CN110441668A - 一种大功率igbt测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率IGBT测试系统，包括：数/模转换器，用于接收计算机发出的控制指令，并将该控制指令的数字信号转换成模拟信号；功率放大器，用于放大所述模拟信号，并将放大后的模拟信号通过测试电路施加至被测器件；反应信息采集单元，用于采集被测器件对所施加电学信号的反应信息，并对该反应信息进行变换和放大处理；模/数转换器，用于将所述反应信息进行数据转换，并输出至计算机进行数据处理。本发明的测试系统测试准确、信号处理速度快。

Description

一种大功率IGBT测试系统

技术领域

本发明涉及大功率器件测试领域，尤其涉及一种大功率IGBT测试系统。

背景技术

大功率器件失效场合：来自系统内部，如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流；来自系统外部，如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底，IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

大功率器件失效机理：由于上述原因发生短路，将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在，将导致集电极过电压，而在器件内部产生擎住效应，使大功率器件锁定失效。同时，较高的过电压会使大功率器件击穿。大功率器件由于上述原因进入放大区， 使管子开关损耗增大。

大功率器件传统防失效机理：尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压；在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等；在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

在集电极和发射极之间并接RC滤波电路，可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中，由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压，并使RC滤波电路部分的抑制效果生效，IGBT通常都会被击穿或者短路。另外，在电机起动时，由于起动时的大电流，在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电压，使IGBT损坏。同时，电机励磁造成的感应电动势，对电路的破坏也相当地大。

基于此，急需提出一种大功率器件的测试系统。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大功率IGBT测试系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种大功率IGBT测试系统，包括：

数/模转换器，用于接收计算机发出的控制指令，并将该控制指令的数字信号转换成模拟信号；

功率放大器，用于放大所述模拟信号，并将放大后的模拟信号通过测试电路施加至被测器件；

反应信息采集单元，用于采集被测器件对所施加电学信号的反应信息，并对该反应信息进行变换和放大处理；

模/数转换器，用于将所述反应信息进行数据转换，并输出至计算机进行数据处理。

上述的一种大功率IGBT测试系统，所述模拟信号为电压信号或电流信号。

上述的一种大功率IGBT测试系统，所述测试电路包括：变压器T1、变压器T2、开关S1-开关S5、电阻R1-电阻R5，第一电源的正极依序串接变压器T1、开关S1、电阻R1后与被测器件的G极电连接，第一电源的负极与被测器件的K极电连接，电阻R2和开关S2串接后并联在被测器件的G极和K极之间，电阻R3和开关S3串接后并联在被测器件的G极和K极之间；

第二电源的正极依序串接开关S4、电阻R5后于被测器件的A极电连接，第二电源的负极串接依序变压器T2、测试表后于被测器件的K极电连接，开关S5与电阻R4串联后并联在被测器件的G极与A极之间。

上述的一种大功率IGBT测试系统，所述变压器T1、变压器T2分别为倍压脉冲变压器，该倍压脉冲变压器的周壁上设有可防止对数字信号产生干扰的屏蔽盒。

上述的一种大功率IGBT测试系统，所述功率放大器为多个并联的晶体管。

上述的一种大功率IGBT测试系统，所述数/模转换器与被测器件之间还电连接有信号发生器。

本发明的有益效果：

本发明的测试系统测试准确、信号处理速度快。

附图说明

图1是测试电路的示意图。

图2是并行数模转换的结构示意图。

图3是大功率器件失效防护电路。

图4是测试系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

大功率器件传统防失效机理：尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压；在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等；在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

集电极过电压、过电流防护，以IGBT变频调速电源主电路为例，大功率器件失效防护电路如图3所示。测试保护电路是：在集电极和发射极之间并接RC滤波电路，可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中，由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压，并使RC滤波电路部分的抑制效果生效，IGBT通常都会被击穿或者短路。另外，在电机起动时，由于起动时的大电流，在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电压，使IGBT损坏。同时，电机励磁造成的感应电动势，对电路的破坏也相当地大。

