CN217213005U - 一种半导体短路保护器的测试系统及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体短路保护器的测试系统及装置，其测试系统包括回路测试模块和信号捕捉模块；回路测试模块包括断路器、负载、可调电容器、接触器和短路控制器；负载连接保护器后形成试验回路；在保护器的试验回路上设有断路器，用于控制保护器所在试验回路的导通/断开状态；可调电容器连接在保护器的强电输入侧；保护器的火线端连接有接触器，接触器与短路控制器相连；信号捕捉模块包括探头设备以及与探头设备相连的示波器，用于测试保护器所在试验回路的电流电压信号。本实用新型可实现对半导体短路保护器的短路保护功能进行测试，有效提升测试验证的准确性，有效节省半导体短路保护器产品开发调试时间。

Description

一种半导体短路保护器的测试系统及装置

技术领域

本实用新型涉及短路保护测试技术领域，尤其涉及一种半导体短路保护器的测试系统及装置。

背景技术

现阶段，以N型超结MOSFET为主要功率开关部件的半导体短路保护器，其一般具有短路保护、过流保护、漏电保护等功能，最大的特点是线路发生短路时能够在150微秒内关断输出，功率开关由于是MOSFET组成而不会在关断 /接通时产生电弧，连短路发生点也达到不产生明显电弧的效果，但该类产品最主要的、最难调试、最难验证的是其短路保护功能，其原因如下：

1)这是一种新技术，设计技术还没有普及；2)涉及强电大电流，且保护动作过程中电流、电压都在高频变化，危险程度增加；3)调试过程中极易烧坏击穿大功率MOSFET，使调试进程易中断，通常又是较长的调试过程，且需要较独立的电力供应环境；4)难以测试验证，测试需要感性、容性、阻性多种真实的大功率负载，且需要较独立的电力供应环境；5)需要较多的传统高速测量仪器、设备辅助调试，使研发投入成本大幅增加，调试难度大。

目前市场上没有专用于交流电力线路使用的半导体短路保护器开发/测试的设备或工具套装，也没有可依据的针对短路保护测试环境搭建方面的技术参考文献。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种半导体短路保护器的测试系统，可实现对半导体短路保护器的短路保护功能进行测试，有效提升测试验证的准确性，有效节省半导体短路保护器产品开发调试时间。

本实用新型的目的之二在于提供一种半导体短路保护器的测试装置。

本实用新型的目的之一采用如下技术方案实现：

一种半导体短路保护器的测试系统，包括回路测试模块和信号捕捉模块；

所述回路测试模块包括断路器、负载、可调电容器、接触器和短路控制器；所述负载连接保护器后形成试验回路；在保护器的试验回路上设有所述断路器，用于控制保护器所在试验回路的导通/断开状态；所述可调电容器连接在保护器的强电输入侧；保护器的火线端连接有所述接触器，所述接触器与所述短路控制器相连；

所述信号捕捉模块包括探头设备以及与所述探头设备相连的示波器，用于测试保护器所在试验回路的电流电压信号。

进一步地，所述负载包括可调电阻负载和电感负载。

进一步地，所述断路器包括第一断路器、第二断路器、第三断路器以及第四断路器，所述第一断路器与试验回路的交流电源相连，用于控制交流电源的开关状态；所述第二断路器与保护器相连，用于控制试验回路的导通/断开状态；所述第三断路器与所述可调电阻负载相连，用于接通或切断所述可调电阻负载与保护器之间的连接；所述第四断路器与所述电感负载相连，用于接通或切断所述电感负载与保护器之间的连接。

进一步地，所述接触器包括第一接触器和第二接触器，所述第一接触器与保护器的火线输入端连接，用于控制保护器的火线输入接通与关断；保护器的火线输出端经所述第二接触器与零线连接。

进一步地，所述探头设备包括连接在保护器所在试验回路上的电流探头、隔离高压探头和电压探头；所述电流探头用于捕获交流电流信号或随机发生短路时的瞬时电流信号；所述隔离高压探头用于检测保护器火线的输入与输出之间的电压信号；所述电压探头用于捕获保护器中MOS管的栅极信号。

