試期間測量設(shè)備兩端的電流和電壓降?？刂茊卧?12 位 AD 轉(zhuǎn)換器允許以 1.5% 以內(nèi)的精度測量電流和電壓，并且在功率模塊之間分配電流設(shè)定點的自定義算法允許在整個范圍內(nèi)實現(xiàn)至少 2% 的設(shè)置精度。

為確保電流調(diào)節(jié)器穩(wěn)定運(yùn)行，測試儀的電源電路必須具有的電感。為了降低整個測試儀中從電源板到主電源總線的所有電源總線的寄生電感，采用了雙線設(shè)計。實驗證明，這種方法將整個母線系統(tǒng)以及夾緊裝置的寄生電感降至，為 1-2 μH。圖 8 顯示了 65 kA 電流脈沖下電源總線上電壓降的示波圖。除了確?？刂破鞯姆€(wěn)定性外，雙線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還確保了電流流動對測量區(qū)域造成的干擾。