CN108680846B - 一种大功率igbt模块在线测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率IGBT模块在线测试系统。本发明的优点：本发明基于三相桥式逆变电路设计了一种能够对大功率IGBT模块进行动态参数和极限参数测试的在线系统，不再只关注于器件级的模拟测试，而是将系统级与器件级的测试相结合。该平台可通过改变器件夹具灵活更换逆变电路中不同型号的IGBT模块，通过设定在线测试平台的开关频率、调制方式、门极驱动以及不同的工作温度、母线电压、负载电流等实际工况完成相应测试，获得不同工况下的各型号器件动态性能参数和极限参数并记录测试结果，为变流器的器件选型及优化设计提供参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT测试系统领域，更具体的说是涉及一种大功率IGBT模块在线测试系统。
背景技术
大功率IGBT模块在变流器领域里得到了广泛的应用，其动态性能参数和极限参数(包括器件开关损耗、持续过载能力、瞬时过载能力、持续过温能力等)是影响器件安全工作的重要因素。这些相关性能参数依赖于器件厂商提供的数据手册，但这些数据的提取环境为标准环境，与实际工况并不一致，从而导致器件的实际应用效果与设计之间存在偏差。因此需要从实际应用出发，通过合理的测试方法和系统来获取IGBT相关性能参数。测试系统基于特定的测试方法而设计，通常可分为三大类：离线测试、准在线测试和在线测试。离线测试一般采用带电感负载的斩波电路，通过双脉冲信号触发IGBT进行开关动作，可以获得开关器件在不同工作状态下的输入和输出特性。准在线测试是一种控制信号与测试电路相结合的分析方法，比如通过施加实际的控制信号来模拟各种开关状态或其他简单的时序信号来获得IGBT在实际电路中工作状态等。在线测试是指处于实际变换器设备中的IGBT施加实际的控制信号来得到器件在真实工作状态下的特性。这种方法获得的开关特性最接近真实工作状态，可以为同类拓扑设计提供最精确的指导。
现有的检测单纯的关注器件级的模拟测试，对于测试测试数据不够完整，无法获得不同工况下各型号器件动态性能参数和极限参数，不利于变流器的器件选型及优化设计提供参考依据。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够对大功率IGBT模块进行动态参数和极限参数测试的大功率IGBT模块在线测试系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种大功率IGBT模块在线测试系统，包括有：
控制台，该控制台与外部测试人员人机交互，用于输出给定的直流电压和直流电流；
测试机，耦接于控制台，该测试机包括测试电路、IGBT安装座和测试负载，所述IGBT安装座用于安装待测试IGBT模块，所述测试电路和测试负载均与IGBT安装座耦接，所述测试电路与控制台耦接，以接收控制台输出的给定的直流电压和直流电流后输入到IGBT安装座内；
恒温控制系统，耦接于测试机，与IGBT安装座连接，接收测试机输出的设定温度控制IGBT安装座的温度。
作为本发明的进一步改进，所述控制台包括有：
监控系统，该监控系统耦接于测试机，用于监控测试机的工作状态；
开关电源，该开关电源用于输出直流电压和直流电流；
电表显示调节旋钮，该电表显示调节旋钮与开关电源连接，用于调节开关电源输出的直流电压和直流电流。
作为本发明的进一步改进，所述测试机包括有：
上位机触摸屏，该上位机触摸屏耦接于监控系统，接收外部测试人员输入的触摸信号后输出；
DSP控制板，该DSP控制板耦接于上位机触摸屏，用于接收触摸信号后输出控制信号；
EMC滤波器，该EMC滤波器耦接于开关电源，抑制和消除开关电源输出信号中的强电磁干扰和电火花干扰后输出；
高性能分流器，该高性能分流器耦接于EMC滤波器，检测EMC滤波器输出的信号计算并开关损耗，
PWM驱动模块，该PWM驱动模块耦接于DSP控制板，接收DSP控制板输出的控制信号输出PWM信号；
测试机主电路，该测试机主电路耦接于高性能分流器，该测试机主电路耦接于PWM驱动模块接收PWM信号进行测试；
