电压源1将存储电容器2充电至大约100V。浪涌电流脉冲形成的开始由同步电路13确定，同步电路13发送命令以打开和第二开关10和11，向发生器14发送控制命令生成用于被测半导体器件5的控制信号和用于参考信号整形器9的触发脉冲。参考信号整形器9将持续时间为10ms的适当半正弦波的单个脉冲输出到非反相输入其导致放大器8向N MOSFET 3的栅极输出信号。为了防止晶体管因超过允许的脉冲功率而被击穿，到栅极的信号的电平受到电压限制器12的限制，同时其持续时间受到开关10的限制。与流过MOSFET的电流成比例的反馈信号从其源极的电阻器4产生，并且被馈送到反相输入放大器8。
由于晶体管3的栅极被连接，并且平衡电阻器4被包括在晶体管3的源极中，所以通过每个晶体管3的电流脉冲大致相同并且重复参考信号的形状。对这些电流脉冲求和导致产生半正弦浪涌电流脉冲，该半正弦浪涌电流脉冲从存储电容器2的正极端子流到负极端子流过对准电阻器4、被测半导体器件5和分流器(电流传感器)6。
浪涌电流脉冲的幅度和形状由测量单元7控制。浪涌电流脉冲结束后，开关10和11根据来自同步电路13的命令闭合。闭合开关10形成放大器的本地反馈电路。如图8所示，在闭合第二开关电路11的同时防止其在浪涌电流的脉冲之间的时间饱和，从而可靠地闭合晶体管3。该测试仪具有模块化设计。每个测试仪单元都会产生幅度高达 3.1 kA 的电流。形成 3.1 kA 电流需要 240 个如上所述的简单电流源。所有 240 个电流源均位于 6 个电源板上，每个电源板 40 个。电源板布局如图5所示。
电源板的布局。
图 5：电源板的布局。
如上所述，该板包含 40 个简单电流源，即 40 个 MOSFET、源电阻器和电解电容器，以及当设备与 220V 电网断开时使用的电容器放电元件。每个电源单元包含 6 个这样的板。电源模块的结构布局如图6所示。
接收到来自控制模块的命令后，电流源在其输出端产生 100V 的电压。该电压被馈送到电流源电源板上的存储电容器和控制模块进行测量。控制模块单元产生电流源的控制信号并接收来自电流源之一的电流反馈信号。电流源的功率输出并联，以对流过被测半导体样品的电流求和。控制模块中包含的电流调节器是数字 PI 控制器。在测试仪中测试了两种类型的控制器——一种基于运算放大器的模拟控制器和一种数字控制器。与基于运算放大器的模拟控制器相比，使用数字 PI 控制算法具有许多重要优势。
首先，模拟控制器需要一定的时间来将控制电压的输出电压升高到在每个脉冲之前开始打开晶体管所需的阈值，这意味着必须提前发送同步信号。其次，不可能对调节器的比例积分组件进行操作调整。第三，如果电流反馈信号丢失，电源板上的晶体管出现故障的风险很高。此外，使用数字控制扩展了测试仪的功能，能够生成各种形状的电流脉冲，例如梯形电流脉冲，以估计被测晶闸管的通态扩展时间。对于外部通信，测试仪配备了 CAN 接口和同步输入来启动测试。
120kA浪涌电流测试仪结构布局
图7：120kA浪涌电流测试仪结构布局
120kA浪涌电流测试仪的结构框图如图7所示。该测试仪包含39个相同的单元，其中38个形成固定幅度为3100A的电流脉冲。第三十九单元形成幅度在100A至3100A范围内可调的电流脉冲。
测试仪的模块化设计可以轻松增加电流幅度。这种可扩展性仅受到结构刚性以及由于寄生电阻和电感而导致的电源总线上的电压降的限制。该测试仪使用带有 19 英寸电容式触摸屏的 HMI 单元进行控制。该屏幕包括数据输入和输出字段以及电流和电压图表。操作员输入的所有值均通过所有单元共用的 CAN 网络传输至主控制和测量单元。
控制单元配置所有 39 个功率单元/电流源，为被测晶闸管生成打开信号，并为功率单元生成同步脉冲，从而形成电流脉冲。组合电流脉冲流过电流测量单元和被测半导体器件。电流测量单元是一组带有三频放大器的分流器。控制单元测量测试期间设备上的电流和电压降。控制单元的 12 位 AD 转换器允许以 1.5% 以内的精度测量电流和电压，并且用于在电源模块之间分配电流设定点的自定义算法允许在整个范围内实现至少 2% 的设置精度。
为了保证电流调节器稳定工作，测试仪的电源电路必须具有的电感。为了减少整个测试仪中从电源板到主电源总线的所有电源总线的寄生电感，采用了双线设计。实验证明，这种方法可以将整个母线系统以及钳位装置的寄生电感降至 1-2 μH 量级。图 8 显示了 65 kA 电流脉冲下电源总线上电压降的波形图。除了保证控制器的稳定性外，双线拓扑还确保电源电流流动对测量场产生的干扰。
电源总线电压降为 65 kA。蓝线——电流，黄线——母线电压，粉色——同步脉冲
图 8：65 kA 时电源总线的电压降。蓝线——电流，黄线——母线电压，粉色——同步脉冲
半导体结构破坏时被测器件的电压降。
图 9：半导体结构破坏时测试器件的电压降。
当电流流过双线电源母线时，母线之间的磁力线相加，导致母线相互排斥。为了防止这种情况发生，沿其整个长度每隔 20 厘米安装特殊的金属扎带，如图 10 所示。母线以固定间隔固定在电源柜的外壳上，以确保其刚度，如图 11 所示。
电源总线的设计。
图 10：电源总线的设计。
将电源总线固定到测试仪外壳上
图 11：将电源总线固定到测试仪外壳上。
浪涌电流测试仪由3个电源柜组成。每个机柜包含 13 个连接到垂直电源总线的电源单元。该连接如图 12 所示。
单元和总线之间的电源连接。
图 12：单元和总线之间的电源连接。
浪涌电流测试仪的钳位系统。
图13：浪涌电流测试仪的钳位系统。
