CN104251965B - 一种igbt动态性能测试装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种IGBT动态性能测试装置，其组成包括试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统，其中，IGBT过温保护系统与IGBT驱动电路相连；试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统和示波器各自独立；测试时IGBT测试模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统相连。本发明的IGBT动态性能测试装置，能够对IGBT模块铜底板温度以及内部发热芯片的结温同时且自动地进行采集，进而能对模块热阻参数进行提取；并能够对IGBT模块工作频率进行实时调节。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件测试装置和温度检测领域，尤其涉及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率循环强度的试验装置以及运行方法。
背景技术
由于半导体制造技术的不断提升，高频化、大功率化、集成化是电力电子器件不断发展的方向，IGBT模块的功率等级和功率密度越来越高，类似于IGBT这类大功率器件往往是具有电热疲劳的电气器件，在电能驱动下运行时，其关键部件伴发电热效应从而引起温升，温度的不断变化会产生交变的膨胀和收缩力，从而使得材料的关键部位出现裂纹、松弛甚至断裂，在高温的情况下，还可能使得材料的物理性质发生变化，从而引起其热物性参数的退化，其可靠性就会降低，所以对模块的温度进行检测则至关重要。
由于系统运行周期内IGBT模块承载的外应力复杂，特别是模块承载的功率循环强度(与电压、电流、开关频率有关)随时间快速变化，以往的试验装置仅限于对特定状况下模块的性能进行测试而不能模拟实际的工作状态，具有局限性。
随着电力电子技术的发展，功率模块相关试验技术取得了很大发展。“用于检测IGBT的测试装置”(专利申请号：CN200910070189)主要涉及测定IGBT的好坏，具体手段是通过检测电阻器的PWM波形来确定其好坏；“一种IGBT结温检测装置及其方法”(专利申请号：CN201110038568)主要涉及IGBT结温的检测，具体手段是通过确定IGBT的结温升再加上IGBT散热器的温度来确定IGBT结温；“一种IGBT温度检测电路”(专利申请号：CN201310230871)主要涉及对IGBT温度的监测，具体手段是采用H桥式差分输入电路来抑制共模干扰和电阻温漂问题来使温度的测定更准确；“一种IGBT温度检测方法”(专利申请号：CN201210230805)主要涉及对IGBT温度进行计算的方法，具体手段是通过采集NTC热敏电阻的电压信号来计算IGBT的温度，具有实时监控的作用；以上专利或只对测试模块进行简单的测试，或间接地对IGBT结温进行监测和计算，但均不涉及对IGBT结温的直接监测，同样地也不涉及功率循环强度的试验，没有研究功率循环强度与温度之间的相关性。
为了模拟IGBT模块的实际工况并对模块进行动态性能的测试，需要一种功率循环强度不断循环变化且对模块温度能实时监测的试验系统。
发明内容
本发明的目的在于针对当前技术的不足，提供一种IGBT动态性能测试装置及其运行方法。该装置通过将负载电阻分别与多路循环时间继电器相连后接到直流稳压源两端，从而达到无需人为干涉就能自动使电流不断循环变化的目的；利用IGBT硅凝胶灌封技术使光纤传感器与待测IGBT模块内部芯片相连，从而达到直接对模块结温进行采集的目的；同时将温度传感器与温控器相连，再分别与散热风扇和驱动电路供电电源相连，达到对待测IGBT模块进行过温双保护的目的。调节直流稳压源的幅值能控制IGBT模块两端的电压(集射极电压)，通过信号发生器能动态调节IGBT的工作频率，通过对多路循环时间继电器进行时间设置能自动改变接入回路中负载的路数来控制流过模块的集电极电流，从而达到模块的功率强度不断循环变化的目的；同时能通过温度传感器与光纤温度传感器分别对模块铜底板的温度和模块内部发热芯片的结温进行温度数据的采集，进而能对其热阻参数进行动态提取；通过对温控器的温度值进行设置来对散热风扇的开关以及驱动电路的通断进行控制，从而达到对模块进行过温保护的目的。
本发明的技术方案为：
一种IGBT动态性能测试装置，其组成包括试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统，其中，IGBT过温保护系统与IGBT驱动电路相连；试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统和示波器各自独立；测试时IGBT测试模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统相连。
所述的试验电流产生电路，其组成包括直流稳压源、多路循环时间继电器和负载电阻，其连接方式是：多个负载电阻的一端分别与多路循环时间继电器相连，另一端与直流稳压电源的—端相连，多路循环时间继电器的另—端与直流稳压电源的另—端相连。
