CN116430191A - 一种模块化设计的igbt模块多模式老化检测试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模块化设计的IGBT模块多模式老化检测试验装置。该装置包括：老化电源模块、高压电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块、交流加速老化测试模块和参数检测被试模块。该装置根据功能的不同分为老化电源模块、高压电源模块、核心主模块、检测模块以及待测模块。核心主模块通过控制柜箱体上的模式选择按钮或程序进行实验平台的模式选择；满足了对普遍高压大功率IGBT器件及模块进行单管功率循环老化实验所需的测试电流需求。本装置基于模块化、多接口、多模式的特点下，能够根据实验的不同进行不同模块间的选择与组合以及通用控制柜的不同模式的选择，从而实现不同实验电路的独立运行，可以有效地探究IGBT模块老化失效的完整过程。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)老化检测技术领域，尤其涉及一种模块化设计的IGBT模块多模式老化检测试验装置。
背景技术
IGBT因其良好的开关特性，广泛用作能量变换与传输的重要组成部分。在轨道交通领域，IGBT可靠性运行是实现功率变流器可靠运行、高性能能量变换的重要保证。根据工业报告统计，功率变流器系统故障约有38％源于功率器件的失效，探究IGBT失效机理、失效预兆特征量的变化和寿命评估模型可以很有效地支撑后续对IGBT的可靠性的研究，因此，对功率器件老化机理的研究显得尤为重要。然而，IGBT器件或模块自然老化寿命较长，会增加一定的时间成本，所以在老化研究过程中采取的手段常常是通过加速老化试验装置来加速IGBT模块的老化过程以缩短研究周期，从而对IGBT模块老化失效的完整过程进行研究。
目前，现有技术中的IGBT器件或模块的老化实验方法是功率循环加速老化试验，该方法通过功率循环使IGBT承受静态和动态温度的加速量。这种老化试验方法是通过导通和高频通断给器件施加功率，产生热损耗，使器件温度在短期内发生很大的周期性波动，形成热冲击，产生热电应力，从而加速老化进程。该试验方法电路结构简单，比较容易测得器件结温波动导通压降，且电路容易控制，但其无法模仿实际变流器的应用工况。为了更好地模仿变流器实际应用工况，引入二拖一交流模式的对拖加速老化试验。采用桥式电路，在一个被试桥臂和两个陪试桥臂之间分别连接负载电抗进行对拖输出，由此可以设计针对桥臂上的两个模块的周期性控制逻辑，等效功率器件实际运行中的周期性桥臂电流和模块电压产生的发热功率给器件带来的疲劳应力，与实际工况更加贴近。双脉冲测量电路是针对测量动态电气参数进行设计，通过改变测试电路的工作状态，如不同的母线电压、测试电流、功率回路等参数，来获得功率期间在各种不同工况下的动态电气特性波形，并且从中提取出开通关断期间的时间间隔、损耗等关键电气参数，可以对老化过程中的IGBT模块的特性进行离线评估，为探索加速老化进程与IGBT特性的耦合关系提供数据支持。
现有技术中的IGBT器件或模块的老化试验方法主流所用的功率循环加速老化试验平台，仅能够进行正向老化电流测试，只考虑了IGBT的寿命而没有考虑续流二极管寿命对于整个器件寿命的影响，因此误差较大。
发明内容
本发明的实施例提供了一种模块化设计的IGBT模块多模式老化检测试验装置，以实现有效地对IGBT模块进行老化检测试验。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种模块化设计的绝缘栅双极型晶体管IGBT模块多模式老化检测试验装置，包括：核心主模块，所述核心主模块分别与老化电源模块、高压电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块、交流加速老化测试模块和参数检测被试模块连接；
所述老化电源模块由0～1500A直流加热大电流源和电流表头串联组成，用于提供单管直流功率循环加速老化试验所需的加热电流；
