CN107167666B - 功率器件损耗测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种功率器件损耗测试方法。该方法包括如；(1)损耗校正实验，用来绘制实际工作环境下待测功率器件随温差变化的损耗曲线；(2)实际电路测试，令待测功率器件正常工作，根据实际测得的温差值对应损耗校正实验得到的曲线，得到待测功率器件的功率值。该方法在实际工况下获得损耗值，能够满足和适应任何工况下的测试需求，且不存在由于电气测量设备(如示波器)精度和延迟造成的测量误差，且测试结果去除了环境温度和起始温度变化不稳定的影响，可以得到准确的功率器件损耗数据。

Description

功率器件损耗测试方法
技术领域
本发明涉及一种功率器件损耗测试方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件越来越趋于高频、大功率和高集成化。研究器件损耗可以为功率变换装置系统中器件选型和散热设计提供指导，同时为优化系统工作效率提供重要依据。
近些年来，电力电子器件损耗研究一直是电力电子领域中非常重要的一个研究方向，当前应用较多的研究方法是基于器件数据手册中给出的数据估算器件损耗。该方法依赖于电力电子器件厂家提供的手册，通过实际工况与控制方式确定电压、电流和占空比等参数，然后选择功率器件。通过对应功率器件数据手册中功率器件的特性曲线，根据实际条件查找对应的损耗数据。例如中国发明专利申请公开说明书(CN201510900848.4)于2017年5月10日公开的《一种SiC MOSFET三电平逆变电路损耗计算方法》，该方法就是根据已知所使用的SiC MOSFET器件在额定状态下的特性参数，估算各种条件下的功率损耗。然而不同器件制造商所提供的测试条件各异，手册中的损耗参数或曲线是标准测试环境下提取的，与实际工况难免有很大差距，准确性不高。
中国发明专利申请公开说明书(CN201610822936.1)于2017年2月15日公开的《一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法》采用的是变流器输入端并联直流电容，在实验过程中记录两种不同开关频率下直流电容两端电压随时间的变化曲线，利用能量守恒定律的原理得到开关管损耗。但是这种测试方法需要保证电气测量设备能够准确采集所需信息，其准确性受到测量设备精度等外在条件的限制。
莱昂内尔霍夫曼在2014年5月发表在IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS(IEEE电力电子学会刊)上的文献“Optimization of the Driver of GaN PowerTransistors Through Measurement of Their Thermal Behavior”(“通过热测试的方法优化氮化镓功率晶体管的驱动”)上提出一种通过热测试来得到器件损耗的方法。该方法通过测试固定在器件上的圆柱金属块的起始温度，间接测得器件的损耗。然而该测试方法没有考虑到环境温度对测试结果的影响，同时由于在功率器件刚开始工作时，起始温度变化并不稳定，导致了测试结果误差的产生。
发明内容
本发明要解决的问题就是克服上述方案的局限性，提出一种功率器件损耗测试方法。该方法通过在实际工作环境中测试待测器件对应的立方体金属块温差，去除了环境温度和起始温度变化不稳定的影响，得到准确的功率器件损耗数据。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案主要步骤如下：
一种功率器件损耗测试方法，本测试方法所涉及的测试装置包括待测功率器件、立方体金属块、第一温度探头、第二温度探头、隔热材料和导热胶垫；所述导热胶垫粘接在立方体金属块的上端面上，所述立方体金属块除上端面以外的五个面上都包裹有隔热材料；所述第一温度探头装在立方体金属块上端面与导热胶垫之间，所述第二温度探头在立方体金属块下端面与其包裹在外的隔热材料之间，所述待测功率器件置于导热胶垫的上端面上；
本测试方法的主要步骤如下：
步骤1，将直流源输出电流设置值按照待测功率器件的额定电流值IA均分为F份，得到直流源输出电流设置值数组如下：
B＝{Im|Im＝m×ΔI,m＝1,2…F}，Imin≤Im≤Imax
其中ΔI为将待测功率器件额定电流值IA均分得到的直流源输出电流设置值的差值，F为将待测功率器件额定电流值IA按照差值ΔI均分得到的直流源输出电流设置值个数，将直流源输出电流设置值数组B中的F个直流源输出电流设置值记为Im，m为直流源输出电流设置值数组B中直流源输出电流设置值按从小到大排序所对应的直流源输出电流设置值序列号，m＝1,2…F，F为正整数；Imax为损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值，Imin为损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值，Imin＞0；
步骤2，根据步骤1的设定，将所述直流源输出电流设置值Im加在所述待测功率器件两端，使直流源与待测功率器件构成回路，保持所述待测功率器件处于导通状态，并进行如下测试：
1)实时测试所述待测功率器件两端的电压Um，m＝1,2…F，将所测得的电压Um与所述直流源输出电流设置值Im相乘得到该瞬间的功率损耗值Pm，m＝1,2…F；
