CN108872825B - 一种大功率igbt模块在线测试方法 - Google Patents

一种大功率igbt模块在线测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率IGBT模块在线测试方法。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测试方法，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。通过设定开关频率、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，为变流器对IGBT器件选型及优化设计提供参考依据。

Description

一种大功率IGBT模块在线测试方法
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 在线测试方法。
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模块在线测试方法。
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 测试方法，包括有以下步骤：
步骤一：测试机待机准备启动；
步骤二：选择模块并将模块安装进测试机；
步骤三：初始化模块相关参数；
步骤四：选择常规模式或极限模式进行测试；
步骤五：常规模式下：模块保护阈值设置直流过压、交流过载、器件过温、开 关频率、死区时间、驱动电阻；
极限模式下：模块保护功能不使能设置开关频率、死区时间、驱动电阻；
步骤六：开启测试机；
步骤七：根据测试需求实时调节直流电压、交流电流频率、恒温设定值；
步骤八：关闭测试机。
作为本发明的进一步改进，测试机负载电流控制计算步骤如下：
步骤一：利用abc-dq坐标变换
Figure BDA0001655378880000021
步骤二：经过abc-dq坐标变换转换为dq同步旋转坐标系下输出电流给定
Figure BDA0001655378880000022
输出电流反馈
Figure BDA0001655378880000031
其中ia_ref、i、b_refic_ref是abc三相静止坐标系下的交流输出电流给定， ia_fb、i、b_fbic_fb是abc三相静止坐标系下的交流输出电流反馈；
步骤三：将dq同步旋转坐标系下的电流误差
Figure BDA0001655378880000032
经过PI控制器得到逆变侧的输出控制电压
Figure BDA0001655378880000033
步骤四：通过dq-abc坐标反变换将ud、uq转换为abc三相静止坐标系下 的逆变侧的输出控制电压
Figure BDA0001655378880000035
步骤五：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、i、bic。
作为本发明的进一步改进，恒温控制计算步骤如下：
步骤一：系统启动设置温度；
步骤二：开启加热电阻
Figure BDA0001655378880000036
步骤三：开启外置散热风机；
步骤四：当△T≥0℃时，关闭加热电阻
Figure BDA0001655378880000037
其中ΔT＝Tref-Tfb， Tref为控制温度给定值，Tfb为控制温度反馈值；
步骤五：当0℃＜△T≤2℃时，开启变频器调节离心泵控制水流速，
Figure BDA0001655378880000038
KVVVF＝10，其中，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000039
分辨率为5Hz,根据温度差值ΔT按比例调节，调节范围30～50Hz；
步骤六：当2℃＜△T≤7℃时，调节电磁阀阀门开启比例控制水流量，输出调 节变量
Figure BDA0001655378880000041
分辨率为2％,根据温度差值△T按改进比例积分调节，调节范围 0～100％；
步骤七：当7℃＜△T≤10℃时，开启外置散热风机控制散热器降温，输出调节 变量
Figure BDA0001655378880000042
控制外置散热风机低速运转；
步骤八：当△T＞10℃时，开启外置散热风机控制散热器降温，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000043
控制外置散热风机高速运转；
步骤九：当△T≤1℃时，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000044
停止外置散热风机运转，同时变 频器输出调节变量
Figure BDA0001655378880000045
输出最小值30Hz，电磁阀输出调节变量
Figure BDA0001655378880000046
开启比 例为0；
步骤十：当△T≤-2℃时，开启加热电阻
Figure BDA0001655378880000047
步骤十一：当温度回升至设定温度值后，关闭加热电阻
Figure BDA0001655378880000048
步骤十二：循环以上步骤五至步骤十一过程，经过多次循环调节，变频器输出 变量
Figure BDA0001655378880000049
及电磁阀输出调节变量
Figure BDA00016553788800000410
趋于稳定，温度稳定后波动范围在-1 ℃＜△T≤1℃之间。