交流电抗器，该交流电抗器耦接于测试机主电路，作为测试负载。
作为本发明的进一步改进，所述测试机主电路包括有：
驱动发送单元，该驱动发送单元耦接于PWM驱动模块，将PWM驱动模块输出的PWM电信号转换为光信号后输出；
光纤转接单元，该光纤转接单元耦接于驱动发送单元，将驱动发送单元输出的光信号还原成电信号，经过隔离输出产生驱动IGBT模块所需电平信号；
门极驱动单元，耦接于PWM驱动模块，门极驱动单元内设置有相互连接的门极驱动电阻和拨码开关。
作为本发明的进一步改进，所述高性能分流器设置在IGBT安装座内，所述IGBT安装座内还设置有损耗计算单元、直流叠层母排和模块配套夹具，所述损耗计算单元与高性能分流器连接，所述损耗计算单元实时采样高性能分流器上mV级直流电压并转换为实际电流计算IGBT模块开关损耗后输出，高性能分流器与直流叠层母排无缝焊接，所述模块配套夹具用于夹住大功率IGBT模块，所述模块配套夹具与恒温控制系统连接。
作为本发明的进一步改进，所述恒温控制系统包括有内置IGBT散热器、外置散热器、水箱、离心泵、水压表和水温表，所述DSP控制板与变频器连接，所述变频器与离心泵连接控制离心泵的功率，所述DSP控制板还连接有三通电磁阀和风机，所述水箱通过水管依次连接离心泵、三通电磁阀、进水口阀、内置IGBT散热器、出水口阀和三通电磁阀，所述离心泵和三通电磁阀控制内置IGBT散热器功率，所述风机控制外置散热器功率。
作为本发明的进一步改进，所述IGBT安装座上设有透明的防护罩。
本发明的有益效果，本发明基于三相桥式逆变电路设计了一种能够对大功率IGBT模块进行动态参数和极限参数测试的在线系统，不再只关注于器件级的模拟测试，而是将系统级与器件级的测试相结合。该平台可通过改变器件夹具灵活更换逆变电路中不同型号的IGBT模块，通过设定在线测试平台的开关频率、调制方式、门极驱动以及不同的工作温度、母线电压、负载电流等实际工况完成相应测试，获得不同工况下的各型号器件动态性能参数和极限参数并记录测试结果，为变流器的器件选型及优化设计提供参考依据。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的IGBT驱动部分的流程图；
图3为测试主电路拓扑图；
图4为恒温控制系统的流程图；
图5为电流单闭环PI控制框图；
图6为IGBT叠层母排及IGBT安装座的结构示意图。
附图标记：1、控制台；2、测试机；3、恒温控制系统；21、测试机主电路；11、开关电源；12、监控系统；13、电表调节旋钮；22、EMC滤波器；23、上位机触摸屏；24、DSP控制板；25、PWM驱动模块；26、高性能分流器；27、交流电抗器；211、驱动发送单元；212、光纤转接单元；213、门极驱动单元；20、IGBT安装座；201、损耗计算单元；202、直流叠层母排；203、模块配套夹具；31、内置IGBT散热器；32、外置散热器；33、水箱；34、离心泵；35、水压表；36、水温表；37、三通电磁阀；38、风机。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，IGBT安装座20上设置透明的防护罩9，在方便测试观察的同时可以防止破坏性测试时模块损坏后壳体飞溅，对测试人员造成的伤害，防护罩通过卡槽固定在测试机主电路21的上方，拆装方便，直流叠层母排202采用分离式，拆装方便。
测试机主电路21基于二电平三相桥式逆变电路搭建，开关电源11提供100-800V直流电压，经过直流EMC滤波器22后与逆变电路的直流电容相连，直流侧装有电压传感器，用于检测直流电压udc。三相逆变桥每相桥臂的上下桥都由IGBT和反并联二极管构成。每个桥臂的中点分别连接交流侧电抗器的ABC三相，三相电抗器短接于O点作为逆变电路输出负载及交流电流滤波器，每相装有电流传感器，分别检测ABC三相输出电流ia,ib,ic。上位机触摸屏23接收触摸信号并根据触摸信号进行调整，利用触摸屏输入，输入更便捷，调整更快。
