CN115616370A - 一种mos控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，包括：逻辑控制模块、冲击测试模块、测试电路模块和数据采集模块；逻辑控制模块与测试电路模块连接，逻辑控制模块用于控制测试电路模块的驱动以及控制MOS控制晶闸管的动态延时；冲击测试模块与数据采集模块连接，冲击测试模块用于模拟冲击环境；测试电路模块还与数据采集模块连接，测试电路模块用于控制MOS控制晶闸管的打开与关闭，并为MOS控制晶闸管提供试验电压；数据采集模块还与逻辑控制模块连接，数据采集模块用于采集试验过程中的试验数据。本发明测试可以将测试MOS控制晶闸管在冲击下的电压，电流特性，在不同强度的冲击过载下得到MOS控制晶闸管的电参数。

Description

一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统。

背景技术

MOS控制晶闸管（MCT），是集成两个MOSFET和一个晶闸管的复合型半导体开关，通过MOSFET来实现晶闸管的开启与关断，通过晶闸管导通大电流，因此，它兼具MOSFET的高输入阻抗、驱动简单、开关速度快的优点，以及晶闸管的阻断电压高、导通电流大、低通态压降的优点。在工业控制、汽车电子、军事等电力电子技术中有着广泛的应用。

MCT在许多应用场合中会受到强烈的力学载荷冲击时，脆性半导体材料为核心的器件内部结构由于响应产生形变，在电学特征方面，出现电压、电流的瞬态波动，在力学行为方面，造成额外的复合应力，从而进一步对器件及系统的可靠产生影响。主要关注在冲击加载前、中、后三个时期MCT在同一回路中的开启与关闭情况，自身阻抗变化情况，是否存在异常放电，耐压值的变化情况，脉冲峰值电流变化情况以及MCT的损伤阈值。

发明内容

本发明提出了一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，通过霍普金森杆模拟冲击环境，通过合理的电路搭建来测试MOS控制晶闸管在高压、大电流以及高过载下的电参数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，包括：逻辑控制模块、冲击测试模块、测试电路模块和数据采集模块；

所述逻辑控制模块与所述测试电路模块连接，所述逻辑控制模块用于控制测试电路模块的驱动以及控制MOS控制晶闸管的动态延时；

所述冲击测试模块与所述数据采集模块连接，所述冲击测试模块用于模拟冲击环境；

所述测试电路模块还与所述数据采集模块连接，所述测试电路模块用于控制MOS控制晶闸管的打开与关闭，并为所述MOS控制晶闸管提供试验电压；

所述数据采集模块还与所述逻辑控制模块连接，所述数据采集模块用于采集试验过程中的试验数据。

优选的，所述逻辑控制模块包括计算机和FPGA主控系统；

所述计算机与所述FPGA主控系统连接，所述计算机用于发出控制指令；

所述FPGA主控系统用于接收所述控制指令，并基于所述控制指令控制电容充电至规定电压。

优选的，所述冲击测试模块包括分离式霍普金森杆装置；

所述分离式霍普金森杆装置包括：发射管、撞击杆、整形器、入射杆、透射杆、吸收杆、吸收器和应变片。

优选的，所述入射杆与透射杆相近端外部设置有试验箱；

所述试验箱两侧设有开口，箱底放置有牛皮以达到绝缘效果；

所述试验箱还设有透明一面。

优选的，所述数据采集模块包括数字示波器、测速仪、高速摄像机和动态应变仪；

所述数字示波器与所述测试电路模块连接，所述数字示波器用于采集测试过程中通过所述MOS控制晶闸管的电流；

所述测速仪用于测量子弹的速度；

所述高速摄像机与所述逻辑控制模块连接，所述高速摄像机用于观察强动载作用下MOS控制晶闸管高压开关的动态响应过程；

所述动态应变仪与所述应变片连接，所述动态应变仪用于测量杆中应力波传播数据，得到式样的应力-应变数据。

优选的，所述动态应变仪与所述数字示波器采用同步断通式触发方式。

优选的，所述撞击杆的长度计算公式为：

式中，

表示撞击杆长度；

表示冲击过程中加载脉冲持续时间；C表示子弹的声 速。

优选的，所述MOS控制晶闸管的动态延时时间计算公式为：

式中，C表示子弹的声速，

表示入射杆的长度。

本发明的有益效果为：

1）本发明设计了适用于动态冲击试验的动态测试系统，测试系统可以将测试MOS控制晶闸管在冲击下的电压，电流特性，在不同强度的冲击过载下得到MOS控制晶闸管的电参数。