进一步地，所述电流探头包括电流电压转换单元和窗口比较器单元，所述电流电压转换单元的输出端分别连接示波器的输入通道以及连接所述窗口比较器单元的输入端，用于将受测交流线路的电流隔离转换为电压信号；所述窗口比较器单元用于将所述电流电压转换单元的输出量与预设的参考电压进行比较，且所述窗口比较器单元的输出端连接示波器的另一输入通道。

进一步地，所述短路控制器包括电源电路、MCU电路以及继电器电路，所述电源电路为所述短路控制器提供电源；所述MCU电路与所述继电器电路对所述接触器的线圈进行供电控制。

进一步地，所述短路控制器还包括串口通信电路，所述MCU电路通过所述串口通信电路与终端相连，用于接收并执行所述终端发送的控制指令。

本实用新型的目的之二采用如下技术方案实现：

一种半导体短路保护器的测试装置，包含如上述的半导体短路保护器的测试系统。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型利用回路测试模块的断路器、接触器以及短路控制器等元件对半导体短路保护器的开发调试过程中进行导通/开断控制，同时通过信号捕捉模块对调试过程中的电流电压信号进行监控，从而降低短路保护功能开发调试过程中存在的危险性，降低开发调试过程中烧坏击穿MOSFET的概率，降低对开发调试环境独立性的要求，降低测试或分析操作过程所需的人工干预，有效节约试验平台或系统的成本，有效提升测试验证的准确性，有效节省半导体短路保护器产品开发调试时间。

附图说明

图1为本实用新型回路测试模块的电路图；

图2为本实用新型调试短路保护功能阶段的测试电路图之一；

图3为本实用新型调试短路保护功能阶段的测试电路图之二；

图4为本实用新型短路测试程控逻辑图；

图5为本实用新型先短路后上电测试程控逻辑图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

本实施例提供一种半导体短路保护器的测试系统，该测试系统主要包括两大部分，一是回路测试模块，用于对半导体短路保护器进行测试；二是信号捕捉模块，实现测量回路测试模块中的关键点的信号，捕获状态或数据，以指导开发和调试的进行。

如图1所示，所述回路测试模块包括断路器、负载、可调电容器、接触器和短路控制器；所述负载连接保护器后形成试验回路；在保护器的试验回路上设有所述断路器，用于控制保护器所在试验回路的导通/断开状态；所述可调电容器连接在保护器的强电输入侧，用于模仿半导体短路保护器强电输入侧存在不同的容性设备的情况；保护器的火线端连接有所述接触器，所述接触器与所述短路控制器相连。

具体地，所述负载包括可调电阻负载和电感负载，所述可调电阻负载作为带负载短路测试之负载(如附图2)或者在开发调试阶段串联在短路回路中作限流用途(如附图3)。所述电感负载作为带负载短路测试之负载(如附图2)，通常与所述可调电阻负载搭配形成0.5L功率因数特征的负载。

本实施例中所述断路器则包括第一断路器、第二断路器、第三断路器以及第四断路器，所述第一断路器与试验回路的交流电源相连，用于作为交流电源总开关，用于控制电源的开关状态，也起到保护整个回路测试模块的线路的作用；所述第二断路器与保护器相连，用于控制试验回路的导通/断开状态，在测试过程中必要时切断短路试验回路，也可以起到保护短路试验回路线路的作用；所述第三断路器与所述可调电阻负载相连，用于接通或切断所述可调电阻负载与保护器之间的连接；所述第四断路器与所述电感负载相连，用于接通或切断所述电感负载与保护器之间的连接。

本实施例的所述接触器包括第一接触器和第二接触器，所述第一接触器与保护器的火线输入端连接，且所述第一接触器与所述短路控制器相连，受短路控制器的控制，以实现程控半导体短路保护器的火线输入接通与关断；所述第二接触器同样与所述短路控制器相连，受短路控制器的控制，以实现短路试验所需的半导体短路保护器火线输出与零线短路。

