CN109521347B - 多个汽车级igbt模块同步pwm功率循环实验装置 - Google Patents

多个汽车级igbt模块同步pwm功率循环实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，装置包括驱动保护系统、主电路系统、IGBT模块单元、水冷散热系统、小电流测试系统、数据采集系统五部分。该装置的驱动保护系统提供多路相同时序不同电位的高频驱动信号，分别对IGBT模块单元、水冷散热系统、数据采集系统进行控制。水冷散热系统包含多个独立的工位，可同时对多个IGBT模块进行独立的散热控制。主电路系统和小电流测试系统，交替的向待测IGBT模块进行供电。所述的数据采集系统，自动采集主电路的电流Ic、IGBT壳温Tc、IGBT集射极电压Vce，并且采用labview程序自动对采集的数据进行实时处理分析，输出保存测试数据。在提高工作效率的同时，也能够兼具接近实际工况的目的。

Description

多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件功率循环实验装置，属于加速老化实验装置领域，特别涉及一种多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它具有高开关频率，高输入阻抗，低输出阻抗，低导通电压降及耐高压与大电流等优点。正是由于其优越的特性，IGBT已成为轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电等领域中实现电能转换和控制的核心元件。
在这些大功率电力电子装置的应用中，一方面IGBT模块的工作电压、电流很高，其导通功率损耗不断增加，导致芯片结温不断上升。另一方面由于IGBT开关频率不断变化，促使其开关损耗不断变化，促使IGBT模块的结温波动显著。随着功率的提升，IGBT模块过热的问题越来越严重，导致IGBT服役条件下可靠性降低，严重制约IGBT在电力电子系统中的应用。因此，如何评估和提高IGBT的可靠性是目前亟待解决的关键问题之一。
目前普遍采用功率循环实验对IGBT进行可靠性测试，它是可靠性研究中最重要的测试方法之一。但现有的功率循环实验装置，只能对单个的IGBT进行测试，实验效率很低。如需对多个IGBT器件同时进行功率循环实验，则需要多台测试设备同时运行，不仅实验成本高昂，而且各台设备之间存在差异，使得实验所得数据之间缺乏对比性，造成分析结果不准确。而且目前的实验装置多是进行直流DC功率循环实验，这与模块的实际工况差距较大。
因此，需要搭建一种改进的功率循环实验装置，不仅可以实现多IGBT模块同步实验，而且能够进行更接近实际工况的PWM(Pulse width Modulation——PWM)功率循环实验。在提高工作效率的同时，也能够兼具接近实际工况的目的。确保IGBT模块快速高效准确的可靠性分析。
发明内容
鉴于上述背景技术提及的技术问题，本发明提供了一种多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，能够同时对多个IGBT模块进行PWM功率循环实验，不仅提高了工作效率，模块的工作状态更加接近于实际工况。
本发明采用的技术方案为多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，该装置包括包括：驱动保护系统101、主电路系统102、IGBT模块单元103、水冷散热系统104、小电流测试系统105、数据采集系统106。驱动保护系统101、主电路系统102、水冷散热系统104、小电流测试系统105均和IGBT模块单元103连接。水冷散热系统104、数据采集系统106和驱动保护系统101连接。
所述的IGBT模块单元103，如图3所示。包含四个相同型号的半桥IGBT模块，分别是IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4。这四个半桥IGBT模块都是由上半桥臂和下半桥臂串联而成。每个IGBT模块的上半桥臂和下半桥臂都可以单独使用。每个半桥臂的IGBT模块都由栅射极G-E和集射极C-E组成。集射极C-E的通断受栅射极G-E的控制，当栅射极G-E通入15V的电压，集射极C-E导通。当栅射极G-E通入0V的电压，集射极C-E关断。
IGBT1模块的半桥臂和下半桥臂都连接于电路工作。IGBT2、IGBT3、IGBT4只将上半桥臂连接于电路。IGBT1模块上半桥臂的二极管和电感组成回路，在电路关断时释放电感上的电能。IGBT1模块下半桥臂的IGBT作为电路中的开关控制主电路的通断，IGBT2、IGBT3和IGBT4的下半桥臂作为待测模块，上半桥臂不使用。