所述的第一温度采集存储系统，其组成包括第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机组成，其连接方式是：第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机依次相连。
所述的第二温度采集存储系统，其组成包括光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机组成，其连接方式是：光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机依次相连。
所述的IGBT驱动电路，主要包括信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路、稳压电路和直流电源，其连接方式是：信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路和稳压电路依次相连；直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源和第二直流电源分别与光耦信号放大器和驱动器相连接；驱动器与不平衡电路相连。
所述的IGBT过温保护系统，其组成包括第二温度传感器、温控器、两个散热风扇，其连接方式是：第二温度传感器与温控器相连，两个并行工作的散热风扇与温控器相连。
所述的不平衡电路包括两个二极管D1和D2、开通电阻Ron以及关断电阻Roff，其连接方式是：开通电阻Ron与二极管D1正向串联，关断电阻Roff与二极管D2反向串联，将正向串联电路与反向串联电路相并联组成不平衡电路。
所述的稳压电路包括15V稳压二极管DZ1、反向8V稳压二极管DZ2和保护电阻R，其连接方式是：15V稳压二极管DZ1和反向8V稳压二极管DZ2相串联后与保护电阻R相并联组成稳压电路。
本发明的IGBT动态性能测试装置的运行方法，包括以下步骤：
首先，将IGBT测试模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统相连；其中，对IGBT测试模块进行封装；然后开始运行以下步骤：
(1)系统初始化，启动计算机，等待温度数据的存储与显示；
(2)试验参数设置：
①启动试验电流产生电路中的直流稳压源，调出实验所需的直流母线电压；
②调节IGBT驱动电路中的信号发生器，设置IGBT模块的栅极驱动方波信号，包括信号频率调节以及信号占空比调节，准备为驱动器输送驱动信号；
③对接入回路的负载路数进行设置，为两种方法之一：
A.当测试某一固定电流下IGBT模块的各项性能时，通过控制试验电流产生电路中的多路循环时间继电器，将与所需接入回路的负载相连的继电器设置为常闭状态，而将与不需要接入回路的负载相连的继电器设置为常开状态；
或者，B.当进行功率循环强度的试验时，对每路负载接入或退出回路的时间间隔进行设置，通过对试验电流产生电路中的多路循环时间继电器的设置来完成，设置每路负载接入回路的时间间隔依次为{t1+,t2+……t20+}，则各路负载按照设置的时间间隔依次接入回路，20路负载接入回路的时间总和t+＝t1++t2……+t20+；等待20路负载全部接入回路之后各路负载需要依次退出回路，假设设置每路负载退出回路的时间间隔依次{t1-,t2-……t20-}，则各路负载按照设置的时间间隔依次退出回路，20路负载接入回路的时间总和t-＝t1-+t2-……+t20-；一个循环的总时间t＝t++t-＝t1++t2……+t20++t1-+t2-……+t20-，同时多路循环时间继电器对循环的次数进行设置；
④设置IGBT过温保护系统内的温控器的温度上限值和下限值，控制IGBT模块散热风扇的开关以及驱动电路供电电源的通断，从而确保模块不会因为过温而失效，具体做法如下：
设置温控器的温度上限值TH和下限值TL，当温度传感器检测到IGBT铜底板的温度高于TH时，温控器内的继电器开始动作，继电器常开端口变常闭，散热风扇开始转动进而加快模块的散热达到使模块降温的目的；与此同时，继电器常闭端口变常开，驱动电路供电电源断开，驱动电路停止工作；当温度传感器检测到模块温度低于TL时，温控器内的继电器重新动作，此时继电器常闭端口变常开而使散热风扇停止转动，继电器常开端口变常闭而使驱动电路重新投入工作；
(3)闭合主开关，使电路处于闭合状态，检查各仪表是否显示正常以及各负载支路是否连接正常；
(4)启动第一温度采集存储系统和第二温度采集存储系统，分别对测试模块铜底板温度和内部发热芯片温度进行温度数据的存储和显示；
(5)按下所有直流电源的供电开关，整个测试装置进行工作；
(6)判断系统是否运行正常以及检测到的模块铜底板温度是否达到温控器设定上限值，如果系统运行正常且在工作过程中检测到的模块铜底板温度没有达到温控器设定上限值，待试验达到稳态后利用示波器对测试模块的电流电压进行测试；如果系统运行不正常或者在工作过程中检测到的模块铜底板温度达到温控器设定上限值，系统自动停止工作，待铜底板温度达到温控器设定下限值时系统重新运行；
(7)一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作。