2)从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头测试得到的第N1秒第一温度TAmN1、第N2秒第一温度TAmN2以及第二温度探头测试得到的第N1秒第二温度TBmN1和第N2秒第二温度TBmN2，并计算温度差Tm，Tm＝(TBmN2-TAmN2)-(TBmN1-TAmN1)，m＝1,2…F；
步骤3，根据将步骤2得到的损耗值Pm和温度差Tm拟合出横坐标为Tm、纵坐标为Pm的Pm-Tm变化曲线；
步骤4，将所述待测功率器件处于实际工作电路中，从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头测试得到的第N1秒实际第一温度TAsN1、第N2秒实际第一温度TAsN2以及第二温度探头测试得到的第N1秒实际第二温度TBsN1、第N2秒实际第二温度TBsN2，并计算实际温度差Ts，Ts＝(TBsN2-TAsN2)-(TBsN1-TAsN1)；
步骤5，在步骤3中得到的Pm-Tm变化曲线中，根据步骤4得到的实测温度差Ts的数值找到对应的Pm值，定义该Pm值为待测功率器件的实际损耗值Ps。
优选的，步骤1中的直流源输出电流差值ΔI为待测功率器件额定电流值IA的5％，损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值Imax为待测功率器件额定电流值IA的95％，即待测功率器件额定电流值IA减去直流源输出电流差值ΔI，损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值Imin为待测功率器件额定电流值IA的5％，即直流源输出电流差值ΔI。
优选地，所述N1为30，所述N2为90。
本发明公开了一种功率器件损耗测试方法。该方法通过在实际工作环境中测试待测器件对应的立方体金属块温差，可以得到准确的功率器件损耗。与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)本发明所提出的损耗测试是在实际工况下获得的，能够满足和适应任何工况下的测试需求。
2)本发明是通过温度测试间接得到准确的损耗值，不存在由于电气测量设备(如示波器)精度和延迟造成的测量误差。
3)本发明的温度测试通过采用温差数据，避免了环境温度对测试结果的影响。
4)本发明的温度测试范围为30秒到90秒，避免了起始温度不稳定的影响，同时保证测试时间足够短，使得其余散热回路对温度测试结果的影响可忽略。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构图。
附图标记说明：
1：待测功率器件；
2：立方体金属块；
3：第一温度探头；
4：第二温度探头；
5：隔热材料；
6：导热胶垫。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步清楚、完整地描述。
图1为本发明实施例的装置结构图，由该图可见，本测试方法所涉及的测试装置包括待测功率器件1、立方体金属块2、第一温度探头3、第二温度探头4、隔热材料5和导热胶垫6；所述导热胶垫6粘接在立方体金属块2的上端面上，所述立方体金属块2除上端面以外的五个面上都包裹有隔热材料5；所述第一温度探头3装在立方体金属块2上端面与导热胶垫6之间，所述第二温度探头4在立方体金属块2下端面与将立方体金属块2包裹在其中的隔热材料5之间，所述待测功率器件1置于导热胶垫6的上端面上。
本发明实施过程包括损耗校正测试和实际电路测试，具体为5个步骤，其中步骤1-3为损耗校正测试，4-5为实际测试部分。
步骤1，将直流源输出电流设置值按照待测功率器件1的额定电流值IA均分为F份，得到直流源输出电流设置值数组如下：
B＝{Im|Im＝m×ΔI,m＝1,2…F}，Imin≤Im≤Imax
其中ΔI为将待测功率器件额定电流值IA均分得到的直流源输出电流设置值的差值，F为将待测功率器件额定电流值IA按照差值ΔI均分得到的直流源输出电流设置值个数，将直流源输出电流设置值数组B中的F个直流源输出电流设置值记为Im，m为直流源输出电流设置值数组B中直流源输出电流设置值按从小到大排序所对应的直流源输出电流设置值序列号，m＝1,2…F，F为正整数；Imax为损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值，Imin为损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值，Imin＞0。
在本实施例中，直流源输出电流差值ΔI为待测功率器件额定电流值IA的5％，损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值Imax为待测功率器件额定电流值IA的95％，损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值Imin为直流源输出电流差值ΔI，即首次测试时取待测功率器件额定电流值IA的5％为直流源输出电流设置值，F＝19次。
步骤2，根据步骤1的设定，将所述直流源输出电流设置值Im加在所述待测功率器件1两端，使直流源与待测功率器件1构成回路，保持所述待测功率器件1处于导通状态，并进行如下测试：
1)实时测试所述待测功率器件1两端的电压Um，m＝1,2…19，将所测得的电压Um与所述直流源输出电流设置值Im相乘得到该瞬间的功率损耗值Pm，m＝1,2…19；