作为本发明的进一步改进，电磁阀开启比例计算步骤如下：
步骤一：恒温控制的执行机构是电磁阀，采用增量式PI控制，增量式PI表达 式为ΔUk＝Kp[ΔTk-ΔTk-1]+KiΔTk，其中ΔUk为k时刻PI控制器输出增量， ΔTk、ΔTk-1为k、k-1时刻温差；
步骤二：增量式PI表达式中积分部分引入一个与温差△T有关的函数f[ΔTk]， 积分部分变为f[ΔTk]*Ki*ΔTk，
Figure BDA00016553788800000411
其中，M＝5,N＝2；
步骤三：增加修正温度，修正值为+1℃。
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测试方法，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。该方法可通过设定在线测试 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。可 根据不同器件模块及不同测试需求，分别依次设定不同器件型号选项、测试模 式选项、相关保护阈值(如交直流过载保护、IGBT器件过温保护、直流过压保 护、死区时间限定等保护)及待机可设工况条件(如开关频率、驱动电阻、死 区时间等参数)后开机运行，运行过程中可实时调节开机可设工况条件(如直 流电压、交流电流频率、恒温设定等)，检测IGBT功率模块的动态参数和极限 参数(如器件持续过载、持续过温、瞬时过压、瞬时过载、瞬时过温、开关损 耗等参数)，同时记录相关测试结果，为变流器对IGBT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框图；
图2为本发明的恒温控制算法的流程框图。
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和图2所示，本实施例的具体实施方式测试机负载电流控制算法 如下：在abc三相静止坐标系或αβ两相静止坐标系下使用PR(比例谐振)控 制器可以实现特定频率下的直接正弦电流无静差控制，考虑到在线测试系统要 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
Figure BDA0001655378880000061
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。先将 abc三相静止坐标系下的交流输出电流给定ia_ref、i、b_refic_ref及交流输出电流反 馈ia_fb、i、b_fbic_fb，分别经abc-dq坐标变换转换为dq同步旋转坐标系下输出 电流给定
Figure BDA0001655378880000062
及输出电流反馈
Figure BDA0001655378880000063
再将dq同步旋转坐标 系下的电流误差
Figure BDA0001655378880000064
经过PI控制器得到逆变侧的输出控制电 压
Figure BDA0001655378880000065
然后通过dq-abc坐标反变换
Figure BDA0001655378880000066
将ud、uq转换为abc三相静止坐标系下 的逆变侧的输出控制电压
Figure BDA0001655378880000067
最后通过 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、i、bic，通过上述公式进行计算，计算过程简单高效，减少了计算过 程，缩短计算过程进而提高反馈速度和反馈信号的准确性，提高测试结果的准 确性。
水冷循环系统恒温控制算法：系统恒温控制的目标是使内置IGBT散热器的温 度达到设定值温度，控制温度给定值为Tref，控制温度反馈值为Tfb，温度差 值为ΔT＝Tref-Tfb，针对水冷循环系统中冷却水降温惯性较大，同时要求一定 的控制精度，将温度采样及控制时间设定为1s，采样分辨率为0.5℃。系统的 输入变量有以下几个：DSP控制变频器输入调节变量c、DSP控制电磁阀输入调 节变量
Figure BDA0001655378880000071
DSP控制外置散热风机输入调节变量
Figure BDA0001655378880000072
DSP控制加热电阻启 停开关量
Figure BDA0001655378880000073
调节变量通过恒温控制算法计算得到然后以PWM波形式输出分 别驱动变频器频率调节、电磁阀阀门进程调节、外置散热风机转速调节及开关 量形式输出驱动加热电阻启停。系统的输出变量有以下几个：变频器输出调节 变量
Figure BDA0001655378880000074
电磁阀输出调节变量
Figure BDA0001655378880000075
外置散热风机输出调节变量
Figure BDA0001655378880000076
加热 电阻启停动作
Figure BDA0001655378880000077
调节变量
Figure BDA0001655378880000078
经过变频器转换为离心泵电机转速控制水 循环速度，电磁阀输出调节变量
Figure BDA0001655378880000079
控制水循环流量，外置散热风机输出调节 变量
Figure BDA00016553788800000710
控制水循环降温速度，加热电阻启停动作
Figure BDA00016553788800000711
