CN106841967A - 高压大电流igbt的动态测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压大电流IGBT的动态测试平台及测试方法，属于电力电子半导体器件技术领域，该测试平台主要实现基于labview和DSP的上下位机通信，主要功能为：（1）上位机Labview发送测试条件，经通信线控制程控电压源、示波器和发送测试条件给DSP控制器；（2）实现程控电源输出电压可调，示波器可设置和labview可自动读取示波器波形；（3）基于DSP实现整个控制系统的欠压、过压、过流等软硬件故障保护，系统一旦出现故障立刻切断电源并开启放电回路，在确保系统正常测试的同时，也严格确保测试设备的安全和测试人员的安全；（4）实现上位机labview显示读取的示波器数据和8个动态测试参数，并记录成Excel表格形式保存，以便后期分析和总结。

Description

高压大电流IGBT的动态测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及一种高压大电流IGBT的动态测试平台及测试方法，尤其是是一种能覆盖全范围IGBT等级的测试系统，属于电力半导体器件技术领域。

背景技术

电力电子技术是以电力电子器件为基础，电力电子器件决定电力电子设备的应用水平，以柔性直流输电、光伏并网等电力系统方面的大功率电力电子变流技术越来越深受欢迎，但却受限于电力电子器件的发展。而绝缘栅双极型晶体管IGBT属于电力半导体器件技术领域，且主要应用于电能变换和电能控制，其发展历程经历了二极管、晶闸管、三极管、IGBT等阶段。

在功率晶体管领域中IGBT以较快的速度进行发展，IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型效应管)构成的复合全控型电压驱动式的半导体器件，而GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度大。而IGBT综合了两款器件的优点：既兼容MOSFET的高输入阻抗，又具有GTR的低导通压降，同时驱动功率小，饱和压降低，其频率特性在MOSFET和GTR之间，正常工作频率在几十KHz，因此正是其这些优点使得其在大中功率设备的应用中得到广泛应用。

IGBT在大功率测试设备和应用设备中得到了广泛应用，比如：电焊机、中高压变频器、光伏并网逆变器、有源电力滤波器、无功补偿装置、柔性高压直流输电。

目前一些测试设备能够进行IGBT模块的静态特性测试，进而能为IGBT模块的选型和使用提供一定的依据；但是在电压型电能变换的装置中，IGBT的开关特性对整个变流器其至关重要的作用，IGBT的动态性能参数决定了开关损耗，而开关损耗又制约高频变换器的频率和工作效率，IGBT周期性的开通和关断会产生一定的电磁干扰，而通断过程中过大的du/dt和di/dt会引起电压和电流的尖峰；因此设计合理又安全可靠的高压大电流IGBT动态测试平台对于IGBT开关特性的测试是十分重要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的IGBT动态测试过程中测试8个动态参数耗时太长，且测试过程中无欠压、过压、过流等故障保护的不足，提供一种高压大电流IGBT的动态测试平台及测试方法，能覆盖全范围IGBT等级的测试。

按照本发明提供的技术方案，所述高压大电流IGBT的动态测试平台，其特征是，包括：

上位机，所述上位机通过Labview进行测试条件设置和测试数据的处理、保存；

DSP控制系统，所述DSP控制系统用于实现双脉冲发送、母线电压和I_c电流的采样、以及控制系统故障的软硬件保护及控制系统放电；

电源模块，所述电源模块与DSP控制系统连接，提供直流电源V_cc；

示波器，所述示波器与上位机连接，示波器通过探头采集测试电路的时序波形，并将测试波形上传至上位机；

A/D采样电路，所述A/D采样电路和DSP控制系统连接，A/D采样电路用于母线电压Ucc、Vce、Vge、Ic的采样；

故障保护电路，所述故障保护电路与DSP控制系统连接；

以及外围辅助电路，所述外围辅助电路包括驱动电路和放电回路。

进一步的，所述驱动电路提供驱动电流，具有驱动电阻和驱动电压可调功能，以及具有电气隔离和过流、过压保护功能。

进一步的，所述放电回路为测试电路的母线电容进行放电。

进一步的，所述测试电路中母线电容选择并联型的薄膜电容作为DC-link的电容器。

所述高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是，主要基于labview和DSP控制系统的上下位机通信，主要过程为：

(1)上位机通过Labview界面设置测试参数，经通信线控制程控电压源、示波器和发送测试条件给DSP控制系统；

(2)借助于DSP控制系统完成母线电容的充电至设定的电压值后自动断开充电，并在Labview界面提示充电停止，启动测试；

(3)上位机labview显示读取的示波器数据和动态测试参数，并自动保存相应的数据。

进一步的，所述步骤(1)中上位机通过Labview界面设置栅极电压、驱动电阻、母线电压、测试电流参数，根据完成脉冲宽度的设置。

进一步的，启动测试之前，由DSP控制系统采样V_cc、I_c、V_ce、V_ge，并判断是否存在欠压、过压、过流故障，若出现故障则切断是开启放电回路。

进一步的，所述步骤(3)中动态测试参数为电流上升时间t_r，开通时间t_on，开通电流峰值I_peak，开通损耗E_on，电流下降时间t_f，关断时间峰值V_peak，关断损耗E_off，反向恢复损耗E_rr。