所述的IGBT测试模块封装方法，其组成包括IGBT模块、导热硅脂、散热片、第一温度采集存储系统中的第一温度传感器、IGBT过温保护系统中的第二温度传感器和第二温度采集存储系统中的光纤传感器，其连接方式是：IGBT模块、导热硅脂和散热片依次相连，散热片经打孔处理，分别在IGBT测试模块内部两个IGBT芯片所对应的正下方各自留有一个通孔，第一温度传感器置于散热片左端通孔中、第二温度传感器置于散热片右端通孔中；利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理，将光纤温度传感器紧贴于IGBT模块内部左侧IGBT芯片上面进行测温；将导热硅脂均匀地涂在IGBT模块铜底板和散热片上面用于IGBT模块与散热片的连接，其厚度为100-200μm。
所述的IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理的方法，包括以下步骤：
(1)将IGBT模块打开，向模块内部注入环氧树脂溶解剂，待硅凝胶全部溶解后将温度采集存储系统中的光纤温度传感器压到IGBT芯片上，利用芯片上方的键合铝线将传感器固定住，然后将模块放置在恒温箱中；
(2)取RTV硅胶中的的A胶、B胶分别置于单独的烧杯中，各自去除沉淀后搅拌均匀；
(3)将搅拌好的A胶直接倒入塑料杯中，再倒入A胶质量十分之一的B胶，用搅拌棒顺着一个方向充分搅拌塑料杯中的胶水；
(4)将混合好的胶水静置4～6分钟；
(5)将胶水倒入模块内部，使其充满整个模块，根据产品要求选择灌封厚度；
(6)直接将产品置于恒温箱中进行65℃下加热处理2小时，待固化后将模块封装好即可。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的IGBT动态性能测试装置，本试验对模块电压电流都留有测试端口，利用示波器或高速数据采集卡能对模块任意状态下的集射极电压和集电极电流进行检测和数据存储，采用相关软件能对采集的电压电流数据进行处理，获得模块精确的功耗以及电流电压波形；
(2)本发明的IGBT动态性能测试装置，能够对IGBT测试模块铜底板温度以及内部发热芯片的结温同时且自动地进行采集，且通过相关计算能对模块热阻参数进行提取，从而对IGBT测试模块的老化状态进行评估；
(3)本发明的IGBT动态性能测试装置，能够对IGBT模块工作频率进行实时调节，从而能探究IGBT模块工作频率的变化对模块发热的影响；
(4)本发明的IGBT动态性能测试装置，试验电流由多路循环时间继电器来控制各路负载的接入或切除来获得，从而能获得功率循环强度与温度之间的相关性；
(5)本发明的IGBT动态性能测试装置，具有两路同时工作的过温保护功能，能够精确地将IGBT模块的温度维持在设置的温度安全范围内，保证了装置的可靠性运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中，1－测试模块；2－试验电流产生电路；3-第一温度采集存储系统；4-第二温度采集存储系统；5-示波器；6-IGBT驱动电路；7-IGBT过温保护系统。
图2是本发明的试验电流产生电路。
图3是本发明IGBT驱动电路。
图4是本发明的温度采集存储和过温保护系统。
图5是本发明的第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4以及IGBT过温保护系统7与IGBT模块的连接结构图。
图6是本发明的试验运行流程图。
图7是本发明的具体电路连接图。
图8是本发明经过测试得到的功率循环强度与温度的相关性谱图。
具体实施方式(结合附图具体说明)
实施例：
如图1所示，本发明的IGBT动态性能测试装置，其组成包括试验电流产生电路2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、示波器5、IGBT驱动电路6、IGBT过温保护系统7，其中，IGBT过温保护系统7与IGBT驱动电路6相连；试验电流产生电路2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4和示波器5各自独立；测试时IGBT测试模块1分别与试验电流产生电路2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、示波器5、IGBT驱动电路6、IGBT过温保护系统7相连。
本发明的IGBT测试模块1采用型号为MMG75SR120B的宏微IGBT模块，其耐压等级(Vces)为1200V，电流等级(Ic)为75A。
本发明的示波器5采用型号为DPO 4045的泰克高速数字示波器，示波器的电压探头直接与IGBT测试模块1的集电极和发射极接线端子相连，电流探头直接夹在IGBT测试模块1的集电极引线上。示波器最高带宽为500MHz，所有模拟通道上的采样速率高达5GS/s，显示速率为50000个波形/秒，记录长度为10兆点。