2)从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头3测试得到的第N1秒第一温度TAmN1、第N2秒第一温度TAmN2以及第二温度探头4测试得到的第N1秒第二温度TBmN1和第N2秒第二温度TBmN2，并计算温度差Tm，Tm＝(TBmN2-TAmN2)-(TBmN1-TAmN1)，m＝1,2…19。在本实施例中，N1＝30，N2＝90，即取第30秒和第90秒作为测试时间。
步骤3，根据将步骤2得到的损耗值Pm和温度差Tm拟合出横坐标为Tm、纵坐标为Pm的Pm-Tm变化曲线。
步骤4，将所述待测功率器件1处于实际工作电路中，从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头3测试得到的第N1秒实际第一温度TAsN1、第N2秒实际第一温度TAsN2以及第二温度探头4测试得到的第N1秒实际第二温度TBsN1、第N2秒实际第二温度TBsN2，并计算实际温度差Ts，Ts＝(TBsN2-TAsN2)-(TBsN1-TAsN1)。与上相同，在本实施例中，N1＝30，N2＝90，即取第30秒和第90秒作为测试时间。
步骤5，在步骤3中得到的Pm-Tm变化曲线中，根据步骤4得到的实测温度差Ts的数值找到对应的Pm值，定义该Pm值为待测功率器件1的实际损耗值Ps，测试结束。
在本实施例中，N1＝30，N2＝90,即取第30秒和第90秒作为测试时间。避免了起始温度不稳定的影响，同时保证测试时间足够短，使得其余散热回路对温度测试结果的影响可忽略。

Claims (3)

1.一种功率器件损耗测试方法，其特征在于，本测试方法所涉及的测试装置包括待测功率器件(1)、立方体金属块(2)、第一温度探头(3)、第二温度探头(4)、隔热材料(5)和导热胶垫(6)；所述导热胶垫(6)粘接在立方体金属块(2)的上端面上，所述立方体金属块(2)除上端面以外的五个面上都包裹有隔热材料(5)；所述第一温度探头(3)装在立方体金属块(2)上端面与导热胶垫(6)之间，所述第二温度探头(4)在立方体金属块(2)下端面与将其包裹在内的隔热材料(5)之间，所述待测功率器件(1)置于导热胶垫(6)的上端面上；
本测试方法的主要步骤如下：
步骤1，将直流源输出电流设置值按照待测功率器件(1)的额定电流值IA均分为F份，得到直流源输出电流设置值数组如下：
B＝{Im|Im＝m×ΔI,m＝1,2…F{，Imin≤Im≤Imax
其中ΔI为将待测功率器件额定电流值IA均分得到的直流源输出电流设置值的差值，F为将待测功率器件额定电流值IA按照差值ΔI均分得到的直流源输出电流设置值个数，将直流源输出电流设置值数组B中的F个直流源输出电流设置值记为Im，m为直流源输出电流设置值数组B中直流源输出电流设置值按从小到大排序所对应的直流源输出电流置值序列号，m＝1,2…F，F为正整数；Imax为损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值，Imin为损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值，Imin＞0；
步骤2，根据步骤1的设定，将所述直流源输出电流设置值Im加在所述待测功率器件(1)两端，使直流源与待测功率器件(1)构成回路，保持所述待测功率器件(1)处于导通状态，并进行如下测试：
1)实时测试所述待测功率器件(1)两端的电压Um，m＝1,2…F，将所测得的电压Um与所述直流源输出电流设置值Im相乘得到该瞬间的功率损耗值Pm，m＝1,2…F；
2)从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头(3)测试得到的第N1秒第一温度TAmN1、第N2秒第一温度TAmN2以及第二温度探头(4)测试得到的第N1秒第二温度TBmN1和第N2秒第二温度TBmN2，并计算温度差Tm，Tm＝(TBmN2-TAmN2)-(TBmN1-TAmN1)，m＝1,2…F；
步骤3，根据步骤2得到的损耗值Pm和温度差Tm拟合出横坐标为Tm、纵坐标为Pm的Pm-Tm变化曲线；
步骤4，将所述待测功率器件(1)处于实际工作电路中，从所述回路有电流通过时起，实时读取第一温度探头(3)测试得到的第N1秒实际第一温度TAsN1、第N2秒实际第一温度TAsN2以及第二温度探头(4)测试得到的第N1秒实际第二温度TBsN1、第N2秒实际第二温度TBsN2，并计算实际温度差Ts，Ts＝(TBsN2-TAsN2)-(TBsN1-TAsN1)；
步骤5，在步骤3中得到的Pm-Tm变化曲线中，根据步骤4得到的实测温度差Ts的数值找到对应的Pm值，定义该Pm值为待测功率器件(1)的实际损耗值Ps。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件损耗测试方法，其特征在于，步骤1中的直流源输出电流差值ΔI为待测功率器件额定电流值IA的5％，损耗测试所允许的最大直流源输出电流设置值Imax为待测功率器件额定电流值IA的95％，即待测功率器件额定电流值IA减去直流源输出电流差值ΔI，损耗测试所允许的最小直流源输出电流设置值Imin为待测功率器件额定电流值IA的5％，即直流源输出电流差值ΔI。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件损耗测试方法，其特征在于，所述N1为30，所述N2为90。
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