控制内置IGBT散热器 上加热电阻的启动停止。由于输入输出控制变量较多，系统很难建立具体的数 学模型，因此采用以下控制算法完成水冷循环系统的恒温控制，在系统中对温 度变频器调节流速影响最小，电磁阀调节流量次之，外置散热风机调节影响最 大，所以温度在小范围波动过程中以调节变频器为主，温度继续在升高以调节电磁阀门为主，当温度大于一定阈值时以调节外置散热风机为主。
具体方法及流程如下：
测试机启动时，由于器件工作一段时间后才会产生热量传递到散热器上， 因此需要开启加热电阻
Figure BDA00016553788800000712
辅助加热散热器，使散热器温度反馈值快速达 到温度设定值，当ΔT≥0℃时，关闭加热电阻
Figure BDA00016553788800000713
随着器件工作散热器温度开始升高，当0℃＜℃ΔT≤2时，通过变频器调节离 心泵电机转速控制水流速，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000081
分辨率为5Hz,根据温度差值ΔT 按比例调节，调节范围30～50Hz，即
Figure BDA0001655378880000082
KVVVF＝10；
随着变频器调节饱和当2℃＜℃ΔT≤7时通过电磁阀调节阀门开启比例控 制水流量，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000083
分辨率为2％,根据温度差值ΔT按改进比例积分 调节，调节范围0～100％，控制方式包括几下几点：①由于恒温控制的执行机 构是电磁阀门，因此采用增量式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,增量式PI表达式为ΔUk＝Kp[ΔTk-ΔTk-1]+KiΔTk，其中 ΔUk为k时刻PI控制器输出增量，ΔTk、ΔTk-1为k、k-1时刻温差；②由于水 冷循环系统中，内置IGBT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。增量式PI表达式中积分部分为引入一个与温差ΔT有关的函数 f[ΔTk],积分部分变为f[ΔTk]*Ki*ΔTk，
Figure BDA0001655378880000084
这样当偏差|ΔTk|增大时，积分作用变小，当偏差|ΔTk|减小时，积分作用变 大，进而提高了控制精度，在该温度控制系统中，升温阶段快速上升，温度稳 定时，上下波动在±1℃，所以选取M＝5、N＝2，在温差绝对值超出5℃范围， 完全取消积分部分；在温差绝对值为2～5℃范围内，积分部分逐步改变积分； 在温差绝对值为2℃范围内，f[ΔTk]取值为1，积分部分全速积分。③由于 水冷循环系统中冷却水的冷却惯性太大，相对于加热上升过程，温度下降速度 很快，即使有下降趋势就关闭外置散热风机减小电磁阀门开启比例，温度仍下 降很多。试验结果表明，如果温度设定值为50℃，则温度稳定后波动范围在 48℃～51℃，低温偏离2℃，高温偏离1℃，如果需要温度波动围绕给定值上 下对称波动，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。比如当给定值Tref＝50℃时，则实际控制给定值Tr'ef＝51℃，修正值 为+1℃，对温度进行修正，进一步提高恒温控制的稳定性。
随着电磁阀调节饱和，当ΔT＞7℃时，通过外置散热风机控制散热器降温， 输出调节变量
Figure BDA0001655378880000091
控制外置散热风机低速运转,当ΔT＞10℃时，通过外置散热 风机控制散热器降温，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000092
控制外置散热风机高速运转；
随着水温下降，内置IGBT散热器的温度回到设定值温度，由于冷却水的冷 却惯性太大温度下降速度很快，所以当ΔT≤1℃时，输出调节变量
Figure BDA0001655378880000093
停止外 置散热风机运转,同时变频器输出调节变量
Figure BDA0001655378880000094
输出最小值30Hz，电磁阀输出 调节变量
Figure BDA0001655378880000095
开启比例为0；
由于惯性水温继续下降，当ΔT≤-2℃时，开启加热电阻
Figure BDA0001655378880000096
辅助加热 散热器使温度回升至设定值后，关闭加热电阻
Figure BDA0001655378880000097
循环以上过程，经过多次循环调节，变频器输出调节变量
Figure RE-GDA0001723745140000098
及电磁阀 输出调节变量
Figure RE-GDA0001723745140000099
趋于稳定，温度稳定后波动范围在-1℃≤△T≤1℃之间。
针对待测试不同型号的IGBT模块，选择相应的器件型号选项，选中后相关 的参数进行默认初始化，初始化数据从EEPROM读取；
根据器件不同的参数，选择相应的测试模式，测试常规测试模式下，测试 机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，且在待机状态下设置相应的保护阈值，设定不同的开关频率、驱 动电阻、死区时间等工况条件，进行器件持续过载、持续过温、器件开关损耗 等测试；极限测试模式下，测试机设置保护功能不使能，可逐步改变直流电 压、负载电流及减小死区时间等至器件极限条件，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、瞬时过载、瞬时过温等测试。
