CN109406961B - 一种电力电子器件绝缘试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子器件绝缘试验装置，所述电力电子器件包括单芯片、子模组和集成模块，所述试验装置包括：腔体密封外壳、控制器底座和内部夹具；所述腔体密封外壳为所述电力电子器件提供一个密封的工作环境；所述内部夹具夹置所述电力电子器件，所述内部夹具设置在所述腔体密封外壳内部，所述内部夹具用于为所述电力电子器件提供电压、温度、压力；所述控制器底座分别与所述腔体密封外壳和所述内部夹具连接，所述控制器底座用于控制所述腔体密封外壳内的工作环境和所述内部夹具为所述电力电子器件提供的电压、温度、压力。能够测量在高温高压的工作环境下的电力电子器件的光信号、电信号。

Description

一种电力电子器件绝缘试验装置

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种电力电子器件绝缘试验装置。

背景技术

超大容量、超远距离输电选用特高压直流输电技术，柔性直流输电技术以调制灵活、系统紧凑、安全可靠等特点，成为构建直流电网的技术基础，直流输电技术的核心是能够实现电力灵活变换与调控的电力电子装备。柔性直流输电核心装备的基础是全控型高压大功率电力电子器件。

压接型高压大功率电力电子器件具有封装热阻低、电气杂散参数低和短路失效模式的优点，成为现有的柔性直流输电系统中构建高压柔性直流换流器和高压直流断路器的优选器件。压接型高压大功率电力电子器件运行在高压环境下，绝缘问题突出，亟需一种压接型高压大功率电力电子器件绝缘性测量装置，测量在高温高压的工作环境下电力电子器件绝缘特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够测量在高温高压的工作环境下的电力电子器件绝缘试验装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电力电子器件绝缘试验装置，所述电力电子器件包括单芯片、子模组和集成模块，所述试验装置包括：腔体密封外壳、控制器底座和内部夹具；

所述腔体密封外壳为所述电力电子器件提供一个密封的工作环境；

所述内部夹具夹置所述电力电子器件，所述内部夹具设置在所述腔体密封外壳内部，所述内部夹具用于为所述电力电子器件提供电压、温度、压力；

所述控制器底座分别与所述腔体密封外壳和所述内部夹具连接，所述控制器底座用于控制所述腔体密封外壳内的工作环境和所述内部夹具为所述电力电子器件提供的电压、温度、压力。

可选的，所述腔体密封外壳具体包括：腔体罩、观测窗、腔体底座、气压表；

多个所述观测窗通过螺母固定在所述腔体罩的侧壁，所述观测窗用于对所述腔体密封外壳内部的光信号进行光学观测；

所述腔体罩与所述腔体底座通过均匀分布的螺母固定连接；

所述气压表设置在所述腔体罩的外壁上，所述气压表用于监测所述腔体密封外壳内部的气体压力；

所述腔体底座为长方体结构的底座。

可选的，所述气压表具体包括数字式气压仪表和机械式气压仪表。

可选的，所述腔体罩和所述腔体底座的材料均为不锈钢材质。

可选的，所述腔体底座上还设置有密封圈，所述密封圈用于确保所述腔体密封外壳的气密性。

可选的，所述内部夹具具体包括：多根支撑立柱、传力螺杆、行程导柱、传力法兰、压力传感器、绝缘法兰、陶瓷加热片、热电偶、上电极、下电极、碟簧、绝缘底座、支撑法兰；

所述支撑法兰包括底端支撑法兰和顶端支撑法兰，所述底端支撑法兰固定在所述腔体底座上；

所述多根支撑立柱均匀设置在所述底端支撑法兰与所述顶端支撑法兰之间；

所述行程导柱穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰上；

所述传力螺杆穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰上，所述传力螺杆向下旋转施加压力给所述电力电子器件，所述传力法兰能够固定和均匀所述压力；