如图2所示，本发明的试验电流产生电路2，其组成包括直流稳压源、多路循环时间继电器和负载电阻，其连接方式是：多个负载电阻的一端分别与多路循环时间继电器相连，另一端与直流稳压电源的—端相连，多路循环时间继电器的另—端与直流稳压电源的另—端相连。其中，同规格负载电阻并联后(负载数量是由直流稳压源的功率决定的，本实验采用的直流稳压源为2002年产的，工作参数为0～60V/0～30A，也即是工作电压调节为60V时线路的最大电流为30A，也即是文中所说的20个负载，如果直流稳压源的功率变大的话则负载的数量可增多(本试验使用IGBT测试模块型号为MMG75SR120B，耐压等级(Vces)1200V，电流等级(Ic)75A))连接在直流稳压源两端；同时每个并联的负载电阻分支分别通过多路循环时间继电器，与多路循环时间继电器中的固态继电器相串联(即回路是这样的：直流稳压源的正极与多路循环时间继电器相连，多路循环时间继电器与负载电阻相连，负载电阻与IGBT测试模块1的输入集电极接线端子相连，接着IGBT测试模块1的输出发射极接线端子再与直流稳压源负极相连，形成整个回路。即直流稳压源——多路循环时间继电器——负载——IGBT测试模块1——直流稳压源。)。通过人为的手段对多路循环时间继电器进行时间设置来控制每条负载接入回路的时间间隔，相应地，通过对多路循环时间继电器进行时间设置也能控制每条负载从回路切除的时间间隔，从而实现对干路电流大小的控制，实现功率循环强度不断变化的实验。
其中，直流稳压源采用DF1760L30A，其输出电压为0～60V，输出电流为0～30A；多路循环时间继电器采用两个16路时间继电器并行使用；负载电阻数量为20个，40Ω/200W电阻。
如图3所示，本发明的IGBT驱动电路6，主要包括信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路、稳压电路和直流电源，其连接方式是：信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路和稳压电路依次相连，稳压电路直接与IGBT测试模块1的栅极和发射极接线端子相连，为IGBT测试模块提供驱动信号；直流电源包括直流电源1和直流电源2，直流电源1和直流电源2分别与光耦信号放大器和驱动器相连接；驱动器通过其端口X2.1和X2.2与不平衡电路相连。驱动器的X2.1和X2.2端经过不平衡电路和稳压电路后分别与IGBT测试模块1的两个端口相连接，驱动器的X2.4端与IGBT测试模块1的另一端口相连，其中，驱动器经过与不平衡电路与稳压电路进行依次连接后引出三个端口，端口4接IGBT的集电极，端口2接IGBT的栅极，端口1接IGBT的发射极。
不平衡电路包括两个二极管D1和D2、开通电阻Ron以及关断电阻Roff，其连接方式是：开通电阻Ron与二极管D1正向串联，关断电阻Roff与二极管D2反向串联，将正向串联电路与反向串联电路相并联组成不平衡电路。本电路的作用一是消除回路振荡，作用二是限制开关管的开关速率。如图3下侧所示，驱动板X2.2与X2.1之间会产生+15V和-8V的方波驱动信号，但是此时的方波信号并不是真正意义上的方波，如果直接输送给IGBT测试模块则会使器件的开关很不稳定同时回路会产生很强的振荡；其解决手段是当信号为+15V时，使其通过10Ω电阻与正向二极管的串联电路，当信号为-8V时，使其通过20Ω电阻与反向二极管的串联电路，从而有效消除了回路振荡同时控制了IGBT模块的开关速率，避免了由于驱动速度过快而导致IGBT模块的电压电流变化率的急速提高而对整个装置产生很大的干扰。
稳压电路包括15V稳压二极管DZ1、反向8V稳压二极管DZ2和保护电阻R，其连接方式是：15V稳压二极管DZ1和反向8V稳压二极管DZ2相串联后与保护电阻R相并联组成稳压电路。本电路的作用是消除从驱动器出来的方波信号的毛刺，使方波信号的幅值稳定在+15V和-8V。
本电路实现的主要功能是对IGBT驱动信号的控制，可实现对IGBT工作频率以及占空比的调节，电路的基本原理是：首先对信号发生器通过手动的方式来调节所需的方波频率、占空比以及幅值，输出特定占空比、频率以及幅值为+10V和0V的方波信号；接着将信号发生器发出的信号输送至TLP250中进行信号放大，通过TLP250后信号放大至+15V和0V从而满足驱动器PSHI2012的输入要求；最后将放大信号输送至驱动器后驱动器会发出+15V和-8V的驱动信号，由于此时的信号会有一定的毛刺，所以将驱动器发出的信号经过不平衡电路(提供不同的开通关断电压)后通过+15V以及-8V的稳压管进行稳压，从而达到对IGBT进行驱动的目的。
其中，信号发生器采用FG708S；直流电源1采用24V直流电源、直流电源2采用15V直流电源；光耦信号发大器采用TLP250；驱动器采用PSHI2012；D1和D2均采用IN4007DZ1；DZ1采用IN5352，DZ2采用IN5344；Ron为10Ω，Roff为20Ω，R为10KΩ。
如图4所示，本发明的第一温度采集存储系统3，其组成包括第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机组成，其连接方式是：第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机依次相连，计算机对温度数据进行显示和存储；本系统通过温度传感器对IGBT测试模块铜底板温度(也即是IGBT测试模块1的壳温)进行采集，并通过无线传输技术将温度数据保存并显示在计算机上。
其中，第一温度传感器采用DS18B20-1，检测温度范围为-55℃～+125℃(精度±0.1℃)；温度信号采集模块采用无线数据采集设备SZ06；温度信号传输模块采用无线数据传输设备SZ02-USB-2K。