所述高压电源模块包括0～1500V高压交流大电压源以及斩波电阻，用于提供对拖交流加速老化试验所需的高电压；
所述核心主模块设计成柜体形式，包括斩波二极管、分压续流IGBT模块、充放电继电器模块、单管直流老化试验所需的检测直流小电流源及续流固态继电器、三相母排、电流传感器、电压传感器和电压表头，根据功能的不同设计成三层不同结构，分别为参数检测主回路、控制系统平台和交/直流加速老化主回路拓扑，提供主回路以及控制回路与其他模块连接的各种接口；
所述直流加速老化测试模块中4个IGBT作为双向控制开关，多个待测模块串联在回路中，并且每个待测模块的两端并联一块用于检测IGBT的饱和压降的检测板；
所述交流加速老化测试模块中包含由一组被试模块，两组陪试模块组成的三相桥臂，在三相桥臂的直流侧并联支撑电容器组，在三相桥臂的交流侧采用星形接法接入三个负载电容；
所述参数检测被试模块中串联了两个待测模块。
优选地，所述老化电源模块连接在核心主模块的输入端，直流加速老化测试模块连接在核心主模块的输出端，所述老化电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块组合构成实现单管直流功率循环加速老化试验的试验回路。
优选地，所述高压电源模块连接在核心主模块的输入端，所述交流加速老化测试模块连接在核心主模块的输出端，所述高压电源模块、核心主模块和所述交流加速老化测试模块组合构成实现对拖交流加速老化试验的试验回路。
优选地，所述参数检测被试模块连接在核心主模块的输出端，所述核心主模块和参数检测被试模块组合连接成实现双脉冲参数检测试验的试验回路。
优选地，所述交流加速老化测试模块中的支撑电容器组的电容器采用膜电容器，所述支撑电容器组的电容器标称电压、电容器容量、电容器数量以及电容器连接方式根据功率模块的电压水平进行选取。
优选地，在核心主模块的控制系统平台中设计有不同功能的按钮，不同按钮功能如下：
单管老化按钮：通过控制板将主接触器C-6、预充电接触器C-9和放电继电器C-10都断开，将交流接触器C-7闭合，以实现单管直流功率加速老化的电路配置；
单管老化按钮：通过控制板将交流接触器C-7断开，主接触器C-6、预充电接触器C-9和放电接触器C-10根据试验需求按步骤进行能动，实现对拖交流功率加速老化的电路配置。
优选地，利用所述装置进行双向单管功率加速老化试验时，利用电流传感器测量了正向流过IGBT的电流IG和反向流过续流二极管的ID，经过数据处理得到模块的等效电流Ieq，利用检测板检测IGBT的饱和压降VCES，IGBT芯片的正向饱和压降与结温之间存在着近似视为线性的关系，通过数据拟合找到等效电流与饱和压降之间的关系，推导出结温探测模型，再结合光纤传感器测量了功率模块的壳温TC，提取出热阻抗。优选地，所述装置在进行对拖交流加速老化实验时，根据给定的列车实际运行电机的基波频率曲线，基于VVVF变频调速的原理，通过仿真得出列车运行过程中的牵引电机电压曲线以及负荷电流理论值曲线，根据该曲线值编制电脑程序模拟牵引变流器实际运行工况，控制交流加速老化进程。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例装置将直流功率循环加速老化试验的主功率回路与二拖一交流加速老化试验的主功率回路集成为一个主功率回路，同时两个试验所需的控制部分也将共用，设计成一个二合一模块，大大减小了所需元器件数量，降低了试验成本。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种模块化设计的IGBT模块多模式老化检测试验装置的电路结构图；(a)高压电源模块,(b)老化电流模块,(c)参数检测被试模块，(d)直流加速老化测试模块，(e)交流加速老化测试模块，(f)核心主模块；
图2为本发明实施例提供的一种模块化设计的IGBT模块多模式老化检测试验装置的结构图；
图3为本发明实施例提供的一种直流功率循环老化试验原理图；
图4为本发明实施例提出的一种直流加速老化试验老化策略时序图；