所述绝缘法兰设置在所述上电极的上表面，所述绝缘法兰用于绝缘高电压；

所述陶瓷加热片设置在所述上电极和所述绝缘法兰之间，所述陶瓷加热片能够控制环境的温度；

所述热电偶设置在所述上电极和所述下电极内部，用于测量所述上电极和所述下电极的温度；

所述碟簧固定在所述绝缘底座上，所述绝缘底座固定在所述底端支撑法兰上；

所述压力传感器固定在所述传力法兰和所述上绝缘法兰之间。

可选的，所述控制器底座具体包括：数字机械压力显示屏、数字温度控制器、数字温度计、真空抽气阀门、进气阀门、排气阀门、高压线接线孔、220V接线孔、信号线接孔、机械泵；

所述数字机械压力显示屏与所述气压表连接，用于显示施加在所述内部夹具上的机械压力；

数字温度控制器分别与所述数字温度计和所述陶瓷加热片连接，用于根据所述环境温度值控制所述陶瓷加热片的加热情况；

所述真空抽气阀门与所述机械泵连接，用于将所述腔体密封外壳抽至真空；

所述进气阀门与所述气瓶连接，用于向所述腔体密封外壳内充保护气体；

所述排气阀门用于故障情况下的保护；

所述高压线接线孔与外界的高压电源连接，用于传递所述高压电源施加的高压；

所述220V接线孔与市电电源连接，用于为所述控制底座内的测量装置提供工作电压；

所述信号线接孔分别与所述数字机械压力显示屏、所述数字温度控制器和所述数字温度计连接。

可选的，所述内部夹具还包括：钢制外壳，所述陶瓷加热片设置在所述钢制外壳内部，用于避免压力对所述陶瓷加热片的损害。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：测试对象覆盖单芯片、子模组、器件三个层面；测试条件能满足各种工况需求，并实现温度、气压、机械压力可调；测试条件能满足压接型高压大功率电力电子器件的各种实际工况的需求；能实现温度、气压、压力、电信号、光信号多物理量的测量；高电压强电场下的加温与测温。本发明采用在测试品下用陶瓷加热片直接加温的方式。在陶瓷加热片的引线和热电偶的引线上包裹一层绝缘材料，防止引线在高电压强电场下发生发电甚至击穿，高压电极上的陶瓷加热片通过绝缘支架引出，防止引线出口处发生放电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电力电子器件绝缘试验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的电力电子器件绝缘试验装置的主视图；

图3为本发明提供的电力电子器件绝缘试验装置的底视图；

图4为本发明提供的内部夹具的结构示意图；

图5为本发明提供的内部夹具的压力结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够测量在高温高压的工作环境下的电力电子器件绝缘试验装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种电力电子器件绝缘试验装置，所述电力电子器件包括单芯片、子模组和集成模块，所述试验装置包括：腔体密封外壳、控制器底座和内部夹具；

所述腔体密封外壳为所述电力电子器件提供一个密封的工作环境；

所述内部夹具夹置所述电力电子器件，所述内部夹具设置在所述腔体密封外壳内部，所述内部夹具用于为所述电力电子器件提供电压、温度、压力；

所述控制器底座分别与所述腔体密封外壳和所述内部夹具连接，所述控制器底座用于控制所述腔体密封外壳内的工作环境和所述内部夹具为所述电力电子器件提供的电压、温度、压力。

如图1所示，所述腔体密封外壳具体包括：腔体罩1、观测窗3、腔体底座4、气压表5、数字气压计6；

多个所述观测窗3通过螺母固定在所述腔体罩1的侧壁，方便拆卸，所述观测窗3还设置有密封圈，用以保证腔体密封外壳的密封性，所述观测窗3用于对所述腔体密封外壳内部的光信号进行光学观测；为了实现对紫外光到可见光范围内的光信号进行观测，将石英玻璃作为所述观测窗3。

为了使观测视角最大化，三个在水平面上互成直角的观测窗3.