进一步的，当测试完成时启动放电回路。

进一步的，在启动放电回路时，判断母线电压是否低于36V，是，则停止放电；否，则继续放电。

本发明具有以下性能：

(1)DSP与上位机Labview通过RS232串口实现上下位机通信和控制系统参数设置；

(2)本发明能够实现控制系统故障信号的软件保护和故障信号反馈；

(3)本发明能够实现AD采样电路中母线电压Ucc、Vce、Vge、Ic等回路的采样；

(4)本发明能够实现故障放电和正常测试完毕系统放电。

附图说明

图1为本发明所述高压大电流IGBT的动态测试平台的框图。

图2为本发明所述高压大电流IGBT的动态测试平台的硬件控制框图。

图3为测试电路示意图。

图4为测试时序波形图。

图5为控制流程图。

图6为放电流程图

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明所述高压大电流IGBT的动态测试平台包括上位机1、DSP控制系统2、电源模块3、示波器4、A/D采样电路5、故障保护电路6、仿真器7、晶振8和外围辅助电路9。

所述上位机1通过仿真器7将控制程序导入DSP控制系统2中，上位机1通过Labview进行测试条件设置和测试数据的处理、保存以及基于DSP控制系统2实现故障保护等；所述DSP控制系统2的主要功能为实现双脉冲发送、母线电压和I_c电流等的采样、以及控制系统故障情况下软硬件的保护及控制系统放电。所述上位机1通过RS232串口连接DSP控制系统2，实现上下位机通信和DSP控制系统参数设置。所述DSP控制系统2与A/D采样电路5和故障保护电路6连接。所述A/D采样电路5用于母线电压Ucc、Vce、Vge、Ic等回路的采样。

所述电源模块3带有GPIB口，电源模块3通过GPIB口与DSP控制系统2连接，借助于DSP控制系统2向测试电路提供直流电源V_cc，完成母线电容C的充电和驱动电阻R_g的设定等。

所述示波器4通过探头用于采集测试电路的时序波形，并通过USB通信连接至上位机1，将测试波形上传，上位机1可以对示波器4进行设置指令。

所述外围辅助电路9包括用于给控制系统的外围辅助设备提供电压的电路、驱动电路和放电回路。

所述驱动电路提供驱动电流，并且具有驱动电阻和驱动电压可调等功能，以及具有足够的电气隔离和过流、过压保护等能力。市场上的IGBT驱动模块都集成了欠压保护功能，但驱动电压无法调整，因此选择只具有驱动能力的单片驱动芯片，并通过继电器将不同的电阻接入电路来实现驱动电压的切换。

所述放电回路为母线电容进行放电，保护设备和测试人同安全。具体体现：通过变压器改变匝比的方式可方便得到任意等级的交流电压，经整流后得到直流电压。同时放电回路中电阻通过继电器并联于电容器，电阻使用水泥电阻进行母线电容放电。

如图3所示，测试电路中母线电容C为IGBT的动态测试提供能量存储，选择并联型的薄膜电容作为DC-link的电容器。

所述电感线圈L为IGBT进行动态测试提供负载。在选择空芯绕组的电感时还需考虑母线电容与电感是否可能发生谐振，同时还必须严格注意层间绝缘和匝间绝缘，对于高压测试情况下可考虑选择串联电感的方式减小电感耐压的等级。

由于大功率器件的开关特性与测试电路寄生电感有密切关系，通过获取准确的测试数据以反映器件自身的开关特性，同时保证开关器件的安全可靠工作，因此测试电路中的寄生电感必须非常小。所以选择叠层母排作为测试电路的功率主回路，且叠层母线结构可以大大增加母线的电容效应，且减小回路等效电感，此外需注意针对不同的封装结构设计不同的叠层母排结构。叠层母排采用多层结构的叠层母排。

本发明所述高压大电流IGBT的动态测试方法，主要基于labview和DSP的上下位机通信，主要过程为：

(1)上位机通过Labview平台发送测试参数，经通信线控制程控电压源、示波器和发送测试条件给DSP控制系统；

(2)实现程控电源输出电压可调、示波器可设置和labview可自动读取示波器波形；

(3)基于DSP控制系统实现整个控制系统的欠压、过压、过流等软硬件故障保护，系统一旦出现故障立刻切断电源并开启放电回路，在确保系统正常测试的同时，也严格确保测试设备的安全和测试人员的安全；

(4)实现上位机labview显示读取的示波器数据和8个动态测试参数，并记录成Excel表格形式保存，以便后期分析和总结。

具体地：

(1)上位机通过Labview界面设置栅极电压、驱动电阻、母线电压、测试电流等相关参数，根据完成脉冲宽度的设置；

(2)将设置的参数经通信线发送指令给相关设备(如电源模块、示波器、DSP控制系统等)，借助于DSP控制系统完成母线电容C的充电至设定的电压值后自动断开充电，并在此界面上通过指示灯提示充电停止，点击界面上的启动测试按钮进行测试；