图5为本发明实施例提出的一种导通开关KK1～KK4控制策略时序图；
图6为本发明实施例提出的一种对拖交流加速老化试验电路；
图7为本发明实施例提出的一种单相桥式拓扑简化图；
图8为本发明实施例提出的一种双脉冲测试电路拓扑图；
图9为本发明实施例提出的一种双脉冲试验电路原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供的一种模块化设计的IGBT模块多模式加速老化和参数检测试验装置的电路结构图如图1所示，分为六个模块，包括老化电源模块、高压电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块、交流加速老化测试模块和参数检测被试模块。老化电源模块、高压电源模块、直流加速老化测试模块、交流加速老化测试模块和参数检测被试模块分别与核心主模块连接。
进行直流加速老化试验时，选择老化电源模块、核心主模块以及直流加速老化测试模块进行连接组成直流加速老化试验平台。老化电源模块为试验提供功率大电流，核心主模块提供主回路以及控制回路，直流加速老化测试模块则负责形成双向老化以及参数检测。进行二拖一交流加速老化试验时，选择高压电源模块、核心主模块以及交流加速老化测试模块进行连接。高压电源模块为试验回路提供高电压，核心主模块提供主回路以及控制回路，交流加速老化测试模块则进行器件老化及参数检测。双脉冲试验只需要将核心主模块与参数检测被试模块进行连接，由核心主模块的航插接入AC220V电源提供电压以及主回路与控制回路，参数检测被试模块进行参数检测。其中，老化电源模块为0～1500A直流大电流源；高压电源模块包括0～1500V电压源及斩波电阻；核心主模块由斩波二极管、分压续流IGBT模块、充放电继电器模块、单管直流老化试验所需的检测直流小电流源及续流固态继电器、三相母排、电流传感器、电压传感器、电压表头等组成；直流加速老化测试模块由4个IGBT作为双向回路控制开关、可拓展待测模块、散热板、待测模块VCEsat检测板以及温度传感器组成；交流加速老化测试模块包括支撑电容、负载电感、一个被试桥臂和两个陪试桥臂、散热板、待测模块VCEsat检测板以及温度传感器；参数检测被试模块则是由一个导通IGBT模块、一个待测模块以及散热板和温度传感器组成。
本发明实施例提供的一种模块化设计的IGBT模块多模式加速老化和参数检测试验装置的结构图如图2所示。核心主模块设计成柜体形式，该柜体分为3层，第一层为参数检测试验装置，在柜体中以可抽拉式的结构进行设计，满足可拆卸、独立测试的灵活需求；第二层为控制系统装置，通过适配本装置的控制系统能够满足各种试验功能的控制需求；第三层为主回路拓扑，能够提供各功能模块的接口，满足加速老化以及参数检测的需求。电源模块、交流加速老化测试模块、直流加速老化测试模块以及参数检测被试模块作为子模块分别设计成机架形式，能够与核心主模块独立连接，通过灵活组合以满足不同试验的需求，本发明不做具体叙述，但也在本发明保护范围内。
本发明实施例提供的一种模块化设计的IGBT模块多模式加速老化和参数检测试验装置的工作原理为：核心主模块中的控制系统引入AC220V电源经过滤波后为控制电路供电，通过AC-DC开关电源变换成各元器件所需直流电压等级，同时控制回路上有系统总开关按钮、总关闭按钮、模式按钮以及指示灯，用于指示关键回路是否导通或关断。
本发明所述装置具备的试验功能主要包括单管功率加速老化、二拖一交流加速老化和双脉冲检测试验。下面进行分别说明。
1：单管直流老化：
将老化电源模块中的加热大电流源端口B1与核心主模块中的放电电阻端口C11连接，将老化电源模块中的电流表端口B2与核心主模块中的小电流源端口C14连接，将核心主模块中的外部连接端口C21连接直流加速老化测试模块的待测模块E1，将核心主模块中的外部连接端口C24连接直流加速老化测试模块中的待测模块E2，核心主模块中的空气开关端口C12与二极管端口C13连接，核心主模块中的外部连接端口C22与外部连接端口C23连接。
