CN102539952B - 一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子功率主电路测试装置领域，具体涉及一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法。目的是解决测试过程中遇到高电压、大电流、高电压/电流变化率等问题。该测试装置包括栅极驱动电路动态测试单元、功率主电路动态测试单元、数据采集及处理系统；具体包括直流电源分析仪、多路直流稳压电源、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、驱动电路测试装置、多通道记录仪、大功率直流稳压电源、功率主电路测试装置。该测试装置及方法具有使用方便、测试精度高、灵敏度高以及通用性强等优点。

Description

一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法

技术领域

本发明属于电力电子功率主电路测试装置领域，具体涉及一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法，适用于变频器、电机驱动器等功率主电路的动态特性测试，通过测试来确定电路设计合理性及产品的好与坏。

背景技术

随着电力电子技术的发展，更多的机电伺服系统得到了广泛应用。针对其中的功率主电路的设计和检测，静态测试以及器件测试已经比较成熟，但由于存在高电压、大电流、高电压/电流变化率等问题的存在，对于功率主电路及其驱动电路的动态特性测试，一直没有较好的测试装置及测试方法。

发明内容

本发明为了解决测试过程中遇到高电压、大电流、高电压/电流变化率等问题，提供一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法，用来测试功率主电路和驱动电路的动态特性，供产品研发及检测使用。

本发明所采用的技术方案是：

一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置，包括栅极驱动电路动态测试单元、功率主电路动态测试单元、数据采集及处理系统；其中，所述栅极驱动电路动态测试单元包括直流电源分析仪、多路直流稳压电源、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、驱动电路测试装置，所述驱动电路测试装置通过测试信号接口电路与多功能数字化采集卡和高速数字化仪相连，多功能数字化采集卡和高速数字化仪通过PXI/PCI总线与工业控制计算机相连，多路直流稳压电源为测试信号接口电路供电，并通过测试信号接口电路为驱动电路测试装置供电；

功率主电路动态测试单元包括直流电源分析仪、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、直流电源分析仪、多通道记录仪、大功率直流稳压电源、功率主电路测试装置；所述大功率直流稳压电源为功率主电路测试装置的功率主电路供电，通过功率主电路测试装置中的电压和电流检测单元，将所采集的高速电压、电流信号通过测试信号接口电路进行信号处理与转换，送与多功能数字化采集卡和高速数字化仪进行采集，并通过PXI/PCI总线传给工业控制计算机，工业控制计算机通过GPIB总线控制直流电源分析仪和多通道记录仪对功率主电路测试装置供电及采集电源电压和电流信息。

一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，包括栅极驱动电路测试单元和功率主电路动态测试单元的动态特性测试步骤；其中，栅极驱动电路测试单元的测试包括栅极驱动电路基本性能测试、过流保护特性测试、欠压保护特性测试、软关断特性测试、故障恢复特性测试、驱动电源功耗测试等；所述功率主电路动态测试单元的测试包括：母线电压、电流测试，IGBT开启特性测试，IGBT关断特性测试，IGBT保护电路测试，IGBT温度特性测试。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述栅极驱动电路基本性能测试步骤中，通过多路直流稳压电源供给原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；PWM发生器提供1路PWM信号，幅值是0-5V，频率分别是10KHz、20KHz、30KHz、50KHz、100KHz，通过PWM接口相连；高速数字化仪通过电压隔离探头采集栅极驱动电路板的输出信号以及输入信号。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述过流保护测试步骤中，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值，用数字电位计实现保护电阻的功能，用高速数字化仪监测FLT引脚的状态。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述软关断测试步骤，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电，由直流电源分析仪输出0-3V的电压；被测驱动电路板的失效端、输出端、短路保护接口与数字化仪相连；驱动芯片软关断的条件是短路保护端过流，调节直流电源分析仪的输出，使得驱动芯片软关断，记录输出端和失效端的曲线，并计算出二者之间的延时。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述故障恢复测试步骤，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值；根据时序要求，由多功能数字化采集卡向复位端发送复位信号，测试装置上使用一个继电器连接RST端和地端，使用多功能数字化采集卡的IO端口控制继电器的吸和状态。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述驱动电源功耗测试步骤为：通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值；通过三种不同的情况，计算驱动芯片的功耗：

（a）无输入，PWM输出为0电平；

（b）直流输入，PWM输出为直流信号；

（c）方波，PWM输出是占空比为50%的方波。

如上所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其中：所述功率主电路动态测试单元测试步骤包括提供6路PWM信号，作为功率主电路的驱动信号，使用永磁交流电机作为负载，PWM发生器的六路PWM信号根据电机转子位置信号以及其他边界条件来设置各路PWM信号的相位、占空比、死区时间、上升/下降时间、周期/频率参数；