损耗计算单元201电路实时采样高性能分流器26上mV级直流电压并转换为实际电流，损耗计算单元201经高速乘法器计算出IGBT的开关损耗。高性能分流器26与直流叠层母排202高精度无缝焊接，直流叠层母排202分别与IGBT上下管CE极相连。IGBT放入模块配套夹具203后固定于外置散热器32上，可通过改变夹具灵活更换逆变电路中不同型号的IGBT模块，满足测试的需要。
驱动发送单元211将PWM电信号转换为光信号后输出到光纤转接单元212，光纤转接单元212将光信号还原为电信号，经过隔离输出产生驱动开关所需电平信号；门极驱动单元213可根据测试需要通过拨码开关调节门极驱动电阻，提高本发明的实用性，兼容各型号IGBT。
测试机2负载电抗器采用可串并结构，可根据不同型号的IGBT模块调整电抗器的电感量，例如当测试FF1400R12IP4模块时，使用并联电抗器结构，电感量为300uH，当测试FF600R12ME4模块时，使用串联电抗器结构，电感量为700uH。
IGBT模块在线测试系统软件：
负载电流控制部分：如果在三相静止坐标系下使用PR(比例谐振)控制器可以直接实现特定频率下的正弦电流无静差控制，但考虑到在线测试系统技术要求25-200Hz频率可调，PR控制器在谐振频率以外的频率会造成振荡导致控制发散失控。因此为实现可变频正弦交流电流无静差控制，利用abc-dq坐标变换，在dq同步旋转坐标系下将正弦交流信号变成直流信号后使用PI(比例积分)控制器实现无静差控制。dq同步旋转坐标系下的PI控制方式如下，
其中ud、uq分别为dq同步旋转坐标系下逆变侧的输出控制电压，id_ref、iq_ref分别为dq同步旋转坐标系下输出交流电流给定，id_fb、iq_fb分别为dq同步旋转坐标系下输出交流电流反馈。再将控制器的输出控制电压ud、uq通过dq-abc反坐标变换得到三相静止坐标系下的输出控制电压ua、
uc，然后通过SPWM或SVPWM调制算法计算出IGBT的驱动占空比，用以驱动IGBT调制输出三相电流ia、
ic。
恒温控制系统3部分：系统恒温控制采用改进式PID控制，控制器输入为IGBT结温设定与结温反馈的差值，输出控制量电磁阀调节比例、变频器频率、外置散热器32风机38转速按权重分配调节。由于恒温控制的执行机构是电磁阀门，采用增量式PI控制，只输出增量，可避免电磁阀机械故障时造成输出大幅变化。由于在线测试系统中器件通过水冷循环系统控温，散热器温度过程变化为纯滞后环节，积分系数取太大会造成超调和积分饱和，积分系数取太小会迟迟不能消除静差，因此为了提高控制精度，对积分项进行改进，偏差较大时积分作用减弱，而偏差较小时积分作用应加强。在实际试验中，必须对给定值做一定处理，可以对给定值平移的方式对控制结果进行修正。
离心泵34将水箱内的水抽出后输出，经过水管流到内置IGBT散热器31上，带走IGBT模块的热量后流出，流动到外置散热器32上，风机38旋转，对外置散热器32进行降温，降温后的水冲洗流入水箱内，进行循环，散热稳定性高，散热程度可调，循环利用水，无需更换，绿色环保，并且水都密闭在管道内，散热的稳定性更高。
水压表35和水温表36时时检测冷却水的状况，DSP控制板同时控制三通电磁阀37和风机38，根据工作的情况开启相应的散热模式，提高散热效果并且提高测试的稳定性和测试结果的准确性。
两种测试模式可选：常规测试模式下，在线测试系统可设置交直流过载保护、IGBT器件过温保护、直流过压保护、死区时间限定等保护功能，然后设定不同的直流电压、交流电流频率、开关频率、驱动电阻、死区时间等工况条件进行器件的常规测试，如器件持续过载、持续过温等测试；极限测试模式下，在线测试系统设置保护功能不使能，可逐步增加直流电压、负载电流及减小死区时间大小等条件，对器件进行极限性能测试和破坏性动态测试，如器件瞬时过压能力、瞬时过载能力、瞬时过温能力等测试。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种大功率IGBT模块在线测试系统，其特征在于：包括有：
控制台(1)，该控制台(1)与外部测试人员人机交互，用于输出给定的直流电压和直流电流；