主功率回路上的主接触器和预充电接触器以及放电继电器会断开闲置，空开闭合使用，此时老化电源模块中的直流大电流源与主功率回路中的直流小电流源一起为DUT(device under test，待测元件)提供大电流使其持续加热升温，待DUT达到目标温度后，驱动板控制分压续流IGBT模块Q1闭合和直流大电流源形成续流回路从而将大电流源与主功率回路断开，冷却DUT到最低温度后，一个循环结束，驱动板控制Q1断开，小电流源重新为回路提供电流，开始下一个循环。
2、二拖一交流加速老化：
高压电源模块中的高压大电压源端口A1/A4、斩波电阻端口A2/A3分别与核心主模块中的放电电阻端口端口C11/小电流源端口14、空气开关端口C12/二极管端口13连接，然后核心主模块中的端口C21/24连接交流加速老化测试模块中的端口F11/12；交流加速老化测试模块中的端口F21/22/23分别和三相母排的D11/12/13相连，三相母排的D21/22/23分别和交流加速老化测试模块中的端口M11/12/13相连，端口M21/22/23则短路连接。主功率回路上的空开会断开闲置，主接触器和预充电接触器、预充电电阻以及放电继电器、放电电阻投入使用；驱动板将Q1和Q2闭合，预充电接触器闭合为高压电容器充电后断开，闭合主接触器，在控制板的控制下进行加速老化试验，当试验完成后，闭合放电继电器，将母线电容能量通过放电电阻释放并准备下一次测试。
3、双脉冲检测试验：
双脉冲检测部分，核心主模块中的空开端口N1/升压变压器端口N2/不控整流桥端口N3分别与参数检测被试模块中的导通IGBT端口G1/待测IGBT端口G2/普通散热板端口G3相连。引入AC220V交流电源通过变压器升压后经过不控整流桥获得高压直流电，进而对储能电容充电，同时利用充电限流电阻对充电速度进行适当限制；预充电完毕后在控制板的控制下进行双脉冲测试，当测试完成后，通过电脑软件上的放电指令制放电继电器回路，将母线电容能量通过放电电阻释放并准备下一次测试。负载电感能量通过IGBT模块进行释放。
本发明装置还提供了一种基于双向老化电流测试的单管待测模块结温探测模型建立，及热阻抗提取功能。基于本装置进行双向单管功率加速老化试验，利用电流传感器测量了正向流过IGBT的电流IG和反向流过续流二极管的ID，经过数据处理得到模块的等效电流Ieq，利用检测板检测IGBT的饱和压降VCES，IGBT芯片的正向饱和压降与结温之间存在着近似视为线性的关系，通过数据拟合找到等效电流与饱和压降之间的关系，便可推导出结温探测模型，再结合光纤传感器测量了功率模块的壳温TC，可提取出热阻抗。根据本发明所述装置的加速老化装置的结构，功率循环加速老化试验中待测器件的热敏参数检测选择小电流饱和压降法，同时因该方法线性度优越，操作简单，也可用于功率模块的热阻抗网络的提取。
图3为本发明实施例提出的一种直流功率循环老化试验原理图，图3是单独简化出来的直流功率循环老化试验原理图。该电路不同于传统的正向老化测试电路，它选用四个IGBT作为导通开关进行双向电流老化，不仅考虑了IGBT的老化，同时也考虑了FWD(Freewheeling diode，续流二极管)的老化，减少误差，使得试验结论更加符合实际。
采用15V电平加载在四个串联在一起待测模块(模块数量可拓展)上使其一直处于导通状态下。每个待测模块配有一块基于差分采样电路自研的VCE_sat检测板，用于检测IGBT的饱和导通压降VCES，选用型号为PT100的光纤温度传感器用于测量壳温TC，可以避免模块封装打开对测温精度的影响。电流传感器加在待测模块前面，用于测量双向流经IGBT的IG和FWD的ID。
图4为本发明实施例提出的一种直流加速老化试验老化策略时序图，图4是直流加速老化试验中老化策略的时序图。因测试小电流的自热效应可以忽略，在功率循环过程中可以一直开通，持续注入待测模块中，而加热大电流则叠加在小电流上。时间T为一个功率循环周期，一般为几十秒级，其中T又可分为模块通大电流逐渐加热到热平衡状态的加热时间TON和关断大电流后的散热时间TOFF。在一个功率循环的加热时间TON内又可将一次大电流接通和切换为小电流的时间设置为2s，占空比设置为