6路PWM信号的高电平为+15V，低电平为一定范围可调，通过设定的工作条件使PWM信号驱动被测功率主电路的开关，从而驱动电机运转；在电机运转过程中，通过电流探头对直流母线电流、功率主电路输出电流进行检测，通过高压有源差分探头对直流母线电压、功率主电路输出电压进行检测，两种检测输出的电压信号给高速数字化仪进行采集。

本发明的有益效果是：

本发明解决了功率主电路中高电压、大电流、高电压/电流变化率信号的隔离测试问题，并提出功率主电路及驱动电路动态特性的测试方法，该测试方法及装置具有使用方便、测试精度高、灵敏度高以及通用性强等优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置的功能结构框图；

图2为测试装置的硬件组成框图；

图3驱动芯片基本性能测试连接图；

图4为过电流保护电压测试连接图；

图5为过电流保护电压测试流程图；

图6为软关断测试连接图；

图7为软关断测试流程图；

图8为故障恢复连接图；

图9为驱动芯片故障恢复测试流程图；

图10为驱动电源测试连接图；

图11为功率主电路动态特性测试连接图；

图12为功率主电路动态特性测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置及方法进行介绍：

如图1所示，一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置，包括栅极驱动电路动态测试单元、功率主电路动态测试单元、数据采集及处理系统；如图2所示，其中栅极驱动电路动态测试单元由直流电源分析仪、多路直流稳压电源、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、驱动电路测试装置等组成，驱动电路测试装置通过测试信号接口电路与多功能数字化采集卡和高速数字化仪相连，多功能数字化采集卡和高速数字化仪通过PXI/PCI总线与工业控制计算机相连，多路直流稳压电源为测试信号接口电路供电，并通过测试信号接口电路为驱动电路测试装置供电。

功率主电路动态测试单元由直流电源分析仪、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、直流电源分析仪、多通道记录仪、大功率直流稳压电源、功率主电路测试装置等组成；大功率直流稳压电源为功率主电路测试装置的功率主电路供电，通过功率主电路测试装置中的电压和电流检测单元，将所采集的高速电压、电流信号通过测试信号接口电路进行信号处理与转换，送与多功能数字化采集卡和高速数字化仪进行采集，并通过PXI/PCI总线传给工业控制计算机，工业控制计算机通过GPIB总线控制直流电源分析仪和多通道记录仪对功率主电路测试装置供电及采集电源电压和电流信息；所述的数据采集及处理系统由工业控制计算机、显示器、键盘/鼠标、打印机组成。

（1）栅极驱动电路测试单元的动态特性测试包括基本性能测试、过流保护特性测试、欠压保护特性测试、软关断特性测试、故障恢复特性测试、驱动电源功耗测试等。本实施例中，以单路IGBT栅极驱动电路板为被测对象举例描述。

（1.1）栅极驱动电路基本性能测试结构与流程：

如图3所示，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源（与接口VCC1相连）、副边+15V（与接口VCC2相连）和-8V电源（与接口VEE2相连）输出给IGBT栅极驱动电路供电；PWM发生器提供1路PWM信号，幅值是0-5V，频率分别是10KHz、20KHz、30KHz、50KHz、100KHz，通过PWM接口相连。高速数字化仪通过电压隔离探头采集栅极驱动电路板的输出信号以及输入信号。

测试流程为：首先连接硬件，设置程控电源和隔离直流电源，打开电源开关后，设置PWM和高速数字化仪，进行信号的发出和采集，最后给出栅极驱动电路在不同信号频率下的上升时间、下降时间、信号延迟时间等数据报表。

（1.2）过流保护测试结构与流程：

如图4所示，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源（与接口VCC1相连）、副边+15V（与接口VCC2相连）和-8V电源（与接口VEE2相连）输出给IGBT栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，步进0.1V，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口为板载数字电位计编程，达到不同的电阻值，用数字电位计实现保护电阻的功能。高速数字化仪监测FLT引脚的状态。

测试时如图5所示，首先连接硬件，设置程控电源和隔离直流电源，再设置数字化仪以及数字电位计，将数字电位计的电阻值设为20kΩ，打开电源后以0.1V为步进设置第二路程控电源；若第二路程控电源不大于30V，则设置数字电位计为20kΩ，并以100Ω为步进增大电阻值，若FLT发生跳变，则记录数字电位计值和第二路程控电源值。