本实施例所述短路控制器实现短路试验控制逻辑的主控部件，配合第一接触器、第二接触器达到控制被测品(半导体短路保护器)的供电与其输出侧发生短路的作用。所述短路控制器包括电源电路、MCU电路、继电器电路以及串口通信电路，所述电源电路为所述短路控制器提供电源；所述MCU电路与所述继电器电路共同对第一接触器和第二接触器的线圈进行供电控制，从而实现分别控制两个接触器的主触头的接通与断开；所述MCU电路通过所述串口通信电路与终端相连，通过终端上的应用软件对接触器的程控行为进行定义和控制，具体包括：通过终端发送的指令分别控制第一接触器和第二接触器的主触头闭合与分断时间；同时，可通过终端发送的指令调整执行短路测试的循环次数。

其中，短路测试的程控模式有两种：1)被测品(半导体短路保护器)上电后的短路测试；2)被测品(半导体短路保护器)强电输出侧先短路后上电测试。上电后的短路测试程控逻辑如附图4所示，图4中高电平为接触器主触头闭合，低电平为主触头关断，可见MCU电路先关断两个接触器的主触头运行一小段时间，然后控制第一接触器的主触头闭合(即为被测品上电)，再经过一段时间后控制第二接触器的主触头闭合(即进行短路试验，闭合的时间通常是1秒)，然后控制两个接触器的主触头都关断，如此循环测试，附图4中两个接触器主触头的各阶段时长可根据被测品的器件承受能力或其他通用试验规范进行调整。

而先短路后上电测试程控逻辑如附图5所示，图5中高电平为接触器主触头闭合，低电平为主触头关断，可见MCU电路先关断两个接触器的主触头运行一小段时间，然后控制第二接触器的主触头闭合(即半导体短路保护器的火线输出与零线短路)，再经过一段时间后控制第一接触器的主触头闭合(即为被测品上电)，闭合后保持的时间应足够半导体短路保护器上电后运行至触发短路保护且发出警报，随后控制两个接触器的主触头都关断，如此循环测试，附图5 中两个接触器主触头的各阶段时长可根据被测品的器件承受能力或其他通用试验规范进行调整。

本实施例的所述信号捕捉模块包括探头设备以及与所述探头设备相连的示波器，用于测试保护器所在试验回路的电流电压信号。其中，所述探头设备包括连接在保护器所在试验回路上的电流探头、隔离高压探头和电压探头；

如附图2所示，所述电流探头是专为测试系统开发的电流探头，配合示波器使用，适用于常规交流电流信号的捕获，也可以捕获随机发生在正/负半周的突发性瞬时大电流信号(例如随机发生的短路)。所述隔离高压探头配合示波器使用，捕获半导体短路保护器火线的输入与输出之间的电压信号；所述电压探头，配合示波器使用，捕获半导体短路保护器中大功率MOSFET的栅极信号。而所述示波器则通过图形化显示展示以上各个探头捕获的数据，便于查看分析，指导开发调试。

本实施例中所述电流探头除了内供电电源之外还有两个主要功能部份，一是电流电压转换单元，二是窗口比较器单元，具体为可调窗口比较器单元。

所述电流电压转换单元负责将受测交流线路的电流隔离转换为电压信号，采用霍尔效应原理，加上低噪声高倍数高速率运算放大电路、偏置电路、补偿电路，可以得到具有一定驱动力的与受测线路电流值成正比的直流电压。该部份功能可直接使用类似于ALLEGRO品牌的双向霍尔电流传感器达成，例如 ACS772ECB-200B。如附图2所示，该部份的输出量Vhall(对应电流的电压信号)分别连接到两个地方，其一是通过屏蔽线缆连接示波器的输入通道(如附图2中的示波器输入通道1)，其二是连接可调窗口比较器部份的输入端。