所述的驱动保护系统101，如图2所示，由单片机E1、15V驱动板M1、15V驱动板M2、15V驱动板M3、15V驱动板M4组成。单片机E1的六个信号输出端分别与四个15V驱动板M1、M2、M3、M4的输入端，电磁阀F1的输入端，数据采集系统P1的输入控制端连接。四个15V驱动板M1、M2、M3、M4的输出端分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4这四个IGBT模块下半桥臂的栅射极G-E相连。
利用STM32单片机进行编程，提供六路同步不同高低电平的输出信号，分别对水冷散热系统的电磁阀F1，驱动保护电路M1、M2、M3、M4和数据采集系统P1进行控制。当驱动保护电路M1通入高频脉冲时，驱动保护电路M2、M3、M4常开，水冷散热系统的电磁阀F1关闭，数据采集系统P1关断，此时IGBT1模块导通，待测IGBT2、IGBT3、IGBT4也导通，待测模块IGBT2、IGBT3、IGBT4迅速升温。当驱动保护电路M1的高频脉冲关断时，M2、M3、M4常开，水冷散热系统的电磁阀F1打开，数据采集系统P1打开，此时小电流流入待测模块IGBT2、IGBT3、IGBT4。待测IGBT2、IGBT3、IGBT4迅速降温，数据采集卡采集IGBT2、IGBT3、IGBT4的数据。
所述的主电路系统102，如图3所示。包括恒压源V1，母排电容C1，电阻R1，负载电感L1和IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4模块。其中，母排电容C1并联于恒压源V1的两端。电阻R1的一端连接于恒压源V1的正极输出端，另一端与负载电感L1相连，IGBT1的上半桥臂与负载电感L1并联，IGBT1的下半桥臂与IGBT2、IGBT3、IGBT4串联连接之后接于恒压源V1的负极输出端。恒压源V1的电压范围可调，根据待测IGBT模块的数量，调节电能的输入。母排电容C1采用多个电解电容串联连接，能达到高压测试的目的。负载电感L1采用多个电感并联连接，能达到大电流测试的目的。
所述的水冷散热系统104，包含散热板W1，电磁阀F1，如图2所示。散热板W1包含多个独立的散热工位，各散热工位的冷却液流量可独立控制，为多个IGBT模块提供不同的散热需求。每个IGBT模块上的IGBT芯片配有独立的散热通道，保证各芯片热量及时被带走。采用电磁阀F1对冷却液的开关时间进行控制，在IGBT模块通电时，冷却液关断。在IGBT模块断电时，冷却液开通。
所述的小电流测试系统105，如图3所示，主要包括恒压源V2，LM317芯片，电阻R2，二极管D1。恒压源V2的正极输出端连接LM317芯片的一端。恒压源V2的负极输出端与恒压源V1的负极输出端相连，实现共地。LM317芯片的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与二极管D1的一端相连。二极管D1的另一端与IGBT1的发射极E相连。实现小电流测试系统105供给IGBT2、IGBT3、IGBT4这三个IGBT芯片小电流。
采用LM317芯片与电阻R2配合使用，通过改变电阻R2的大小，能够改变小电流的值。并且在电路中串联的二极管D1可以保护测试电路不受主电路的影响。保证测试电路在主电路开通时不导通，在主电路关断时导通。
所述的数据采集系统106，如图2所示。采用隔离变压器B1将主电路系统和数据采集系统隔离，避免信号互相干扰。采用电流互感器J2采集主电路的电流Ic，采用差分隔离探头监测IGBT的壳温Tc。采用单片机E1产生的驱动信号控制数据采集卡的工作区间，保证在大电流关断期间采集集射极电压Vce数据。数据采集系统采集的数据经过labview软件处理，实时计算出三个待测IGBT模块的结温Tj显示在labview主界面，并且所有数据自动保存至Excel。
附图说明
图1是本发明提供的PWM功率循环实验装置结构图；
图2是本发明提供的PWM功率循环实验装置部件连接示意图；
图3是本发明提供的PWM功率循环实验装置电路图；
图4是本发明提供的单片机驱动时序图；
图5是本发明提供的PWM功率循环实验装置工作流程图；
图6是本发明提供的小电流开通时电路图；
图7是本发明提供的大电流开通时电路图。
具体实施方式
下面结合下述实施例对本发明的具体实施步骤做详细的说明。
如图5所示，为本发明提供的PWM功率循环实验装置工作流程图，实施步骤分为：开通驱动保护系统，开通小电流测试系统，开通数据采集系统，进行小电流下的集射极电压Vce和三个待测IGBT模块的结温Tj校正，校正出现错误后，对以上几步进行检查，重新开始实验。校正无误后开通主电路系统，开通水冷散热系统，实时监测主电路的电流Ic、集射极电压Vce、IGBT的壳温Tc，实时计算三个待测IGBT模块的结温Tj。