测量切换小电流后稳定小电流下的饱和压降。由于切换小电流时间过短，在此期间器件温度下降幅度可以忽略。
图5为本发明实施例提出的一种导通开关KK1～KK4控制策略时序图，图5是电路在大电流加热时导通开关KK1～KK4控制策略时序图。考虑到续流二极管(FWD)的老化对器件老化的加速效应，引入加速因子，则开关器件的等效老化电流Ieq与IGBT等效老化电流IG及FWD等效老化电流ID之间关系如下：
IGBT的饱和压降温度特性只与芯片有关，在一定温度范围内，IGBT芯片的正向饱和压降与结温之间存在着近似视为线性的关系如下：
VCES＝VCES0+αTj (2)
其中VCES0、α与开关器件的等效老化电流Ieq的关系如下：
由此可以得到结温Tj的探测模型为
由公式可知，当测出模块的饱和压降VCES和开关器件的等效老化电流Ieq，即可利用提前写入程序中的IGBT芯片的饱和压降与结温之间映射关系反推出IGBT的结温信息Tj。
IGBT模块的热阻可以分为稳态热阻Rth和瞬态热阻抗Zth。提取稳态热阻Rth是在功率循环老化试验过程中每一次循环器件加热到热稳定状态后，电脑程序指令检测板检测小电流下的饱和压降VCES、集电极电流IC以及光纤温度传感器测出来的壳温TC，并根据式(4)反推给出IGBT结温Tj。由此可以推出IGBT模块总的稳态热阻值式(5)。
其中：P为IGBT模块在加热过程中输入的平均功率。
同时，通过每次循环结束后探测的结温可以了解模块老化进程。
IGBT加热过程和散热过程均可以提取瞬态热阻值，考虑到更贴近工况下，本发明所描述的方法选择加热过程中提取瞬态热阻值。在升温过程中，通过电脑设计的程序控制2s内的加热大电流的加载和关断的循环，同时测量小电流下的IGBT饱和压降VCES，以及IGBT的壳温Tc(t)，忽略切换小电流的20ms期间的期间温度下降幅度。利用结温探测模式推出结温Tj(t)，由此可以推出IGBT模块总的瞬态热阻抗式(6)。
将IGBT和FWD整体考虑来表示整个开关器件的老化过程，并以此建立结温探测模型。根据此模型反推的结温信息误差值大大减小，更加快速准确的探测IGBT模块的结温，并且可以提取在升温过程中的瞬态热阻抗，相比降温过程中的瞬态热阻抗而言更加符合实际工况，更加有现实意义。
本发明装置还提供了一种基于VVVF对拖交流加速老化试验电路及控制策略。为了模拟更加符合轨道交通牵引变流器在实际工况运行下情况，本发明所提装置中引入了对拖交流加速老化电路。并根据给定的列车实际运行电机的基波频率曲线，基于VVVF变频调速的原理，通过仿真可以得出列车运行过程中的牵引电机电压曲线以及负荷电流理论值曲线，根据该曲线值编制电脑程序模拟牵引变流器实际运行工况用以控制交流加速老化进程。
图6为本发明实施例提出的一种对拖交流加速老化试验电路，图6是从装置中简化出来的对拖交流加速老化试验电路，该试验电路拓扑可以支撑三相对拖IGBT加速老化、单相对拖IGBT加速老化以及电流型IGBT加速老化等多种对拖老化拓扑图。本发明所述装置下的基于VVVF对对拖IGBT进行的控制策略以单相拓扑进行说明，但本装置支持的其他拓扑控制策略也在本发明保护范围内。
对于模拟实际工况下被试桥臂上的IGBT，为了控制老化进程用户需要控制输入IGBT的等效老化功率，在既定的电压、电流下实现目标功率因数。在试验条件下，可以通过电脑程序设定用户想要的目标功率因数，那么如何获得目标的电压和电流，下面将进行分析。为了更好地说明控制策略，将单相桥式拓扑中的被试桥臂中点电压、陪试桥臂的中点电压以及负载电感简化为如图7。图7为本发明实施例提出的一种单相桥式拓扑简化图，图7中，Uac1为被试桥臂的中点电压，Uac2为陪试桥臂的中点电压，Iac是流经负载电感的电流。可以列出三者的关系：
VVVF交流调速系统下，在达到额定转速前，电压和转速成正比关系，即：
式中，p为电机旋转磁场的极对数。
对于交流牵引系统下的电机来说，由于客流量大小、启停等因素，电机的转速和负荷电流是随着时间而变化的，因此也可以认为负荷电流与转速之间存在着某种映射关系，即：
Iac＝f(n) (10)