（1.3）软关断测试结构与流程：

如图4所示，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源（与接口VCC1相连）、副边+15V（与接口VCC2相连）和-8V电源（与接口VEE2相连）输出给IGBT栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压；IGBT驱动电路板的失效端（FLT）、输出端（OUT）、短路保护接口与数字化仪相连。驱动芯片软关断的条件是短路保护端过流，调节直流电源分析仪的输出，使得驱动芯片软关断，记录输出端（OUT）和失效端（FLT）的曲线，记录数据，并计算出二者之间的延时。

测试时如图7所示，首先连接硬件，设置程控电源和隔离直流电源，再设置数字化仪以及数字电位计，将数字电位计的电阻值设为28kΩ，打开电源后以0.1V为步进设置第二路程控电源；当输出端（OUT）触发时记录数据计算出延时，否则继续增大第二路程控电源值。

（1.4）故障恢复测试结构与流程：

本测试是为了验证驱动芯片在复位后，输出端（OUT），失效端（FLT）之间的延时。如图8所示，隔离直流电源、程控电源、USB转SPI部分与IGBT驱动电路板的连接方式与（1.2）中功率驱动电路过流保护测试结构的相同。根据时序要求，由多功能数字化采集卡向复位端（RST）发送复位信号，测试装置上使用一个继电器连接RST端和地端（GND），使用多功能数字化采集卡的IO端口控制继电器的吸和状态，继电器的默认状态是断开，需要复位的时候，将继电器吸和即可，达到复位驱动芯片的目的。并用数字化仪测试失效端（FLT）、输出端（OUT）。

测试时如图9所示，首先连接硬件，设置程控电源和隔离直流电源，再设置数字化仪以及数字电位计，将数字电位计的电阻值设为28kΩ，打开电源后设置多功能数字化采集卡的IO端口（DAQ DIO）为“1”且延时1ms，再设置多功能数字化采集卡的IO端口（DAQ DIO）为“0”；记录数据计算出延时。

（1.5）驱动电源功耗测试结构与流程：

如图10所示，多路直流稳压电源、直流电源分析仪、USB转SPI、继电器DIO部分与IGBT驱动电路板的连接方式与（1.4）中驱动芯片故障恢复测试结构的相同。通过三种不同的情况，计算驱动芯片的功耗，这三种情况分别是无输入(PWM输出为0电平)、直流输入（PWM输出为5V直流信号）、20K方波（PWM输出为20KHz，占空比为50%）。功率通过公式P=U*I计算得出，其中U为供电电压，I为线路上的电流。由于驱动芯片有3个电源，分别将多用表串联到各电源电压回路上，便可测量出驱动芯片的驱动电流。

（2）功率主电路动态测试单元的测试包括：母线电压、电流测试，IGBT开启特性测试，IGBT关断特性测试，IGBT保护电路测试，IGBT温度特性测试。以一个三相全桥功率主电路为被测对象详细描述测试结构与流程。功率主电路动态特性测试主要实现IGBT主电路的导通性能、关断性能、温度特性测试的功能。由于三相全桥功率主电路有3个桥臂共6个管，全部的被测信号为母线电压、电流，IGBT模块输出的3个电压信号和3个电流信号，驱动IGBT模块的6路脉冲电压信号和和6个脉冲电流信号。

如图11所示，系统提供6路PWM（+15V～-10V）信号，作为功率主电路的驱动信号，使用永磁交流电机作为负载。PWM发生器的六路PWM信号根据电机转子位置信号以及其他边界条件来设置各路PWM信号的相位、占空比、死区时间、上升/下降时间、周期/频率等参数。

6路PWM信号的高电平为+15V，低电平为0～-10V可设定，默认电压为-8V，该信号可直接驱动功率器件。通过设定的工作条件使PWM信号驱动三相全桥功率主电路的开关，从而驱动电机运转。在电机运转过程中，通过电流探头对直流母线电流（IDC）、功率主电路输出电流（IA、IB、IC）进行检测，通过高压有源差分探头对直流母线电压（VDC）、功率主电路输出电压（VAB、VBC、VCA）进行检测，两种检测输出的电压信号给高速数字化仪进行采集，解决了大功率电压、电流信号的高速采集和隔离的问题。

测试过程中，通过温度传感器检测IGBT外壳温度。

测试时如图12所示，首先连接硬件，设置工作条件，通过直流地面功率电源给IGBT主功率电路板供电，测试系统提供PWM（+15V～-10V）驱动信号。测试开始时首先需要读取旋转变压器的值，通过计算得到PWM的各种参数，然后设定各种工作参数，包括工作时间、Ud、Uq等；然后启动直流地面功率电源，开始数据采集，最后显示分析数据。