针对上述情况，测试浪涌突波部分可以用防雷电路进行防护，瞬雷电子开发的蓝宝宝浪涌抑制器（BPSS），在雷击方面既具有极大的过电流能力，又具有极低的残压。同时，针对电机部分，参照ISO7637的相关标准，该经过该设备测试的产品完全可以在电机方面使用。避免了人为使换等问题。而在使用其他器件则不能同时达到上述两种情况。

通常对大功率器件测试某一项参数时，一般需要选择连接测试条件要求的信号源和负载，根据所测试的参数不同，信号源接通或断开方式不同，需要接通的信号源和负载形式也不同，接通的信号源和负载的时间顺序、脉冲宽度也各有不同，但各类器件和各种电参数的测试都可以看做是加一个电压到电阻上测试其电流的大小，或者加一个电流到电阻上测试其电压的大小，只是在测试时的通路不同。

为此，本实施例提供了一种大功率IGBT测试系统，该大功率IGBT测试系统是一种在计算机控制下实现对电力模块及普通I器件测试和对批量测试结果进行分析的智能测试仪器。按照被测器件的各项测试参数的要求，需要施加的电学信号由计算机控制的数/模转换器（DAC）产生，经过电流/电压功率放大后，再按照被测参数的条件要求施加给被测器件（DUT），被测器件（DUT）对所施加电学信号的反应信息被采样、变换和放大，然后经过模/数转换器（ADC）进行数据转换，最后提交给计算机进行数据后处理、分析计算，从而得到需要的电参数测试结果。

电学信号是通过测试电路施加至被测器件的，该测试电路如图1所示，包括：变压器T1、变压器T2、开关S1-开关S5、电阻R1-电阻R5，第一电源的正极依序串接变压器T1、开关S1、电阻R1后与被测器件的G极电连接，第一电源的负极与被测器件的K极电连接，电阻R2和开关S2串接后并联在被测器件的G极和K极之间，电阻R3和开关S3串接后并联在被测器件的G极和K极之间；

第二电源的正极依序串接开关S4、电阻R5后于被测器件的A极电连接，第二电源的负极串接依序变压器T2、测试表后于被测器件的K极电连接，开关S5与电阻R4串联后并联在被测器件的G极与A极之间。

本实施例的测试原理是：被测器件DUT分三个极即G极（栅极）、A极(正极)、K极（负极），测试时主要测试这三个极两两之间的电压和电流值，测试A极和K极之间的电压和电流时，把G极所有电路全部断开，然后给AK之间加电流或者电压，然后用电压表或电流表来测试其电压值和电流值，把测试的结果传送到模拟板的ADC模块上进行转换，转换后的数据送到嵌入式下位机上进行数据处理，处理后的结果发送到显示器上显示，其他两极之间的测试原理如同AK之间的测试方法。

本实施例的数/模转换器为高精度数模转换，本实施例的模/数转换器为高精度模数转换，数模转换有两种转换方式：并行数模转换和串行数模转换。图2所示的为并行数模转换器结构图。虚线框内的数码操作开关和电阻网络是基本部件。图中装置通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是 20/23=1/8；第2位是21/23=1/4；第3位是22/23=1/2。位数多的依次类推。图1为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。当该位的值是“0”时,与地接通；当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入端的数字量每变化1，仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。位数越多分辨率就越高，转换的精度也越高。工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位，转换精度达0.5～0.1%。串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC，Analog to Digital Converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC，Digital to Analog Converter）。

为确保测试系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。为了解决这一问题，我们采用了高速率高精度的A/D转换器AD7665ASTZ和D/A转换器DAC715U作为主控芯片，保证了数模模数转换的精度和速度。

D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。

数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。与传统D/A转换器相比，误码率更低，传输性更好，且抗干扰很强。

模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。与传统的A/D转换器相比，转换精度更高，误差更小。

比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统，最简单的比较器就是运算放大器。运算放大器在连有深度负反馈的条件下，会在线性区工作，有着增益很大的放大特性。