式中n为电机转速。根据用户给定的电机型号，通过仿真得到负荷电流与转速之间的曲线关系图。
因此根据给定的列车实际运行电机的基波频率，我们通过式8和式9得到
和/>
的理论值，再由式7可以得到陪试电压源/>
的理论值。在试验中，/>
并不能直接设定产生，需要根据上述分析将/>
和/>
的理论值编入电脑程序中实现在试验时电路上生成我们的想要的/>
和/>
达到控制IGBT老化进程的目的。
基于所述装置下的双脉冲测试电路的IGBT动态电气参数的检测：本发明所述装置用的双脉冲测试电路拓扑如图8所示。航插220V交流电源进线，通过变压器升压后经不控整流桥获得高压直流电，通过空气开关启双脉冲测试装置，并通过DIDO接口驱动预充电接触器闭合，同时利用充电限流电阻对充电速度进行适当限制，电压表头便于直观地观察电容电压，电压传感器则对母线电容电压进行采集后上传控制板进行程序上的判断，到达设定值后即可控制预充电接触器断开，完成预充电。这样的对电容进行预充电的设置能够排除供电线路杂散参数的影响，更加接近实际变流器的工作情况。然后，在控制板的控制下开始进行双脉冲测试，利用示波器保存波形并进行分析，测出IGBT动态电气参数。当测试完成后，导通放电继电器回路，将母线电容能量通过放电电阻释放并准备下一次测试。负载电感能量通过IGBT模块进行释放。
图9为本发明实施例提出的一种双脉冲试验电路原理图，图9是双脉冲试验的电路原理图。上管的二极管和下管是被测对象，利用高压差分探头测量Q2的VGE和VCE电压，用罗氏线圈探头测量Q2的IC电流。上管Q1加载VGE＝-15V，保证上管可靠关断，只有续流二极管起作用。
在试验前，要对双脉冲的两个脉冲宽度进行计算。脉冲时间的计算公式为：
在试验过程中，我们需要重点关注的参数有IGBT开通过程中的有：过大会导致反向恢复电流震荡的二极管的反向恢复电流的di/dt、可以反映二极管芯片是否损坏二极管反向恢复电流峰值、受器件老化影响导致不同温度下VCE电压与集电极电流IC对应关系曲线发生的偏移以及对控制系统设置死区时间有很大影响的IGBT的开通时间；以及IGBT关断过程中的有：可以评估IGBT关断时的安全程度的下管VCE的电压尖峰和验证驱动器关断电阻取值和死区时间是否合理的IGBT关断时间。
本发明中直流功率循环老化试验部分采用双向导通，如此不仅可以探究IGBT对整个开关器件老化情况的加速效应，同时也可以探究续流二极管(FWD)对整个开关器件老化情况的加速效应，使得试验分析结果更加符合功率器件或模块的实际老化轨迹。此外，直流功率循环加速老化试验主要针对单个器件或者模块进行探究，而对于运行在工况下的牵引变流器中功率器件，不管是从变流器结构还是电气环境来说，都与单个器件有所不同，仅用直流功率循环进行加速老化试验，是不足以模拟工况下功率器件实际运行状况的。本发明中引入的二拖一交流模式的对拖加速老化试验，拓扑结构上模拟牵引变流器结构，电气环境模拟牵引变流器在工况下运行的状态，能够从各个方面尽可能还原交流变流器实际老化轨迹，使得模块老化试验结果更加具有实际意义。
综上所述，本发明实施例所述的模块化设计的IGBT模块多模式加速老化和参数检测试验装置，将直流功率循环加速老化试验的主功率回路与二拖一交流加速老化试验的主功率回路集成为一个主功率回路，同时两个试验所需的控制部分也将共用，设计成一个二合一模块，大大减小了所需元器件数量，降低了试验成本。将双脉冲测试电路设计成一个单独的模块，与二合一模块集成到一个可移动通用控制柜中，但同时双脉冲模块又可单独抽离出来，实现装置的可移动化。根据电路各部分功能的不同设计成不同的带有外接端点的模块，根据试验需求将不同模块连接即可，无需重复连接模块内部线路，体现了试验装置的多功能的优点的同时大大减少试验工作量，提高系统的可靠性及试验的成功率。
本发明所述装置中的基于双向老化电流测试的单管待测模块结温探测模型建立及热阻抗提取功能，基于双向老化测试电路将IGBT老化和FWD老化结合起来一起用于评估模块的老化程度，使得模块的老化评估结果更加全面而不是片面化。根据结温与IGBT饱和导通压降和等效老化电流之间的函数关系，建立了结温探测模型，可以实时探测IGBT在升温过程中的结温变化，并基于此可以提取出升温过程中IGBT瞬态热阻抗，比利用小电流饱和压降法在降温过程中提取的瞬态热阻抗更加符合实际工况，更具有现实意义。