所述腔体罩1与所述腔体底座4通过均匀分布的螺母固定连接，能够实现所述腔体罩1与所述腔体底座4的灵活拆卸；

所述气压表5设置在所述腔体罩1的外壁上，所述气压表5用于监测所述腔体密封外壳内部的气体压力，有助于进行腔体内部气压的设定，以及腔体气密性的检验；

所述数字气压计6设置在所述腔体罩1的外壁上，所述数字气压计6用于监测所述腔体密封外壳内部的气体压力，有助于进行腔体内部气压的设定，以及腔体气密性的检验；

所述腔体底座4为长方体结构的底座。

所述气压表5具体包括数字式气压仪表和机械式气压仪表。

所述腔体罩1和所述腔体底座4的材料均为不锈钢材质，保证了所述腔体密封外壳的结构强度。

所述腔体底座4上还设置有密封圈，所述密封圈用于确保所述腔体密封外壳的气密性。

所述腔体罩1上还设置有腔体把手2，所述腔体把手2用于辅助所述腔体罩1与所述腔体底座4分开，方便更换所述腔体罩1内部的内部夹具。

如图4和图5所示，所述内部夹具具体包括：多根支撑立柱16、传力螺杆17、行程导柱18、传力法兰19、压力传感器20、绝缘法兰21、陶瓷加热片22、热电偶23、上电极24、下电极25、碟簧26、绝缘底座27、支撑法兰28；

所述支撑法兰28包括底端支撑法兰和顶端支撑法兰，所述底端支撑法兰固定在所述腔体底座4上；

所述多根支撑立柱16均匀设置在所述底端支撑法兰与所述顶端支撑法兰之间；

所述行程导柱18穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰19上；

所述传力螺杆17穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰19上，所述传力螺杆17向下旋转施加压力给所述电力电子器件，所述传力法兰19能够固定和均匀所述压力；

所述绝缘法兰21之间设置有所述上电极和所述下电极，所述绝缘法兰用于绝缘高压；

所述陶瓷加热片22设置在所述上电极和所述上绝缘法兰21之间，所述陶瓷加热片22能够控制环境的温度；

所述热电偶23设置在所述上电极24和所述下电极25内部，用于测量所述上电极24和所述下电极25的温度；

所述碟簧26固定在所述绝缘底座27上，所述绝缘底座27固定在所述底端支撑法兰上；

所述压力传感器20固定在所述传力法兰19和所述上绝缘法兰21之间。

如图2和图3所示，所述控制器底座具体包括：数字机械压力显示屏7、数字温度控制器8、数字温度计9、真空抽气阀门10、进气阀门11、排气阀门12、高压线接线孔13、220V接线孔14、信号线接孔15、机械泵；

所述数字机械压力显示屏7与所述气压表5连接，用于显示施加在所述内部夹具上的机械压力；

数字温度控制器8分别与所述数字温度计9和所述陶瓷加热片22连接，用于根据所述环境温度值控制所述陶瓷加热片22的加热情况；

所述真空抽气阀门10与所述机械泵连接，用于将所述腔体密封外壳抽至真空；

所述进气阀门11与所述气瓶连接，用于向所述腔体密封外壳内充保护气体；

所述排气阀门12用于故障情况下的保护；

所述高压线接线孔13与外界的高压电源连接，用于传递所述高压电源施加的高压；

所述220V接线孔14与市电电源连接，用于为所述控制底座4内的测量装置提供工作电压；

所述信号线接孔15分别与所述数字机械压力显示屏7、所述数字温度控制器8和所述数字温度计9连接。

所述内部夹具还包括：钢制外壳，所述陶瓷加热片22设置在所述钢制外壳内部，用于避免压力对所述陶瓷加热片22的损害。

本发明的有益效果：

(1)测试对象覆盖单芯片、子模组、集成模块三个层面；

测试对象不限于压接型高压大功率电力电子器件，还可以实现单芯片和子模组层面的测试，这主要通过上电极24和下电极25之间的配合，上下电极中央均设置有定位孔，通过定位销与同样具有定位孔的外加电极配合使用。当实验对象为单芯片时，上电极连接圆柱电极与芯片上端相连，下电极连接带有芯片卡槽的圆饼电极与芯片下部相连；当实验对象为子模组时，上电极连接圆柱电极与子模组上端相连，下电极连接带有凸台的圆饼电极与芯片下部相连；当实验对象为器件时，直接选用装置的上下电极。