首先使驱动处于常开状态，确保各个IGBT模块的栅射极G-E通入常开的VGE＝15V信号。然后开通测试小电流系统，此时的电路如图6所示。电路中主要包括恒压源V2，LM317芯片，电阻R2和二极管D1。恒压源V2与LM317芯片连接并给LM317芯片供电，电阻R2与LM317芯片串联用于提供电路中所需的电流值，二极管D1用于抑制主电路中的电流进入测试小电流回路。当测试回路处于工作状态时，立即采集三个待测IGBT模块的集射极电压Vce，并将集射极电压Vce带入拟合的公式(公式1)计算三个待测IGBT模块的结温Tj。并将三个待测模块的集射极电压Vce数据与初始设定的集射极电压Vce进行对比，判定三个模块的性能是否稳定。若测得的三个待测模块的集射极电压Vce数据与初始设定的集射极电压Vce有偏差，则停止实验，进一步检测三个模块是否损坏。若无差别，则继续进行下一步实验。
Figure GDA0003307093200000071
开通主电路系统，此时电路图，如图7所示。驱动系统按照单片机设定好的驱动信号如图4所示，
利用STM32单片机进行编程，提供六路同步不同高低电平的输出信号，分别对驱动保护电路M1、M2、M3、M4，水冷散热系统的电磁阀F1和数据采集系统P1进行控制。实现对IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4模块、水冷散热系统、数据采集系统的控制。当IGBT1模块的驱动中通入开关周期为tsw，占空比为D的高频脉冲信号，主电路中的大电流开通。电磁阀F1迅速关断冷却液，此时三个待测IGBT模块的结温Tj迅速升高。数据采集系统关断，不采集数据。高频脉冲一直持续进行，当达到设定的脉冲持续时间t1后，IGBT1模块的高频脉冲驱动关断，关断持续时间t2。此时主电路中的大电流关断，电磁阀立即开通冷却液，三个待测IGBT模块的结温Tj迅速降低。小电流测试系统导通，数据采集系统导通电路如图6所示。采用电流互感器J2采集主电路的电流Ic，采用差分隔离探头监测IGBT的壳温Tc。采用数据采集卡采集电压Vce数据。采集的数据经过labview编制的数据采集程序处理，带入拟合的公式(公式1)实时计算出三个待测IGBT模块的结温Tj，将测试结果显示在数据采集程序主界面，并且所有数据自动保存至Excel。一直重复此过程进行循环，直至达到设定的总循环次数Nc后停止。

Claims (6)

1.多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：该装置包括：驱动保护系统(101)、主电路系统(102)、IGBT模块单元(103)、水冷散热系统(104)、小电流测试系统(105)、数据采集系统(106)；驱动保护系统(101)、主电路系统(102)、水冷散热系统(104)、小电流测试系统(105)均和IGBT模块单元(103)连接；水冷散热系统(104)、数据采集系统(106)和驱动保护系统(101)连接；
所述的IGBT模块单元(103)，包含四个相同型号的半桥IGBT模块，分别是IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4；这四个半桥IGBT模块都是由上半桥臂和下半桥臂串联而成；每个IGBT模块的上半桥臂和下半桥臂都可以单独使用；每个半桥臂的IGBT模块都由栅射极G-E和集射极C-E组成；集射极C-E的通断受栅射极G-E的控制，当栅射极G-E通入15V的电压，集射极C-E导通；当栅射极G-E通入0V的电压，集射极C-E关断；
IGBT1模块的上半桥臂和下半桥臂都连接于电路工作；IGBT2、IGBT3、IGBT4只将上半桥臂的一端连接于电路；IGBT1模块上半桥臂的二极管和电感组成回路，在电路关断时释放电感上的电能；IGBT1模块下半桥臂的IGBT作为电路中的开关控制主电路的通断，IGBT2、IGBT3和IGBT4的下半桥臂作为待测模块，上半桥臂另一端不使用；
所述的水冷散热系统(104)，包含散热板W1，电磁阀F1；散热板W1包含多个独立的散热工位，各散热工位的冷却液流量可独立控制，为多个IGBT模块提供不同的散热需求；每个IGBT模块上的IGBT芯片配有独立的散热通道，保证各芯片热量及时被带走；采用电磁阀F1对冷却液的开关时间进行控制，在IGBT模块通电时，冷却液关断；在IGBT模块断电时，冷却液开通；