本发明所述装置下的基于VVVF的对拖交流试验电路，主功率回路可以支持匹配多种待测对拖拓扑模块，包括三相对拖、单相对拖以及电流型老化，得益于模块化设计，主功率回路与待测对拖模块之间的连接和拆卸操作简单，安全性能高。所述针对该试验电路的控制策略中的基波频率来源于实际交流牵引控制模块对拖的电机频率，基于VVVF得到的电压和电流也更贴近实际运行中的数值，使得IGBT对拖老化进程控制度更高，也更符合实际工况下IGBT的老化过程。
本发明所述的模块化设计的IGBT模块多模式加速老化和参数检测试验平台的电气拓扑及柜体结构。本专利所述装置的电气拓扑能够完成直流功率循环加速老化试验、工况下二拖一交流老化试验以及双脉冲参数检测试验，实现模块化的对IGBT多模式下的加速老化。同时对IGBT导通压降、IGBT集电极电流检测、IGBT动态参数的检测以及对IGBT进行在线结温辨识。
本发明所述的柜体结构将直流功率循环加速老化试验与二拖一交流老化试验的主功率回路、双脉冲参数检测实验主功率回路及控制回路集成在一个通用柜中，同时双脉冲参数检测试验平台，在柜体中以可抽拉式的结构进行设计，满足可拆卸、独立测试的灵活需求，将电源、交流老化、直流老化拓扑作为子模块分别设计成机架形式，能够与主模块独立连接，通过灵活组合以满足不同试验的需求，整个结构体现了其集成化、模块化、装拆便利等多个特点。
本发明所述基于双向老化电流测试的单管待测模块结温探测模型建立及热阻抗提取功能。本专利所建立的结温探测模型，通过所述试验方法结合了IGBT等效老化电流和FWD等效老化电流的模块等效老化电流以及获得IGBT老化过程中的饱和压降，探究结温与IGBT饱和导通压降和集电极电流之间的函数关系所建立的。该模型不止可以探测每次功率循环结束后的结温，得到IGBT稳态热阻值，还可以实时探测升温过程中的结温参数，从而得到更加符合工况的升温瞬态热阻抗。
本发明所述平台中应用的基于VVVF的三相对拖试验电路及控制策略。模块化的主功率回路支持匹配多种桥式逆变器对拖模块，通过探究基于VVVF的交流传感控制系统中基波频率与电压电流之间的关系，从而实现输入IGBT的等效老化功率随随时间变化的程序化，该试验电路及控制策略可以模拟各种实际工况下的逆变器运行模式从而控制IGBT老化进程，使得IGBT在各阶段的老化程度及各种电气参数更加符合实际情况。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述模块化电路拓扑设计以及装置的结构设计仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种模块化设计的绝缘栅双极型晶体管IGBT模块多模式老化检测试验装置，其特征在于，包括：核心主模块，所述核心主模块分别与老化电源模块、高压电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块、交流加速老化测试模块和参数检测被试模块连接；
所述老化电源模块由0～1500A直流加热大电流源和电流表头串联组成，用于提供单管直流功率循环加速老化试验所需的加热电流；
所述高压电源模块包括0～1500V高压交流大电压源以及斩波电阻，用于提供对拖交流加速老化试验所需的高电压；
所述核心主模块设计成柜体形式，包括斩波二极管、分压续流IGBT模块、充放电继电器模块、单管直流老化试验所需的检测直流小电流源及续流固态继电器、三相母排、电流传感器、电压传感器和电压表头，根据功能的不同设计成三层不同结构，分别为参数检测主回路、控制系统平台和交/直流加速老化主回路拓扑，提供主回路以及控制回路与其他模块连接的各种接口；
所述直流加速老化测试模块中4个IGBT作为双向控制开关，多个待测模块串联在回路中，并且每个待测模块的两端并联一块用于检测IGBT的饱和压降的检测板；