2）本发明充放电过程由逻辑控制模块下达指令控制，试验箱的设置有效避免了短路对人员以及设备造成损害，进行高压试验时保障人员设备安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面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为本发明一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统的原理结构示意图；

图2为本发明一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统的测试电路模块原理结构示意图。

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。

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。

实施例一

如图1所示，本发明一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统的原理结构示意图，包括：逻辑控制模块、冲击测试模块、测试电路模块和数据采集模块；

逻辑控制模块由计算机和FPGA主控系统组成，用于完成电容充电的控制、动态延时设置、以及MOS控制晶闸管开关的驱动等功能；FPGA主控系统包括逻辑电路控制板；配置电路采用JTAG配置方式，对于Intel FPGA，使用Quartus Prime软件将配置数据下载到FPGA上，自动生成用于使用JTAG下载器配置的.sof文件。由于Cyclone IV E FPGA是基于SRAM结构的，所以SRAM中的数据掉电就会丢失，为了避免每次上电都要重新配置，采用串行FLASH芯片M25P64，拥有64MB存储空间，使用SPI接口作为FPGA的上电配置器件。接口部分采用了RS422串口通信，采用USB转串口芯片CH340，可实现USB转串口协议，使FPGA能使用一根USB数据线与计算机之间进行通信，通过串口发送指令来控制高压多层陶瓷电容充放电电路部分的工作。

冲击测试模块由分离式霍普金森杆装置组成，包括发射管、撞击杆、整形器、入射杆、透射杆、吸收杆、吸收器和两个应变片；两个应变片分别位于入射杆和透射杆中，与动态应变仪相连接；

为了保证电容放电时间均在冲击过载下，需要对入射杆长进行设置，在冲击过程 中加载脉冲持续时间

与撞击杆的长度

关系如下式：

式中，

表示撞击杆长度；

表示冲击过程中加载脉冲持续时间；C表示子弹的声 速。

其中，待测MOS控制晶闸管放置于入射杆与透射杆之间，入射杆与透射杆相近端外部设置有试验箱，试验箱两侧设有开口，箱底放置有牛皮以达到绝缘效果，试验箱还设有透明一面，便于高速摄像机观察动载作用下MOS控制晶闸管高压开关的动态响应过程。

测试电路模块如图2所示，包括带隔离功能的栅极驱动器（U1、U2）、大功率MOSFET（Q1）、待测MOS控制晶闸管（Q2）、大功率泄放电阻（R1、R2）、高压多层陶瓷电容（C1）、高压电源（VCC）、电压探头、电流探头；

其中，栅极驱动器（U1）一端与大功率MOSFET（Q1）连接，另一端用来接收高端驱动信号；栅极驱动器（U2）一端与待测MOS控制晶闸管（Q2）连接，另一端用来接收低端驱动信号；高端驱动信号和低端驱动信号均由FGPA主控系统控制，高端驱动信号用于控制高压多层陶瓷电容（C1）的充电，高压多层陶瓷电容（C1）用来为待测MOS控制晶闸管提供电压；低端驱动信号用于控制待测MOS控制晶闸管的打开与闭合。电压探头用来测量高压多层陶瓷电容（C1）的电压，当电压达到预设值时，低端驱动信号控制待测MOS控制晶闸管打开；电流探头用来测量高压多层陶瓷电容（C1）的放电电流。

电压探头与电流探头均与数字示波器连接，来记录高压多层陶瓷电容（C1）的放电电压、放电电流的曲线数据。

数据采集模块包括数字示波器、测速仪、高速摄像机和动态应变仪；

数字示波器用于采集测试过程中通过待测MOS控制晶闸管的电流以及高压多层陶瓷电容（U1）的电压；测速仪用于测量子弹的速度；高速摄像机与计算机连接，高速摄像机通过试验箱透明面观察强动载作用下MOS控制晶闸管的高压开关的动态响应过程；动态应变仪分别与两个应变片和计算机连接，用于测量杆中应力波传播数据，得到式样的应力-应变数据。