Claims (7)

1.一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试装置，其特征在于：包括栅极驱动电路动态测试单元、功率主电路动态测试单元、数据采集及处理系统；其中，所述栅极驱动电路动态测试单元包括直流电源分析仪、多路直流稳压电源、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、驱动电路测试装置，所述驱动电路测试装置通过测试信号接口电路与多功能数字化采集卡和高速数字化仪相连，多功能数字化采集卡和高速数字化仪通过PXI/PCI总线与工业控制计算机相连，多路直流稳压电源为测试信号接口电路供电，并通过测试信号接口电路为驱动电路测试装置供电；

功率主电路动态测试单元包括直流电源分析仪、测试信号接口电路、高速数字化仪、多功能数字化采集卡、多通道记录仪、大功率直流稳压电源、功率主电路测试装置；所述大功率直流稳压电源为功率主电路测试装置的功率主电路供电，通过功率主电路测试装置中的电压和电流检测单元，将所采集的高速电压、电流信号通过测试信号接口电路进行信号处理与转换，送与多功能数字化采集卡和高速数字化仪进行采集，并通过PXI/PCI总线传给工业控制计算机，工业控制计算机通过GPIB总线控制直流电源分析仪和多通道记录仪对功率主电路测试装置供电及采集电源电压和电流信息。

2.一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：包括栅极驱动电路测试单元和功率主电路动态测试单元的动态特性测试步骤；其中，栅极驱动电路测试单元的测试包括栅极驱动电路基本性能测试、过流保护特性测试、欠压保护特性测试、软关断特性测试、故障恢复特性测试、驱动电源功耗测试等；所述功率主电路动态测试单元的测试包括：母线电压、电流测试，IGBT开启特性测试，IGBT关断特性测试，IGBT保护电路测试，IGBT温度特性测试；所述栅极驱动电路基本性能测试步骤中，通过多路直流稳压电源供给原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；PWM发生器提供1路PWM信号，幅值是0-5V，频率分别是10KHz、20KHz、30KHz、50KHz、100KHz，通过PWM接口相连；高速数字化仪通过电压隔离探头采集栅极驱动电路板的输出信号以及输入信号。

3.根据权利要求2所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：所述过流保护特性测试步骤中，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值，用数字电位计实现保护电阻的功能，用高速数字化仪监测FLT引脚的状态。

4.根据权利要求2所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：所述软关断特性测试步骤，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电，由直流电源分析仪输出0-3V的电压；被测驱动电路板的失效端、输出端、短路保护接口与数字化仪相连；驱动芯片软关断的条件是短路保护端过流，调节直流电源分析仪的输出，使得驱动芯片软关断，记录输出端和失效端的曲线，并计算出二者之间的延时。

5.根据权利要求2所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：所述故障恢复特性测试步骤，通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值；根据时序要求，由多功能数字化采集卡向复位端发送复位信号，测试装置上使用一个继电器连接RST端和地端，使用多功能数字化采集卡的IO端口控制继电器的吸和状态。

6.根据权利要求2所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：所述驱动电源功耗测试步骤为：通过多路直流稳压电源提供原边+5V电源、副边+15V和-8V电源输出给被测栅极驱动电路供电；由直流电源分析仪输出0-3V的电压，连接至驱动电路的短路保护端；USB转SPI设备提供SPI接口使数字电位计达到不同的电阻值；通过三种不同的情况，计算驱动芯片的功耗：

（a）无输入，PWM输出为0电平；

（b）直流输入，PWM输出为直流信号；

（c）方波，PWM输出是占空比为50%的方波。

7.根据权利要求2所述的一种功率主电路及其驱动电路动态特性测试方法，其特征在于：所述功率主电路动态测试单元测试步骤包括提供6路PWM信号，作为功率主电路的驱动信号，使用永磁交流电机作为负载，PWM发生器的六路PWM信号根据电机转子位置信号以及其他边界条件来设置各路PWM信号的相位、占空比、死区时间、上升/下降时间、周期/频率参数；

6路PWM信号的高电平为+15V，低电平为一定范围可调，通过设定的工作条件使PWM信号驱动被测功率主电路的开关，从而驱动电机运转；在电机运转过程中，通过电流探头对直流母线电流、功率主电路输出电流进行检测，通过高压有源差分探头对直流母线电压、功率主电路输出电压进行检测，两种检测输出的电压信号给高速数字化仪进行采集。

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