所述交流加速老化测试模块中包含由一组被试模块，两组陪试模块组成的三相桥臂，在三相桥臂的直流侧并联支撑电容器组，在三相桥臂的交流侧采用星形接法接入三个负载电容；
所述参数检测被试模块中串联了两个待测模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述老化电源模块连接在核心主模块的输入端，直流加速老化测试模块连接在核心主模块的输出端，所述老化电源模块、核心主模块、直流加速老化测试模块组合构成实现单管直流功率循环加速老化试验的试验回路。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压电源模块连接在核心主模块的输入端，所述交流加速老化测试模块连接在核心主模块的输出端，所述高压电源模块、核心主模块和所述交流加速老化测试模块组合构成实现对拖交流加速老化试验的试验回路。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参数检测被试模块连接在核心主模块的输出端，所述核心主模块和参数检测被试模块组合连接成实现双脉冲参数检测试验的试验回路。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述交流加速老化测试模块中的支撑电容器组的电容器采用膜电容器，所述支撑电容器组的电容器标称电压、电容器容量、电容器数量以及电容器连接方式根据功率模块的电压水平进行选取。
6.根据权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，在核心主模块的控制系统平台中设计有不同功能的按钮，不同按钮功能如下：
单管老化按钮：通过控制板将主接触器C-6、预充电接触器C-9和放电继电器C-10都断开，将交流接触器C-7闭合，以实现单管直流功率加速老化的电路配置；
单管老化按钮：通过控制板将交流接触器C-7断开，主接触器C-6、预充电接触器C-9和放电接触器C-10根据试验需求按步骤进行能动，实现对拖交流功率加速老化的电路配置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，利用所述装置进行双向单管功率加速老化试验时，利用电流传感器测量了正向流过IGBT的电流IG和反向流过续流二极管的ID，经过数据处理得到模块的等效电流Ieq，利用检测板检测IGBT的饱和压降VCES，IGBT芯片的正向饱和压降与结温之间存在着近似视为线性的关系，通过数据拟合找到等效电流与饱和压降之间的关系，推导出结温探测模型，再结合光纤传感器测量了功率模块的壳温TC，提取出热阻抗。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置在进行对拖交流加速老化实验时，根据给定的列车实际运行电机的基波频率曲线，基于VVVF变频调速的原理，通过仿真得出列车运行过程中的牵引电机电压曲线以及负荷电流理论值曲线，根据该曲线值编制电脑程序模拟牵引变流器实际运行工况，控制交流加速老化进程。
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|---|---|---|---|---|
| CN117092477A (zh) * | 2023-08-23 | 2023-11-21 | 杭州高裕电子科技股份有限公司 | 一种用于三电平功率模块的高温反偏老化测试方法 |
| CN118011174A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-05-10 | 睿思微系统(烟台)有限公司 | 一种半导体器件测试装置 |
| CN118130998A (zh) * | 2024-05-08 | 2024-06-04 | 成都恒合控制系统有限公司 | 一种igbt衰减特性测试设备 |
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