電壓源 1 將存儲(chǔ)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(hào)和參考信號(hào)整形器 9 的觸發(fā)脈沖。參考信號(hào)整形器 9 向放大器 8 的同相輸入輸出持續(xù)時(shí)間為 10 ms 的適當(dāng)半正弦波的單個(gè)脈沖。它導(dǎo)致放大器 8 將信號(hào)輸出到 N 個(gè) 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(hào)電平由電壓限制器12限制，而其持續(xù)時(shí)間由開關(guān)10限制。與流經(jīng)個(gè) MOSFET 的電流成比例的反饋信號(hào)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(gè)晶體管3的電流脈沖大致相同，并重復(fù)參考信號(hào)的形狀。將這些電流脈沖相加，產(chǎn)生一個(gè)半正弦浪涌電流脈沖，該脈沖從存儲(chǔ)電容器 2 的正極端子流過對(duì)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(gè)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(shí)間內(nèi)飽和，同時(shí)閉合第二個(gè)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(jì)。每個(gè)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(gè)上述簡單電流源。所有 240 個(gè)電流源都位于 6 個(gè)電源板上，每個(gè)電源板 40 個(gè)。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(gè)簡單的電流源，即 40 個(gè) 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(shí)的電容器放電元件。每個(gè)電源單元包含 6 個(gè)這樣的板。功率模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖 6 所示。

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

　　圖 6：動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)布局。圖 6：動(dòng)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(chǔ)電容器和控制模塊進(jìn)行測量。控制模塊單元為電流源生成控制信號(hào)，并接收來自其中一個(gè)電流源的電流反饋信號(hào)。電流源的功率輸出并聯(lián)連接，以對(duì)流經(jīng)被測半導(dǎo)體樣品的電流求和。控制模塊中包含的電流調(diào)節(jié)器是一個(gè)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(shí)間才能將控制電壓的輸出電壓提高到在每個(gè)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(hào)。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(hào)丟失的情況下，電源板上的晶體管發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)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(jì)被測晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)擴(kuò)展時(shí)間。對(duì)于外部通信，測試儀配備了 CAN 接口和同步輸入以啟動(dòng)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(gè)相同的單元，其中 38 個(gè)形成固定振幅為 3100A 的電流脈沖。第 39 個(gè)單元形成一個(gè)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(jì)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(gè)功率單元/電流源，為被測晶閘管生成開路信號(hào)，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。控制單元在測試期間測量設(shè)備兩端的電流和電壓降。控制單元的 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(diǎn)的自定義算法允許在整個(gè)范圍內(nèi)實(shí)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(gè)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(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法將整個(gè)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。除了確保控制器的穩(wěn)定性外，雙線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還確保了電流流動(dòng)對(duì)測量區(qū)域造成的干擾。