倍压脉冲变压器，把数字信号发生器中产生的低电压信号变压成高电压信号，在整个变换器的外面加个屏蔽盒，以防止对数字信号产生干扰。低电压的电压值是35V和65V，高电压的电压值最高2000V，低电压信号脉变成高低压信号的过程有着严格倍率系数控制，不会使得信号的精度降低。如果出现越过现象，也会被数字控制系统监控到并进行失真修正。

对脉冲变压器而言，因为主要考虑波形传送问题。即使同样是宽频带变压器，但只要波形能满足设计要求，也就是说波形的幅值，频率，占空比等均符合要求，磁心也可以工作在非线性区域。因此，其外形可做得比通信用变压器小很多。还有，除通过大功率脉冲外，变压器的传输损耗一般还不大。因此，所取磁心的尺寸大小取决于脉冲通过时磁通量是否饱和，或者取决于铁耗引起的温升是否超过允许值。磁芯大小取决于脉冲变压器的设计要求，脉冲变压器对铁芯材料的要求为：①高饱和磁感应强度Bs值②高的脉冲磁导率，能用较小的铁芯尺寸获得足够大的励磁电感③大功率单极性脉冲变压器要求铁芯具有大的磁感应强度增量ΔB,使用低剩磁感应材料;当采用附加直流偏磁时，要求铁芯具有高矩形比，小矫顽力Hc。④小功率脉冲变压器要求铁芯的起始脉冲磁导率高⑤损耗小。

脉冲变压器工作原理利用铁心的磁饱和性能把输入的正弦波电压变成窄脉冲形输出电压的变压器。要减小脉冲波形前沿的失真，应尽量减小脉冲变压器的漏 电感和分布电容，为此需使脉冲变压器的绕组匝数尽可能的少，这就要求使用具有较高脉冲磁导率的材料。为减小顶降，要尽可能的提高初级励磁电感量Lm，这就 要求铁芯材料具有较高的脉冲磁导率μp。为减小涡流损耗，应选用电阻率高、厚度尽量薄的软磁带材作为铁芯材料，尤其是对重复频率高、脉冲宽度大的脉冲变压器更是如此。脉冲变压器在转换电压信号过程中对电压损耗在变压器选型中得到了有效控制，对测试精度的影响基本可忽略不计。脉冲变压器结构为原绕组套在断面较大的由硅钢片叠成的铁心柱上，副绕组套在坡莫合金材料制成的断面较小的易于高度饱和的铁心柱上，在两柱中间可设置磁分路。电压和磁通的关系，输入电压u1是正弦波，在左面铁心 中产生正弦磁通Φ1。右面铁心中磁通Φ2高度饱和，是平顶波，它只有在零值附近发生变化，并立即饱和达到定值。当Φ2过零值的瞬间，在副绕组中就感应出极陡的窄脉冲电动势e2。磁分路有气隙存在，Φσ基本上按线性变化，与漏磁相似，其作用在于保证Φ1为正弦波。

功率放大器并联技术，把每一个功率放大器的输出端并联起来，这样每个功率放大器输出的电流就相叠加在一起，从而产生大电流。

晶体管功放输出级晶体管的工作状态，可以分做甲类与乙类。所谓甲类，简单地说就是使输出级晶体管在正弦交流信号的正负半周时均工作在线性区，而乙类则是仅使输出级的晶体管在正弦交流信号的正半周（或是负半周）工作在线性区。由于输出级晶体管的工作状态不同，使得输出级的电源利用效率（即输出功放与耗电功率之比）也不同。在实用的输出电路中，乙类的效率要比甲类的效率高2-3倍。

甲类功放不存在交越失真，而且不论实际输出功率大小，输出级晶体的内阻均为恒定。而乙类功放总会有一定的交越失真（尽管这种失真可能极小），另外，在大输出时输出级晶体管的内阻较小，但在小输出时输出级晶体管的内阻却比较大。为了使晶体管的工作温度不超过一定限度，需要较大体积和面积的散热器，这使得甲类功放的体积、重量都比较大。