如图4所示，本发明的第二温度采集存储系统4，其组成包括光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机组成，其连接方式是：光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机依次相连，计算机对温度数据进行显示和存储；通过对IGBT测试模块进行特殊处理，在对IGBT测试模块没有任何损伤的前提下将光纤温度传感器紧贴在IGBT测试模块内部的发热芯片上来对温度信号进行采集，并将温度数据保存并显示在计算机上。
其中，光纤传感器采用光纤温度传感器OSP-A，检测温度范围为-50℃～+150℃；温度信号解调器采用MUS-P4-62SC。
本发明中，利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理的方法，具体包括以下步骤：
(1)将IGBT模块打开，向模块内部注入环氧树脂溶解剂，待硅凝胶全部溶解后将温度采集存储系统4中的光纤温度传感器压到IGBT芯片上，利用芯片上方的键合铝线将传感器固定住，然后将模块放置在恒温箱中；
(2)取RTV硅胶中的的A胶、B胶分别置于单独的烧杯中，各自去除沉淀后搅拌均匀；
(3)将搅拌好的A胶直接倒入塑料杯中，再倒入A胶质量十分之一的B胶，用搅拌棒顺着一个方向充分搅拌塑料杯中的胶水；(所述的RTV硅胶型号为RTVS601 PT-A)
(4)将混合好的胶水静置4～6分钟；
(5)将胶水倒入模块内部，使其充满整个模块，根据产品要求选择灌封厚度；
(6)直接将产品置于恒温箱中进行65℃下加热处理2小时，待固化后将模块封装好即可。
如图4所示，本发明的IGBT过温保护系统7，其组成包括第二温度传感器、温控器、两个散热风扇，其连接方式是：第二温度传感器与温控器相连，两个并行工作的散热风扇与温控器中继电器K1的常开端口相连，散热风扇直接对IGBT测试模块1进行风冷散热；温控器中继电器K2的常闭端口与驱动电路6内的直流电源2相连。该系统通过第二温度传感器对IGBT测试模块铜底板的温度(壳温)进行检测来控制散热风扇的开关以及驱动电路供电电源的通断，达到对IGBT测试模块进行过温保护的目的。
其中，第二温度传感器采用DS18B20-2，检测温度范围为-55℃～+125℃(精度±0.1℃)；温控器采用HRM100；散热风扇采用DP200A P/N2123HSL。
本发明的装置中的组成可以分布在一个装置柜内。
如图5所示，本发明的IGBT测试模块1的封装图，其组成包括IGBT模块、导热硅脂、散热片、第一温度采集存储系统3中的第一温度传感器、IGBT过温保护系统7中的第二温度传感器和第二温度采集存储系统4中的光纤传感器，其连接方式是：IGBT模块、导热硅脂和散热片依次相连，散热片经打孔处理，分别在IGBT测试模块内部两个IGBT芯片所对应的正下方各自留有一个通孔，第一温度传感器置于散热片左端通孔中、第二温度传感器置于散热片右端通孔中，两个温度传感器分别经通孔对IGBT模块铜底板进行测温(也即是对IGBT模块的外部壳温进行采集)；利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理，将光纤温度传感器紧贴于IGBT模块内部左侧IGBT芯片上面进行测温(也即是对IGBT模块的内部芯片的结温进行采集)；导热硅脂用于将散热片与IGBT模块紧密粘合在一起，其厚度为100-200μm，IGBT模块与散热片通过导热硅脂进行传热。将导热硅脂均匀地涂在IGBT模块铜底板和散热片上面用于IGBT模块与散热片的连接，其厚度为100-200μm。
散热片经打孔处理，分别在IGBT测试模块内部两个IGBT芯片所对应的正下方各自留有一个通孔，第一温度传感器置于散热片左端通孔中、第二温度传感器置于散热片右端通孔中，利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理，将光纤温度传感器紧贴于IGBT模块内部左侧IGBT芯片上面。
其中，导热硅脂采用信越G747，导热率为1.09W/(m*℃)；散热片采用6063铝合金材料，导热率为209W/(m*℃)(25℃)；第一温度传感器采用DS18B20-1；第二温度传感器采用DS18B20-2；光纤传感器采用光纤温度传感器OSP-A。
本发明的一种IGBT动态性能测试装置的运行方法，包括以下步骤(如图6所示)：
将IGBT测试模块1分别与试验电流产生电路2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、示波器5、IGBT驱动电路6、IGBT过温保护系统7相连；其中，对IGBT测试模块1进行封装；然后开始运行：
(1)系统初始化，同时启动第一温度采集存储系统3中的第一计算机和第二温度采集存储系统4中的第二计算机，等待温度数据的存储与显示；
(2)试验参数设置：
①启动试验电流产生电路2中的直流稳压源，调出实验所需的直流母线电压；
②调节IGBT驱动电路6中的信号发生器，设置IGBT模块的栅极驱动方波信号，包括信号频率调节以及信号占空比调节，准备为驱动器输送驱动信号；
③对接入回路的负载路数进行设置，为两种方法之一：