测试机(2)，耦接于控制台(1)，该测试机(2)包括测试电路、IGBT安装座(20)和测试负载，所述IGBT安装座(20)用于安装待测试IGBT模块，所述测试电路和测试负载均与IGBT安装座(20)耦接，所述测试电路与控制台(1)耦接，以接收控制台(1)输出的给定的直流电压和直流电流后输入到IGBT安装座(20)内；
恒温控制系统(3)，耦接于测试机(2)，与IGBT安装座(20)连接，接收测试机(2)输出的设定温度控制IGBT安装座(20)的温度；
所述控制台(1)包括有：监控系统(12)，该监控系统(12)耦接于测试机(2)，用于监控测试机(2)的工作状态；
开关电源(11)，该开关电源(11)用于输出直流电压和直流电流；
电表显示调节旋钮(13)，该电表显示调节旋钮(13)与开关电源(11)连接，用于调节开关电源(11)输出的直流电压和直流电流；
所述测试机(2)包括有：上位机触摸屏(23)，该上位机触摸屏(23)耦接于监控系统(12)，接收外部测试人员输入的触摸信号后输出；
DSP控制板(24)，该DSP控制板(24)耦接于上位机触摸屏(23)，用于接收触摸信号后输出控制信号；
EMC滤波器(22)，该EMC滤波器(22)耦接于开关电源(11)，抑制和消除开关电源(11)输出信号中的强电磁干扰和电火花干扰后输出；
高性能分流器(26)，该高性能分流器(26)耦接于EMC滤波器(22)，检测EMC滤波器(22)输出的信号计算并开关损耗，PWM驱动模块(25)，该PWM驱动模块(25)耦接于DSP控制板(24)，接收DSP控制板(24)输出的控制信号输出PWM信号；
测试机主电路(21)，该测试机主电路(21)耦接于高性能分流器(26)，该测试机主电路(21)耦接于PWM驱动模块(25)接收PWM信号进行测试；交流电抗器(27)，该交流电抗器(27)耦接于测试机主电路(21)，作为测试负载。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块在线测试系统，其特征在于：所述测试机主电路(21)包括有：驱动发送单元(211)，该驱动发送单元(211)耦接于PWM驱动模块(25)，将PWM驱动模块(25)输出的PWM电信号转换为光信号后输出；
光纤转接单元(212)，该光纤转接单元(212)耦接于驱动发送单元(211)，将驱动发送单元(211)输出的光信号还原成电信号，经过隔离输出产生驱动IGBT模块所需电平信号；
门极驱动单元(213)，耦接于PWM驱动模块(25)，门极驱动单元(213)内设置有相互连接的门极驱动电阻和拨码开关。
3.根据权利要求2所述的大功率IGBT模块在线测试系统，其特征在于：所述高性能分流器(26)设置在IGBT安装座(20)内，所述IGBT安装座(20)内还设置有损耗计算单元(201)、直流叠层母排(202)和模块配套夹具(203)，所述损耗计算单元(201)与高性能分流器(26)连接，所述损耗计算单元(201)实时采样高性能分流器(26)上mV级直流电压并转换为实际电流计算IGBT模块开关损耗后输出，高性能分流器(26)与直流叠层母排(202)无缝焊接，所述模块配套夹具(203)用于夹住大功率IGBT模块，所述模块配套夹具(203)与恒温控制系统(3)连接。
4.根据权利要求3所述的大功率IGBT模块在线测试系统，其特征在于：所述恒温控制系统(3)包括有内置IGBT散热器(31)、外置散热器(32)、水箱(33)、离心泵(34)、水压表(35)和水温表(36)，所述DSP控制板(24)与变频器连接，所述变频器与离心泵(34)连接控制离心泵(34)的功率，所述DSP控制板(24)还连接有三通电磁阀(37)和风机(38)，所述水箱(33)通过水管依次连接离心泵(34)、三通电磁阀(37)、进水口阀、内置IGBT散热器(31)、出水口阀和三通电磁阀(37)，所述离心泵(34)和三通电磁阀(37)控制内置IGBT散热器(31)功率，所述风机(38)控制外置散热器(32)功率。
5.根据权利要求4所述的大功率IGBT模块在线测试系统，其特征在于：所述IGBT安装座(20)上设有透明的防护罩(9)。
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