(2)测试条件能满足各种工况需求，并实现温度、气压、机械压力可调；

测试条件能满足压接型高压大功率电力电子器件的各种实际工况的需求。

温度调节范围为0℃～150℃，由于器件使用过程中的热效应，实际运行温度将高于环境温度并低于最大结温。为了更加准确模拟实际运行条件，陶瓷加热片22钳在上电极24和下电极25之间，尽可能的接近被测试品，实现被测试品的快速升温。能在高压条件下测温的热电偶分别伸入上电极24下部和下电极25上部，尽可能地靠近被测品，由于金属电极的低热阻，该布置方式能尽可能准确测量压接型高压电力电子器件的壳温。

气压调节范围为10Pa～3atm，通过真空抽气阀门10、进气阀门11、排气阀门12的配合使用实现。真空抽气阀门10外连真空泵，进气阀门11外连保护气气瓶。打开真空抽气阀门10，开启真空泵，直至气压表5显示10Pa，关闭真空阀门，关闭真空泵。同时打开进气阀门11和保护气气瓶阀门，直至气压表5显示至规定气压，关闭进气阀门11和保护气气瓶阀门。在气压低于1atm，需要往外排气时，打开真空抽气阀门10，开启真空泵，直至气压表5显示10Pa，关闭真空阀门10，关闭真空泵，再打开进气阀门12，进入空气，直至腔内气压为1atm。

机械压力调节范围为0～10kN，通过内部夹具的传力部分实现。通过拧紧传力螺杆17，机械压力从上至下依次通过传力法兰19、压力传感器20、绝缘法兰21、上电极24传至被测物品，实现压接型高压电力电子器件的电气连接。其中行程导柱18保证在拧紧传力螺杆的时候，传力法兰19不会因螺杆的转动而转动。

(3)能实现温度、气压、压力、电信号、光信号多物理量的测量。

温度的测量通过热电偶23测量，并通过数字温度计9显示。气压的测量通过气压表5测量并显示。机械压力通过压力传感器20测量，并通过数字机械压力显示屏7显示。电信号测量通过外接测量回路测量。光信号测量通过将测量设备安装在观测窗3上进行测量。

(4)高电压强电场下的加温与测温。

为实现对压接型电力电子器件的加温，本装置采用在测试品下用陶瓷加热片直接加温的方式。为了减少陶瓷加热片与被测品之间的接触热阻，提高热传递效率，陶瓷加热片应尽可能靠近被测品。而本装置中，被测品上下必须贴近电极，因此本装置中的陶瓷加热片必须嵌在高压电极里面。测温电热偶也应尽可能靠近被测品，以保证测量的精确性，因此，测温热电偶和陶瓷加热片处在高压强电场中，这也是比较难解决的问题。本装置中，在陶瓷加热片的引线和热电偶的引线上包裹一层绝缘材料，防止引线在高电压强电场下发生发电甚至击穿。高压电极上的陶瓷加热片通过绝缘支架引出，防止引线出口处发生放电。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电力电子器件绝缘试验装置，所述电力电子器件包括单芯片、子模组和集成模块，其特征在于，所述试验装置包括：腔体密封外壳、控制器底座和内部夹具；

