電壓源1將存儲電容器2充電至大約100V。浪涌電流脈沖形成的開始由同步電路13確定，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)送控制命令生成用于被測半導體器件5的控制信號和用于參考信號整形器9的觸發(fā)脈沖。參考信號整形器9將持續(xù)時間為10ms的適當半正弦波的單個脈沖輸出到非反相輸入其導致放大器8向N MOSFET 3的柵極輸出信號。為了防止晶體管因超過允許的脈沖功率而被擊穿，到柵極的信號的電平受到電壓限制器12的限制，同時其持續(xù)時間受到開關(guān)10的限制。與流過MOSFET的電流成比例的反饋信號從其源極的電阻器4產(chǎn)生，并且被饋送到反相輸入放大器8。
　　由于晶體管3的柵極被連接，并且平衡電阻器4被包括在晶體管3的源極中，所以通過每個晶體管3的電流脈沖大致相同并且重復參考信號的形狀。對這些電流脈沖求和導致產(chǎn)生半正弦浪涌電流脈沖，該半正弦浪涌電流脈沖從存儲電容器2的正極端子流到負極端子流過對準電阻器4、被測半導體器件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根據(jù)來自同步電路13的命令閉合。閉合開關(guān)10形成放大器的本地反饋電路。如圖8所示，在閉合第二開關(guān)電路11的同時防止其在浪涌電流的脈沖之間的時間飽和，從而可靠地閉合晶體管3。該測試儀具有模塊化設(shè)計。每個測試儀單元都會產(chǎn)生幅度高達 3.1 kA 的電流。形成 3.1 kA 電流需要 240 個如上所述的簡單電流源。所有 240 個電流源均位于 6 個電源板上，每個電源板 40 個。電源板布局如圖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 個簡單電流源，即 40 個 MOSFET、源電阻器和電解電容器，以及當設(shè)備與 220V 電網(wǎng)斷開時使用的電容器放電元件。每個電源單元包含 6 個這樣的板。電源模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

　　接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行測量。控制模塊單元產(chǎn)生電流源的控制信號并接收來自電流源之一的電流反饋信號。電流源的功率輸出并聯(lián)，以對流過被測半導體樣品的電流求和。控制模塊中包含的電流調(diào)節(jié)器是數(shù)字 PI 控制器。在測試儀中測試了兩種類型的控制器——一種基于運算放大器的模擬控制器和一種數(shù)字控制器。與基于運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來將控制電壓的輸出電壓升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，不可能對調(diào)節(jié)器的比例積分組件進行操作調(diào)整。第三，如果電流反饋信號丟失，電源板上的晶體管出現(xiàn)故障的風險很高。此外，使用數(shù)字控制擴展了測試儀的功能，能夠生成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通態(tài)擴展時間。對于外部通信，測試儀配備了 CAN 接口和同步輸入來啟動測試。

　　120kA浪涌電流測試儀結(jié)構(gòu)布局
　　圖7：120kA浪涌電流測試儀結(jié)構(gòu)布局
　　120kA浪涌電流測試儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。該測試儀包含39個相同的單元，其中38個形成固定幅度為3100A的電流脈沖。第三十九單元形成幅度在100A至3100A范圍內(nèi)可調(diào)的電流脈沖。
　　測試儀的模塊化設(shè)計可以輕松增加電流幅度。這種可擴展性僅受到結(jié)構(gòu)剛性以及由于寄生電阻和電感而導致的電源總線上的電壓降的限制。該測試儀使用帶有 19 英寸電容式觸摸屏的 HMI 單元進行控制。該屏幕包括數(shù)據(jù)輸入和輸出字段以及電流和電壓圖表。操作員輸入的所有值均通過所有單元共用的 CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控制和測量單元。
　　控制單元配置所有 39 個功率單元/電流源，為被測晶閘管生成打開信號，并為功率單元生成同步脈沖，從而形成電流脈沖。組合電流脈沖流過電流測量單元和被測半導體器件。電流測量單元是一組帶有三頻放大器的分流器?？刂茊卧獪y量測試期間設(shè)備上的電流和電壓降?？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，并且用于在電源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。
　　為了保證電流調(diào)節(jié)器穩(wěn)定工作，測試儀的電源電路必須具有的電感。為了減少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，這種方法可以將整個母線系統(tǒng)以及鉗位裝置的寄生電感降至 1-2 μH 量級。圖 8 顯示了 65 kA 電流脈沖下電源總線上電壓降的波形圖。除了保證控制器的穩(wěn)定性外，雙線拓撲還確保電源電流流動對測量場產(chǎn)生的干擾。

　　電源總線電壓降為 65 kA。藍線——電流，黃線——母線電壓，粉色——同步脈沖

　　圖 8：65 kA 時電源總線的電壓降。藍線——電流，黃線——母線電壓，粉色——同步脈沖

　　半導體結(jié)構(gòu)破壞時被測器件的電壓降。

　　圖 9：半導體結(jié)構(gòu)破壞時測試器件的電壓降。

　　當電流流過雙線電源母線時，母線之間的磁力線相加，導致母線相互排斥。為了防止這種情況發(fā)生，沿其整個長度每隔 20 厘米安裝特殊的金屬扎帶，如圖 10 所示。母線以固定間隔固定在電源柜的外殼上，以確保其剛度，如圖 11 所示。

　　電源總線的設(shè)計。
　　圖 10：電源總線的設(shè)計。

　　將電源總線固定到測試儀外殼上

　　圖 11：將電源總線固定到測試儀外殼上。
　　浪涌電流測試儀由3個電源柜組成。每個機柜包含 13 個連接到垂直電源總線的電源單元。該連接如圖 12 所示。

　　單元和總線之間的電源連接。

　　圖 12：單元和總線之間的電源連接。

　　浪涌電流測試儀的鉗位系統(tǒng)。

　　圖13：浪涌電流測試儀的鉗位系統(tǒng)。