A.当测试某一固定电流下IGBT测试模块的各项性能时，通过控制试验电流产生电路2中的多路循环时间继电器，将与所需接入回路的负载相连的继电器设置为常闭状态，而将与不需要接入回路的负载相连的继电器设置为常开状态；
或者，B.当进行功率循环强度的试验时，对每路负载接入或退出回路的时间间隔进行设置，通过对试验电流产生电路2中的多路循环时间继电器的设置来完成，设置每路负载接入回路的时间间隔依次为{t1+,t2+……t20+}，则各路负载按照设置的时间间隔依次接入回路，20路负载接入回路的时间总和t+＝t1++t2……+t20+；等待20路负载全部接入回路之后各路负载需要依次退出回路，假设设置每路负载退出回路的时间间隔依次{t1-,t2-……t20-}，则各路负载按照设置的时间间隔依次退出回路，20路负载接入回路的时间总和t-＝t1-+t2-……+t20-；一个循环的总时间t＝t++t-＝t1++t2……+t20++t1-+t2-……+t20-，同时多路循环时间继电器对循环的次数进行设置；
④设置IGBT过温保护系统7内的温控器的温度上限值和下限值，从而控制散热风扇的开关，同时达到控制IGBT驱动电路6中直流电源2通断的目的，确保IGBT测试模块1不会因为过温而失效，具体做法如下：
设置温控器的温度上限值TH和下限值TL，当第二温度传感器检测到IGBT铜底板的温度高于TH时，温控器内的继电器K1、K2开始动作，继电器常开端口变常闭，散热风扇开始转动进而加快IGBT测试模块1的散热达到使其降温的目的；与此同时，继电器K2常闭端口变常开，IGBT驱动电路6内的直流电源2断开，驱动电路停止工作；当第二温度传感器检测到IGBT测试模块温度低于TL时，温控器内的继电器K1、K2重新动作，此时继电器常闭端口变常开而使散热风扇停止转动，继电器常开端口变常闭而使驱动电路重新投入工作。
(3)闭合主开关，使电路处于闭合状态，检查各仪表是否显示正常以及各负载支路是否连接正常；
(4)启动第一温度采集存储系统3和第二温度采集存储系统4，分别对IGBT测试模块铜底板温度和内部发热芯片的结温进行温度数据的存储和显示；
(5)按下所有直流电源的供电开关，整个测试装置进行工作。
(6)判断系统是否运行正常以及检测IGBT测试模块铜底板温度是否达到温控器设定上限值，如果系统运行正常且在工作过程中检测到的模块铜底板温度没有达到温控器设定上限值，待试验达到稳态运行后利用示波器5对IGBT测试模块的电流电压进行测试,利用MATLAB软件对示波器测试到的数据进行处理，能获得IGBT测试模块精确的功耗以及电流电压波形；如果系统运行不正常或者在工作过程中检测到的IGBT测试模块铜底板温度达到温控器设定上限值，系统自动停止工作，待铜底板温度达到温控器设定下限值时系统重新运行。
(7)一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作，如果需要进行下一轮试验，则重复(1)～(5)。
如图7所示给出了本发明的IGBT测试模块的具体电路。
如图7中所示通过调节稳压直流源来对线路直流母线电压进行控制，驱动电路通过信号发生器为驱动板提供驱动信号，通过对信号发生器的控制能达到调节IGBT测试模块工作频率的目的；多路循环时间继电器与负载相连，通过对多路循环时间继电器进行设置来决定导通支路的路数，干路中的电流大小由导通支路数决定；通过对以上各部分的控制从而来是功率强度不断变化，进而分析功率循环强度与温度之间的相关性。
为了检测功率循环强度与温度之间的关系，本装置通过调节稳压直流源将母线电压控制为60V，通过调节信号发生器将IGBT测试模块的工作频率和占空比分别设置为5KHz和50％，通过对多路循环时间继电器进行时间设定来不断改变电路中电流的大小从而达到功率强度不断循环变化的目的，并通过第一温度采集存储系统3对IGBT测试模块的壳温进行动态监测，经测试功率循环强度与温度之间的相关性如图8所示。
随着时间的推移由多路循环时间继电器控制的负载的接入回路的路数会不断变化，从而导致了功率强度的不断变化，其最具体的表现是在IGBT测试模块的壳温的不断变化上，从图中可知，温度最高点即为所有负载支路都接入回路的时段，此时功率强度最大；而温度最低点即为所以负载支路都退出回路的时段，此时功率强度最小；所以IGBT测试模块的壳温随着功率强度的循环变化而循环变化，两者之间具有正相关性的关系。
本装置是对IGBT的动态性能进行检测的装置，其另外一个功能是能对IGBT测试模块的老化程度进行检测，而IGBT模块的老化主要体现在传热热阻的不断增加，本装置则可对IGBT测试模块的热阻参数进行提取。假设利用第一温度传感器采集到的IGBT模块铜底板的温度为Tc，利用光纤传感器采集到的IGBT模块芯片的结温为Tj；利用型号为DPO 4054的高速示波器能采集动态到模块集射极电压u(t)、集电极电流i(t)，利用MATLAB软件对u(t)和i(t)的采样信息积分换算可得模块的损耗(其中也包括续流二极管的损耗)：
IGBT测试模块的瞬时损耗功率的计算公式如下：
p(t)＝u(t)*i(t) (1)
对式子(1)在一个周期内进行积分，求得其平均功耗的计算公式如下：
IGBT测试模块的芯片与铜底板的温度差计算公式如下：
ΔT＝Tj-Tc (3)
IGBT测试模块的热阻计算公式如下：