所述多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置的工作流程为：开通驱动保护系统，开通小电流测试系统，开通数据采集系统，进行小电流下的集射极电压Vce和三个待测IGBT模块的结温Tj校正，校正出现错误后，对以上几步进行检查，重新开始实验；校正无误后开通主电路系统，开通水冷散热系统，实时监测主电路的电流Ic、集射极电压Vce、IGBT的壳温Tc，实时计算三个待测IGBT模块的结温Tj。
2.根据权利要求1所述的多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：所述的驱动保护系统(101)，由单片机E1、15V驱动板M1、15V驱动板M2、15V驱动板M3、15V驱动板M4组成；单片机E1的六个信号输出端分别与四个15V驱动板M1、M2、M3、M4的输入端，电磁阀F1的输入端，数据采集系统P1的输入控制端连接；四个15V驱动板M1、M2、M3、M4的输出端分别与IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4这四个IGBT模块下半桥臂的栅射极G-E相连；
利用STM32单片机进行编程，提供六路同步不同高低电平的输出信号，分别对水冷散热系统的电磁阀F1，驱动保护电路M1、M2、M3、M4和数据采集系统P1进行控制；当驱动保护电路M1通入高频脉冲时，驱动保护电路M2、M3、M4常开，水冷散热系统的电磁阀F1关闭，数据采集系统P1关断，此时IGBT1模块导通，待测IGBT2、IGBT3、IGBT4也导通，待测模块IGBT2、IGBT3、IGBT4迅速升温；当驱动保护电路M1的高频脉冲关断时，M2、M3、M4常开，水冷散热系统的电磁阀F1打开，数据采集系统P1打开，此时小电流流入待测模块IGBT2、IGBT3、IGBT4；待测IGBT2、IGBT3、IGBT4迅速降温，数据采集卡采集IGBT2、IGBT3、IGBT4的数据。
3.根据权利要求1所述的多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：所述的主电路系统(102)，包括恒压源V1，母排电容C1，电阻R1，负载电感L1和IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4模块；其中，母排电容C1并联于恒压源V1的两端；电阻R1的一端连接于恒压源V1的正极输出端，另一端与负载电感L1相连，IGBT1的上半桥臂与负载电感L1并联，IGBT1的下半桥臂与IGBT2、IGBT3、IGBT4串联连接之后接于恒压源V1的负极输出端；恒压源V1的电压范围可调，根据待测IGBT模块的数量，调节电能的输入；母排电容C1采用多个电解电容串联连接，能达到高压测试的目的；负载电感L1采用多个电感并联连接，能达到大电流测试的目的。
4.根据权利要求3所述的多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：所述的小电流测试系统(105)，主要包括恒压源V2，LM317芯片，电阻R2，二极管D1；恒压源V2的正极输出端连接LM317芯片的一端；恒压源V2的负极输出端与恒压源V1的负极输出端相连，实现共地；LM317芯片的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与二极管D1的一端相连；二极管D1的另一端与IGBT1的发射极E相连；实现小电流测试系统105供给IGBT2、IGBT3、IGBT4这三个IGBT芯片小电流。
5.根据权利要求4所述的多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：采用LM317芯片与电阻R2配合使用，通过改变电阻R2的大小，能够改变小电流的值；并且在电路中串联的二极管D1保护测试电路不受主电路的影响；保证测试电路在主电路开通时不导通，在主电路关断时导通。
6.根据权利要求1所述的多个汽车级IGBT模块同步PWM功率循环实验装置，其特征在于：所述的数据采集系统(106)，采用隔离变压器B1将主电路系统和数据采集系统隔离，避免信号互相干扰；采用电流互感器J2采集主电路的电流Ic，采用差分隔离探头监测IGBT的壳温Tc；采用单片机E1产生的驱动信号控制数据采集卡的工作区间，保证在大电流关断期间采集集射极电压Vce数据；数据采集系统采集的数据经过labview软件处理，实时计算出三个待测IGBT模块的结温Tj显示在labview主界面，并且所有数据自动保存至Excel。
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