电压源 1 将存储电容器 2 充电至约 100 V。浪涌电流脉冲形成的开始由同步电路 13 确定，该同步电路 13 发送命令以打开和第二开关 10 和 11，向发生器 14 发送控制命令以生成被测半导体器件 5 的控制信号和参考信号整形器 9 的触发脉冲。参考信号整形器 9 向放大器 8 的同相输入输出持续时间为 10 ms 的适当半正弦波的单个脉冲。它导致放大器 8 将信号输出到 N 个 MOSFET 3 的栅极。为了防止晶体管因超过允许的脉冲功率而击穿，到栅极的信号电平由电压限制器12限制，而其持续时间由开关10限制。与流经个 MOSFET 的电流成比例的反馈信号由其源中的电阻器 4 产生，并馈送到反相输入放大器 8。
由于晶体管3的栅极是连接的，并且平衡电阻4包含在晶体管3的源中，因此通过每个晶体管3的电流脉冲大致相同，并重复参考信号的形状。将这些电流脉冲相加，产生一个半正弦浪涌电流脉冲，该脉冲从存储电容器 2 的正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 由来自同步电路 13 的命令闭合。闭合个开关 10 形成放大器 8 的本地反馈电路，防止其在浪涌电流脉冲之间的时间内饱和，同时闭合第二个开关电路 11 可靠地闭合晶体管 3。测试仪采用模块化设计。每个测试仪单元产生幅度高达 3.1 kA 的电流。形成 3.1 kA 电流需要 240 个上述简单电流源。所有 240 个电流源都位于 6 个电源板上，每个电源板 40 个。电源板的布局如图 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 个简单的电流源，即 40 个 MOSFET、源电阻器和电解电容器，以及用于设备与 220V 电网断开时的电容器放电元件。每个电源单元包含 6 个这样的板。功率模块的结构布局如图 6 所示。
动力装置的结构布局。图 6：动力装置的结构布局。
图 6：动力装置的结构布局。图 6：动力装置的结构布局。
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。控制模块单元为电流源生成控制信号，并接收来自其中一个电流源的电流反馈信号。电流源的功率输出并联连接，以对流经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一个数字 PI 控制器。在测试仪中测试了两种类型的控制器 - 基于运算放大器的模拟控制器和数字控制器。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才能将控制电压的输出电压提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，调节器的比例积分组件不可能进行操作调整。第三，在电流反馈信号丢失的情况下，电源板上的晶体管发生故障的风险很高。此外，使用数字控制扩展了测试仪的功能，能够产生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导通状态扩展时间。对于外部通信，测试仪配备了 CAN 接口和同步输入以启动测试。
120 kA 浪涌电流测试仪的结构布局
图 7：120 kA 浪涌电流测试仪的结构布局
120 kA 浪涌电流测试仪的结构图如图 7 所示。测试仪包含 39 个相同的单元，其中 38 个形成固定振幅为 3100A 的电流脉冲。第 39 个单元形成一个电流脉冲，其幅度可在 100 A 至 3100 A 范围内调节。
测试仪的模块化设计使其易于增加电流幅度。这种可扩展性仅受结构刚度和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。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。操作员输入的所有值都通过所有单元通用的 CAN 网络传输到主控制和测量单元。
控制单元配置所有 39 个功率单元/电流源，为被测晶闸管生成开路信号，为功率单元生成同步脉冲，从而形成电流脉冲。组合电流脉冲流经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。控制单元在测试期间测量设备两端的电流和电压降。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，并且在功率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。
为确保电流调节器稳定运行，测试仪的电源电路必须具有的电感。为了降低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，这种方法将整个母线系统以及夹紧装置的寄生电感降至，为 1-2 μH。图 8 显示了 65 kA 电流脉冲下电源总线上电压降的示波图。除了确保控制器的稳定性外，双线拓扑结构还确保了电流流动对测量区域造成的干扰。