将式(2)和式(3)带入式(4)中可得：
p(ti)为ti时刻的瞬时功率；为模块的平均功耗；u(t)—IGBT集射极电压瞬时值；i(t)—集电极电流瞬时值；规定ta为一个周期内模块的开通时刻,tb为模块完全关断时刻；Δ为示波器的采样间距；f为IGBT的开关频率；ΔT为芯片与铜底板的温度差，Rth为模块的热阻。
为了利用本装置对IGBT测试模块的当前热阻参数进行测试，本装置通过调节稳压直流源将母线电压控制为60V；通过对多路循环时间继电器进行设置，使其中14路负载始终保持接通状态，使另外的6路始终保持断开状态，从而保证回路中的电流为21A；通过调节信号发生器将IGBT测试模块占空比设置为50％，并将IGBT工作频率设置为500Hz、5KHz、10KHz和15KHz四个等级下进行试验来对IGBT测试模块的热阻参数进行提取；利用第一温度采集存储系统3来对IGBT测试模块的壳温进行监测；利用第二温度采集存储系统4来对IGBT测试模块的结温进行监测。经测试测得IGBT测试模块的平均功率损耗、壳温和结温的数据如下表。该装置通过对采集到的信息处理完成对试品老化状态的评估。
| 试验序号 | 平均功率损耗(W) | 壳温(℃) | 结温(℃) | 热阻(℃/W) | 老化状态 |
| 1 | 40.77 | 48.3 | 55.4 | 0.174 | 未明显老化 |
| 2 | 58.72 | 55.1 | 65.4 | 0.175 | 未明显老化 |
| 3 | 68.41 | 66.2 | 78.1 | 0.174 | 未明显老化 |
| 4 | 75.83 | 71.9 | 85.2 | 0.175 | 未明显老化 |
通过上面描述，我们可以知道，该装置能通过试验对功率强度跟温度之间的关系进行探究，同时通过测试的数据对IGBT测试模块的老化状态进行评估。此装置的作用一是对IGBT的热阻进行测量，进而对其老化程度进行评估(当热阻的增量达到规定值的20％即视为IGBT模块老化失效)；此装置的作用二是对功率强度跟温度之间的关系进行探究，从而对热阻的求解公式进行简化，在只对IGBT模块的温度进行测量的情况下就能求解此时的热阻，同时观测功率强度不断变化时温度的变化情况，从而对IGBT测试模块的可靠性运行提供指导帮助。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (5)
1.一种IGBT动态性能测试装置，其特征为其组成包括试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统，其中，IGBT过温保护系统与IGBT驱动电路相连；试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统和示波器各自独立；测试时IGBT模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统相连；
所述的试验电流产生电路，其组成包括直流稳压源、多路循环时间继电器和负载电阻，其连接方式是：多个负载电阻的一端分别与多路循环时间继电器相连，另一端与直流稳压电源的一端相连，多路循环时间继电器的另一端与直流稳压电源的另一端相连，用于实现功率强度循环变化；
所述的第一温度采集存储系统，其组成包括第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机组成，其连接方式是：第一温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第一计算机依次相连，用于测量IGBT模块铜底板温度；
所述的第二温度采集存储系统，其组成包括光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机组成，其连接方式是：光纤传感器、温度信号解调器和第二计算机依次相连，用于测量IGBT内部发热芯片温度；
所述的IGBT驱动电路，主要包括信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路、稳压电路和直流电源，其连接方式是：信号发生器、光耦信号放大器、驱动器、不平衡电路和稳压电路依次相连；直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源和第二直流电源分别与光耦信号放大器和驱动器相连接；驱动器与不平衡电路相连；
所述的IGBT过温保护系统，其组成包括第二温度传感器、温控器、两个散热风扇，其连接方式是：第二温度传感器与温控器相连，两个并行工作的散热风扇与温控器相连；
该测试装置能够获得功率循环强度与温度之间的相关性。
2.如权利要求书所述的IGBT动态性能测试装置，其特征为所述的不平衡电路包括两个二极管D1和D2、开通电阻Ron以及关断电阻Roff ，其连接方式是：开通电阻Ron与二极管D1正向串联，关断电阻Roff与二极管D2反向串联，将正向串联电路与反向串联电路相并联组成不平衡电路；
所述的稳压电路包括15V稳压二极管DZ1、反向8V稳压二极管DZ2和保护电阻R，其连接方式是：15V稳压二极管DZ1和反向8V稳压二极管DZ2相串联后与保护电阻R相并联组成稳压电路。
3.如权利要求1中IGBT动态性能测试装置的运行方法，其特征为包括以下步骤：