(3)系统自动记录测试次数和测试时间，同时通过USB通信自动读取示波器中各个通道的波形数据，并自动保存成excel表格，以方便后续数据的分析和处理；同时经Labview后台经程序处理得到动态测试的8个参数(电流上升时间t_r，开通时间t_on，开通电流峰值I_peak，开通损耗E_on，电流下降时间t_f，关断时间峰值V_peak，关断损耗E_off，反向恢复损耗E_rr)，并在Labview界面上显示出来同时自动保存相应的数据。

本发明所述高压大电流IGBT动态测试平台测试后由图4可知，控制时序中第一个脉冲用来建立测试电流，第一个脉冲的关断时刻用于测试IGBT模块的关断特性，第二个脉冲开始时刻用于测试IGBT模块的开通特性。其具体的工作原理如下所示：

(1)、0～t₁：t＝0时刻，被测IGBT开通，母线通过IGBT给负载电感充电，流过电感的电流I_Load线性上升，直至t₁时刻电感电流I_L上升到指定测试值I₁；

(2)、t₁～t₂：t₁时刻，关断被测IGBT，可捕获IGBT关断电压、电流等关断参数波形，电感电流I_L通过上管二极管D续流继续导通，直到t₂时刻再次被导通；

(3)、t₂-t₃：t₂时刻，IGBT再次导通，通过示波器可观测IGBT开通电压、电流等开通参数波形，如果负载电感的值足够大，则可认为IGBT在t₂时刻的开通电流I₂等于t₁时刻的关断电流值I₁；此外该阶段，流过负载的电流I_L将继续上升，直到t₃时刻，此时电流值为I₃；

(4)、t₃以后：t₃时刻IGBT再次被关断，流过电感的电流I_L经上管二极管继续进行续流导通，直到电流值下降至零，则以上为一个双脉冲的测试周期。

在额定或高于直流电压的情况下，被测IGBT2经受开通-关断-开通-关断峰值电流的测试过程后，如果整个测试过程中IGBT模块完好无损，则测试电路断电。

如图6所示，当发生故障时启动放电回路或者当测试完成时启动放电程序。判断母线电压是否低于36V，是，则停止放电；否，则继续放电。

Claims (10)

1.一种高压大电流IGBT的动态测试平台，其特征是，包括：

上位机(1)，所述上位机(1)通过Labview进行测试条件设置和测试数据的处理、保存；

DSP控制系统(2)，所述DSP控制系统(2)用于实现双脉冲发送、母线电压和I_c电流的采样、以及控制系统故障的软硬件保护及控制系统放电；

电源模块(3)，所述电源模块(3)与DSP控制系统(2)连接，提供直流电源V_cc；

示波器(4)，所述示波器(4)与上位机(1)连接，示波器(4)通过探头采集测试电路的时序波形，并将测试波形上传至上位机(1)；

A/D采样电路(5)，所述A/D采样电路(5)和DSP控制系统(2)连接，A/D采样电路(5)用于母线电压Ucc、Vce、Vge、Ic的采样；

故障保护电路(6)，所述故障保护电路(6)与DSP控制系统(2)连接；

以及外围辅助电路(9)，所述外围辅助电路(9)包括驱动电路和放电回路。

2.如权利要求1所述的高压大电流IGBT的动态测试平台，其特征是：所述驱动电路提供驱动电流，具有驱动电阻和驱动电压可调功能，以及具有电气隔离和过流、过压保护功能。

3.如权利要求1所述的高压大电流IGBT的动态测试平台，其特征是：所述放电回路为测试电路的母线电容进行放电。

4.如权利要求1所述的高压大电流IGBT的动态测试平台，其特征是：所述测试电路中母线电容选择并联型的薄膜电容作为DC-link的电容器。

5.一种高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是，主要基于labview和DSP控制系统的上下位机通信，主要过程为：

(1)上位机通过Labview界面设置测试参数，经通信线控制程控电压源、示波器和发送测试条件给DSP控制系统；

(2)借助于DSP控制系统完成母线电容的充电至设定的电压值后自动断开充电，并在Labview界面提示充电停止，启动测试；

(3)上位机labview显示读取的示波器数据和动态测试参数，并自动保存相应的数据。

6.如权利要求5所述的高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是：所述步骤(1)中上位机通过Labview界面设置栅极电压、驱动电阻、母线电压、测试电流参数，根据完成脉冲宽度的设置。

7.如权利要求5所述的高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是：启动测试之前，由DSP控制系统采样V_cc、I_c、V_ce、V_ge，并判断是否存在欠压、过压、过流故障，若出现故障则切断是开启放电回路。

8.如权利要求5所述的高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是：所述步骤(3)中动态测试参数为电流上升时间t_r，开通时间t_on，开通电流峰值I_peak，开通损耗E_on，电流下降时间t_f，关断时间峰值V_peak，关断损耗E_off，反向恢复损耗E_rr。

9.如权利要求5所述的高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是：当测试完成时启动放电回路。

10.如权利要求7或9所述的高压大电流IGBT的动态测试方法，其特征是：在启动放电回路时，判断母线电压是否低于36V，是，则停止放电；否，则继续放电。