开机状态下可根据测试需求，实时调节直流电压、交流电流频率、恒温设 定等工况条件，获取器件持续过载、持续过温、瞬时过压、瞬时过载、瞬时过 温、开关损耗等参数，同时记录相关测试结果。
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 (2)

1.一种大功率IGBT模块在线测试方法，其特征在于：包括有以下步骤：
步骤一：测试机待机准备启动；
步骤二：选择模块并将模块安装进测试机；
步骤三：初始化模块相关参数；
步骤四：选择常规模式或极限模式进行测试；
步骤五：常规模式下：模块保护设置有直流过压阈值、交流过载阈值、器件过温阈值、开关频率阈值、死区时间阈值、驱动电阻阈值；
极限模式下：模块保护功能不使能，并且逐步改变直流电压阈值、负载电流阈值、死区时间阈值；
步骤六：开启测试机；
步骤七：根据测试需求实时调节直流电压、交流电流频率、恒温设定值；
步骤八：关闭测试机；
测试机负载电流控制计算步骤如下：
步骤一：利用abc-dq坐标变换
Figure FDA0002644324620000011
步骤二：经过abc-dq坐标变换转换为dq同步旋转坐标系下输出电流给定
Figure FDA0002644324620000012
输出电流反馈
Figure FDA0002644324620000013
其中ia_ref、ib_ref、ic_ref是abc三相静止坐标系下的交流输出电流给定，ia_fb、ib_fb、ic_fb是abc三相静止坐标系下的交流输出电流反馈；
步骤三：将dq同步旋转坐标系下的电流误差
Figure FDA0002644324620000014
经过PI控制器得到逆变侧的输出控制电压
Figure FDA0002644324620000021
步骤四：通过dq-abc坐标反变换
Figure FDA0002644324620000022
将ud、uq转换为abc三相静止坐标系下的逆变侧的输出控制电压
Figure FDA0002644324620000023
步骤五：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、ib、ic；
恒温控制计算步骤如下：
步骤一：系统启动设置温度；
步骤二：开启加热电阻
Figure FDA0002644324620000024
步骤三：开启外置散热风机；
步骤四：当△T≥0℃时，关闭加热电阻
Figure FDA0002644324620000025
其中ΔT＝Tref-Tfb，Tref为控制温度给定值，Tfb为控制温度反馈值；
步骤五：当0℃＜△T≤2℃时，开启变频器调节离心泵控制水流速，
Figure FDA0002644324620000026
KVVVF＝10，其中，输出调节变量
Figure FDA0002644324620000027
分辨率为5Hz,根据温度差值ΔT按比例调节，调节范围30～50Hz；
步骤六：当2℃＜△T≤7℃时，调节电磁阀阀门开启比例控制水流量，输出调节变量
Figure FDA0002644324620000028
分辨率为2％,根据温度差值△T按改进比例积分调节，调节范围0～100％；
步骤七：当7℃＜△T≤10℃时，开启外置散热风机控制散热器降温，输出调节变量
Figure FDA0002644324620000029
控制外置散热风机低速运转；
步骤八：当△T＞10℃时，开启外置散热风机控制散热器降温，输出调节变量
Figure FDA0002644324620000031
控制外置散热风机高速运转；
步骤九：当△T≤1℃时，输出调节变量
Figure FDA0002644324620000032
停止外置散热风机运转，同时变频器输出调节变量
Figure FDA0002644324620000033
输出最小值30Hz，电磁阀输出调节变量
Figure FDA0002644324620000034
开启比例为0；
步骤十：当△T≤-2℃时，开启加热电阻
Figure FDA0002644324620000035
步骤十一：当温度回升至设定温度值后，关闭加热电阻
Figure FDA0002644324620000036
步骤十二：循环以上步骤五至步骤十一过程，经过多次循环调节，变频器输出变量
Figure FDA0002644324620000037
及电磁阀输出调节变量
Figure FDA0002644324620000038
趋于稳定，温度稳定后波动范围在-1℃＜△T≤1℃之间。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT模块在线测试方法，其特征在于：电磁阀开启比例计算步骤如下：
步骤一：恒温控制的执行机构是电磁阀，采用增量式PI控制，增量式PI表达式为ΔUk＝Kp[ΔTk-ΔTk-1]+KiΔTk，其中ΔUk为k时刻PI控制器输出增量，ΔTk、ΔTk-1为k、k-1时刻温差；
步骤二：增量式PI表达式中积分部分引入一个与温差△T有关的函数f[ΔTk]，积分部分变为f[ΔTk]*Ki*ΔTk，
Figure FDA0002644324620000039
其中，M＝5,N＝2；
步骤三：增加修正温度，修正值为+1℃。
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