所述腔体密封外壳为所述电力电子器件提供一个密封的工作环境，所述腔体密封外壳具体包括：腔体罩、观测窗、腔体底座、气压表；

多个所述观测窗通过螺母固定在所述腔体罩的侧壁，所述观测窗用于对所述腔体密封外壳内部的光信号进行光学观测；

所述腔体罩与所述腔体底座通过均匀分布的螺母固定连接；

所述气压表设置在所述腔体罩的外壁上，所述气压表用于监测所述腔体密封外壳内部的气体压力；

所述腔体底座为长方体结构的底座；

所述内部夹具夹置所述电力电子器件，所述内部夹具设置在所述腔体密封外壳内部，所述内部夹具用于为所述电力电子器件提供电压、温度、压力，所述内部夹具具体包括：多根支撑立柱、传力螺杆、行程导柱、传力法兰、压力传感器、绝缘法兰、陶瓷加热片、热电偶、上电极、下电极、碟簧、绝缘底座、支撑法兰；

所述支撑法兰包括底端支撑法兰和顶端支撑法兰，所述底端支撑法兰固定在所述腔体底座上；

所述多根支撑立柱均匀设置在所述底端支撑法兰与所述顶端支撑法兰之间；

所述行程导柱穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰上；

所述传力螺杆穿过所述顶端支撑法兰固定在所述传力法兰上，所述传力螺杆向下旋转施加压力给所述电力电子器件，所述传力法兰能够固定和均匀所述压力；

所述绝缘法兰设置在所述上电极的上表面，所述绝缘法兰用于绝缘高电压；

所述陶瓷加热片设置在所述上电极和所述绝缘法兰之间，所述陶瓷加热片能够控制环境的温度；

所述热电偶设置在所述上电极和所述下电极内部，用于测量所述上电极和所述下电极的温度；

所述碟簧固定在所述绝缘底座上，所述绝缘底座固定在所述底端支撑法兰上；

所述压力传感器固定在所述传力法兰和所述绝缘法兰之间；

所述控制器底座分别与所述腔体密封外壳和所述内部夹具连接，所述控制器底座用于控制所述腔体密封外壳内的工作环境和所述内部夹具为所述电力电子器件提供的电压、温度、压力。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子器件绝缘试验装置，其特征在于，所述气压表具体包括数字式气压仪表和机械式气压仪表。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子器件绝缘试验装置，其特征在于，所述腔体罩和所述腔体底座的材料均为不锈钢材质。

4.根据权利要求1所述的一种电力电子器件绝缘试验装置，其特征在于，所述腔体底座上还设置有密封圈，所述密封圈用于确保所述腔体密封外壳的气密性。

5.根据权利要求1所述的一种电力电子器件绝缘试验装置，其特征在于，所述控制器底座具体包括：数字机械压力显示屏、数字温度控制器、数字温度计、真空抽气阀门、进气阀门、排气阀门、高压线接线孔、220V接线孔、信号线接孔、机械泵；

所述数字机械压力显示屏与所述气压表连接，用于显示施加在所述内部夹具上的机械压力；

数字温度控制器分别与所述数字温度计和所述陶瓷加热片连接，用于根据环境温度值控制所述陶瓷加热片的加热情况；

所述真空抽气阀门与所述机械泵连接，用于将所述腔体密封外壳抽至真空；

所述进气阀门与气瓶连接，用于向所述腔体密封外壳内充保护气体；

所述排气阀门用于故障情况下的保护；

所述高压线接线孔与外界的高压电源连接，用于传递所述高压电源施加的高压；

所述220V接线孔与市电电源连接，用于为所述控制器底座内的测量装置提供工作电压；

所述信号线接孔分别与所述数字机械压力显示屏、所述数字温度控制器和所述数字温度计连接。

6.根据权利要求1所述的一种电力电子器件绝缘试验装置，其特征在于，所述内部夹具还包括：钢制外壳，所述陶瓷加热片设置在所述钢制外壳内部，用于避免压力对所述陶瓷加热片的损害。