信号发生技术，信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。被测原件测试所要求的电压电流脉冲信号在器件说明书上有严格要求，按照器件规格书要求在上位机上编辑所需的电压电流信号值，由高精度数模转换器进行数模转换，将产生的模拟量驱动相关的功率源（信号发生器）发出脉冲信号，如果产生的模拟信号值有偏差会由反馈回路进行修正。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

信号发生器又称信号源或振荡器，脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲,采用嵌入式计算机控制，由嵌入式计算机里的中央控制器发出数字信号，然后采用数模转换器转换成模拟信号，经运算放大器进行处理成所需要的信号。

高电压绝缘处理技术，用9.5毫米厚钢板或4毫米厚铜板做成的屏蔽罩，可以提供很高的总体屏蔽效能。但是，这种屏蔽会由于存在检修门和供电缆、连接器、开关等使用的小孔而减弱，这样就必须用衬垫密封孔隙。如果必须开孔通气，则应使用各种屏蔽栅（如蜂窝状隔板、多孔金属板和金属丝网屏栅）把大孔分成许多小孔，孔与孔之间相交的地方必须熔合，以便确保最佳的屏蔽效果。电缆必须使用整体防护材料，最好的电缆防护材料是管道之类的导电固体材料。

图4中，上位机给嵌入式计算机发送数据，嵌入式计算机把接受到的数据转换后送到适配控制模块，然后经过数模转换，再送到低功率模块和高功率模块上经继电器阵列加到被测器件上，把测试的结果又返回到上位机上显示。

本系统采用“三化”方式产品结构技术，该技术主要包括：

（1）优化电路模板测试软件和对所有电路板分类进行了优化和标准化设计制作，对各种功能的测试软件进行分块设计，形成各类标准模板和软件模块，将所有板外部件采用标准化制作，形成各类标准部件；

（2）优化机箱布局，对系统机箱、内部总线板、模板和部件间连接方式进行标准化设计和制作，编制和固化组装工艺文件，形成的硬件和工艺方法能够满足不同用户需要。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种大功率IGBT测试系统，其特征在于，包括：

数/模转换器，用于接收计算机发出的控制指令，并将该控制指令的数字信号转换成模拟信号；

功率放大器，用于放大所述模拟信号，并将放大后的模拟信号通过测试电路施加至被测器件；

反应信息采集单元，用于采集被测器件对所施加电学信号的反应信息，并对该反应信息进行变换和放大处理；

模/数转换器，用于将所述反应信息进行数据转换，并输出至计算机进行数据处理。

2.如权利要求1所述的大功率IGBT测试系统，其特征在于，所述模拟信号为电压信号或电流信号。

3.如权利要求1或2所述的大功率IGBT测试系统，其特征在于，所述测试电路包括：第一电源、第二电源、变压器T1、变压器T2、开关S1-开关S5、电阻R1-电阻R5，第一电源的正极依序串接变压器T1、开关S1、电阻R1后与被测器件的G极电连接，第一电源的负极与被测器件的K极电连接，电阻R2和开关S2串接后并联在被测器件的G极和K极之间，电阻R3和开关S3串接后并联在被测器件的G极和K极之间；

第二电源的正极依序串接开关S4、电阻R5后与被测器件的A极电连接，第二电源的负极串接依序变压器T2、测试表后于被测器件的K极电连接，开关S5与电阻R4串联后并联在被测器件的G极与A极之间。

4.如权利要求3所述的大功率IGBT测试系统，其特征在于，所述变压器T1、变压器T2分别为倍压脉冲变压器，该倍压脉冲变压器的周壁上设有可防止对数字信号产生干扰的屏蔽盒。

5.如权利要求1所述的大功率IGBT测试系统，其特征在于，所述功率放大器为多个并联的晶体管。

6.如权利要求1所述的大功率IGBT测试系统，其特征在于，所述数/模转换器与被测器件之间还电连接有信号发生器。