数据采集模块中的设备与计算机，其中，计算机可以是逻辑控制模块中的计算机，也可以不是同一个计算机。

在试验过程中，动态应变仪与数字示波器采用同步断通式触发方式；子弹经炮口射出击断触发线，系统被触发开始工作。

实施例二

本实施例将结合系统详细介绍系统的工作过程。

在测试开始前，将待测MOS控制晶闸管焊接在PCB板上。焊接过程中为保证器件表面的平整，将焊点压低线束压低至PCB板面，降低应力分布不均匀的可能性，冲击加载过程中待测MOS控制晶闸管所加栅极偏压到额定电压，漏、源极短路接地。

将待测MOS控制晶闸管所在PCB板安装在霍普金森杆上并且使用牛皮纸在入射杆和透射杆与开关接触的界面处做绝缘，打开电路开关后通过计算机串口调试助手发送串口指令，FPGA主控系统收到指令后控制高压多层陶瓷电容（U1）开始充电至规定电压。

试验开始时让撞击杆以一定的初速度撞击入射杆，当撞击杆经过测速仪时，逻辑控制模块收到脉冲触发信号；收到脉冲触发信号后，由逻辑控制模块控制待测MOS控制晶闸管延迟一定时间后放电；

其中，待测MOS控制晶闸管的动态延时时间计算公式为：

式中，C表示子弹的声速，

表示入射杆的长度。

最后由数字示波器采集到在冲击环境下流过待测MOS控制晶闸管的电流与两端电压。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，包括：逻辑控制模块、冲击测试模块、测试电路模块和数据采集模块；

所述逻辑控制模块与所述测试电路模块连接，所述逻辑控制模块用于控制测试电路模块的驱动以及控制MOS控制晶闸管的动态延时；

所述冲击测试模块与所述数据采集模块连接，所述冲击测试模块用于模拟冲击环境；

所述测试电路模块还与所述数据采集模块连接，所述测试电路模块用于控制MOS控制晶闸管的打开与关闭，并为所述MOS控制晶闸管提供试验电压；

所述数据采集模块还与所述逻辑控制模块连接，所述数据采集模块用于采集试验过程中的试验数据。

2.根据权利要求1所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述逻辑控制模块包括计算机和FPGA主控系统；

所述计算机与所述FPGA主控系统连接，所述计算机用于发出控制指令；

所述FPGA主控系统用于接收所述控制指令，并基于所述控制指令控制电容充电至规定电压。

3.根据权利要求1所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述冲击测试模块包括分离式霍普金森杆装置；

所述分离式霍普金森杆装置包括：发射管、撞击杆、整形器、入射杆、透射杆、吸收杆、吸收器和应变片。

4.根据权利要求3所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述入射杆与透射杆相近端外部设置有试验箱；

所述试验箱两侧设有开口，箱底放置有牛皮以达到绝缘效果；

所述试验箱还设有透明一面。

5.根据权利要求3所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述数据采集模块包括数字示波器、测速仪、高速摄像机和动态应变仪；

所述数字示波器与所述测试电路模块连接，所述数字示波器用于采集测试过程中通过所述MOS控制晶闸管的电流；

所述测速仪用于测量子弹的速度；

所述高速摄像机与所述逻辑控制模块连接，所述高速摄像机用于观察强动载作用下MOS控制晶闸管高压开关的动态响应过程；

所述动态应变仪与所述应变片连接，所述动态应变仪用于测量杆中应力波传播数据，得到式样的应力-应变数据。

6.根据权利要求5所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述动态应变仪与所述数字示波器采用同步断通式触发方式。

7.根据权利要求3所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述撞击杆的长度计算公式为：

式中，

表示撞击杆长度；

表示冲击过程中加载脉冲持续时间；C表示子弹的声速。

8.根据权利要求1所述一种MOS控制晶闸管在冲击环境下电参数的测试系统，其特征在于，所述MOS控制晶闸管的动态延时时间计算公式为：

式中，C表示子弹的声速，

表示入射杆的长度。

Images