将IGBT模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、示波器、IGBT驱动电路、IGBT过温保护系统相连；其中，对IGBT模块进行封装；然后开始运行以下步骤：
（1）系统初始化，启动计算机，等待温度数据的存储与显示；
（2）试验参数设置：
启动试验电流产生电路中的直流稳压源，调出实验所需的直流母线电压；
调节IGBT驱动电路中的信号发生器，设置IGBT模块的栅极驱动方波信号，包括信号频率调节以及信号占空比调节，准备为驱动器输送驱动信号；
对接入回路的负载路数进行设置，为两种方法之一：
A．当测试某一固定电流下IGBT模块的各项性能时，通过控制试验电流产生电路中的多路循环时间继电器，将与所需接入回路的负载相连的继电器设置为常闭状态，而将与不需要接入回路的负载相连的继电器设置为常开状态；
B．当进行功率循环强度的试验时，对每路负载接入或退出回路的时间间隔进行设置，通过对试验电流产生电路中的多路循环时间继电器的设置来完成，设置每路负载接入回路的时间间隔依次为{t1+,t2+……t20+}，则各路负载按照设置的时间间隔依次接入回路，20路负载接入回路的时间总和t+= t1++ t2+……+t20+；等待20路负载全部接入回路之后各路负载需要依次退出回路，假设设置每路负载退出回路的时间间隔依次{t1-,t2-……t20-}，则各路负载按照设置的时间间隔依次退出回路，20路负载接入回路的时间总和t-= t1-+t2-……+t20-；一个循环的总时间t=t++t-=t1++ t2+……+t20++t1-+t2-……+t20-，同时多路循环时间继电器对循环的次数进行设置；
设置IGBT过温保护系统内的温控器的温度上限值和下限值，步骤如下：
设置温控器的温度上限值TH和下限值TL，当第二温度传感器检测到IGBT模块铜底板的温度高于TH时，温控器内的继电器开始动作，继电器常开端口变常闭，散热风扇开始转动进而加快IGBT模块的散热达到使IGBT模块降温的目的；与此同时，继电器常闭端口变常开，驱动电路供电电源断开，驱动电路停止工作；当第二温度传感器检测到IGBT模块温度低于TL时，温控器内的继电器重新动作，此时继电器常闭端口变常开而使散热风扇停止转动，继电器常开端口变常闭而使驱动电路重新投入工作；
（3）闭合主开关，使电路处于闭合状态，检查各仪表是否显示正常以及各负载支路是否连接正常；
（4）启动第一温度采集存储系统和第二温度采集存储系统，分别对IGBT模块铜底板温度和内部发热芯片温度进行温度数据的存储和显示；
（5）按下所有直流电源的供电开关，整个测试装置进行工作；
（6）判断系统是否运行正常以及检测到的IGBT模块铜底板温度是否达到温控器设定上限值，如果系统运行正常且在工作过程中检测到的IGBT模块铜底板温度没有达到温控器设定上限值，待试验达到稳态后利用示波器对IGBT模块的电流电压进行测试；如果系统运行不正常或者在工作过程中检测到的IGBT模块铜底板温度达到温控器设定上限值，系统自动停止工作，待铜底板温度达到温控器设定下限值时系统重新运行；
（7）一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作。
4.如权利要求3中IGBT动态性能测试装置的运行方法，其特征为所述的对IGBT模块进行封装中，其组成包括IGBT模块、导热硅脂、散热片、第一温度采集存储系统中的第一温度传感器、IGBT过温保护系统中的第二温度传感器和第二温度采集存储系统中的光纤传感器，其连接方式是：IGBT模块、导热硅脂和散热片依次相连，散热片经打孔处理，分别在IGBT模块内部两个IGBT芯片所对应的正下方各自留有一个通孔，第一温度传感器置于散热片左端通孔中、第二温度传感器置于散热片右端通孔中；利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT模块进行处理，将光纤温度传感器紧贴于IGBT模块内部左侧IGBT芯片上面进行测温；将导热硅脂均匀地涂在IGBT模块铜底板和散热片上面用于IGBT模块与散热片的连接，其厚度为100-200μm。
5.如权利要求3中IGBT动态性能测试装置的运行方法，其特征为所述的IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT模块进行处理的方法，包括以下步骤：
（1）将IGBT模块打开，向IGBT模块内部注入环氧树脂溶解剂，待硅凝胶全部溶解后将第二温度采集存储系统中的光纤温度传感器压到IGBT芯片上，利用芯片上方的键合铝线将光纤温度传感器固定住，然后将IGBT模块放置在恒温箱中；
（2）取RTV硅胶中的的A胶、B胶分别置于单独的烧杯中，各自去除沉淀后搅拌均匀；
（3）将搅拌好的A胶直接倒入塑料杯中，再倒入A胶质量十分之一的B胶，用搅拌棒顺着一个方向充分搅拌塑料杯中的胶水；
（4）将混合好的胶水静置4～6分钟；
（5）将胶水倒入IGBT模块内部，使其充满整个IGBT模块，根据产品要求选择灌封厚度；
直接将IGBT模块置于恒温箱中进行65℃下加热处理2小时，待固化后将IGBT模块封装好即可。
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