可调窗口比较器单元，用于将电流-电压转换部分的输出量(对应电流的电压信号)与两个参考电压进行比较，其中Vref_H表示与受侧交流电流正半周具有正比关系的电压值，另外Vref_L表示与受侧交流电流负半周具有正比关系的电压值，Vref_H与Vref_L可通过一个精密电位器进行同步调节。如附图2所示，若Vref_H表示受测电流+10A对应的电压值，则Vref_L表示受测电流-10A对应的电压值。两个高速比较器应具有等同或高于电流-电压转换部份电路的响应速率。在实际测量时，不管Vhall高于Vref_H还是Vhall低于Vref_L都将使得 OC_INT迅速变为低电平；若Vhall处于Vref_H与Vref_L阈值窗范围内，则 OC_INT变为高电平。可调窗口比较器部份的输出量OC_INT逻辑电平通过屏蔽线缆连接示波器的输入通道(如附图2中的示波器输入通道2)，作为检测到受测交流线路有超额电流的触发信号，触发示波器进行捕获该时刻的受测线路电流波形，甚至同时捕获其他与线路电流相关联的信号波形。

基于上述测试系统结构，本测试系统包括至少五种使用模式，1)初期开发调试测试模式；2)无负载开发测试模式；3)阻性负载开发测试模式；4)复合负载开发测试模式；5)量产测试模式。在各个使用模式下，短路控制器的程控模式都可以配置为两种的其中之一，但着重的方向一般是以上电后的短路测试为主。以下对测试系统的5种使用模式逐个进行其中的重要区别说明。

初期开发调试测试模式，该模式适合半导体短路保护器在初步调试短路保护功能阶段的测试，可有效降低调试危险性及烧坏大功率MOSFET的概率，连线图如附图3，重点1是第二接触器的主触头连接方式，目的是把可调电阻负载串联到短路回路中，达到限流的目的；重点2是电流探头的可调窗口比较器阈值应设置在较低电流值，以便短路回路受限流后依旧能触发；重点3是受测品 (半导体短路保护器)的短路保护动作阈值应该不大于短路回路受限流后的最大瞬时电流值；重点4是试验过程中第四断路器应始终保持切断状态，否则短路回路限流的效果不好确定。

无负载开发测试模式，该模式适合对已通过了初期开发调试测试模式试验的受测品进行测试，该模式的测试过程中若烧坏击穿大功率MOSFET将导致电力线路断路器跳闸，应在具有独立线路的场地进行，以免影响同一电力线路上的其他用电器正常工作。连线图如附图2，重点1是受测品(半导体短路保护器) 的短路保护动作阈值应该阶段逐渐提升至应有的正常值；重点2是该阶段随着短路保护功能趋于稳定，可调电容器的电容值应逐步提升至最大值。测试过程中，第三断路器、第四断路器应始终保持切断状态。

阻性负载开发测试模式，该模式适合对已通过了无负载开发测试模式试验的受测品进行测试，该模式的测试过程中若烧坏击穿大功率MOSFET将导致电力线路断路器跳闸，应在具有独立线路的场地进行，以免影响同一电力线路上的其他用电器正常工作。连线图如附图2，该模式意为对半导体短路保护器在带中度阻性负载时的短路保护性能进行试验，试验时可调电容器的电容值调至最大值。测试过程中，第四断路器应始终保持切断状态。

复合负载开发测试模式，该模式适合对已通过了阻性负载开发测试模式试验的受测品进行测试，该模式的测试过程中若烧坏击穿大功率MOSFET将导致电力线路断路器跳闸，应在具有独立线路的场地进行，以免影响同一电力线路上的其他用电器正常工作。连线图如附图2，该模式意为对半导体短路保护器在带中度阻性与感性共存的复合负载时的短路保护性能进行试验，试验时可调电容器的电容值调至最大值。测试过程中，第三断路器、第四断路器应同时处于闭合，并且通常可调电阻负载与电感负载形成0.5L的功率因数特征的复合负载。

量产测试模式，如附图1，该模式等同于复合负载开发测试模式的简化，即去除了所有测试系统中测量分析部份的部件，一般用于量产时抽检测试，对产品的短路保护功能作基础的性能判断。该模式在产品开发阶段也可以用于短路保护动作寿命次数的初级评估测试。

采用上述五种测试模式对半导体短路保护器进行测试，填补了半导体短路保护器之短路保护功能开发测量分析方面技术的空白，降低短路保护功能开发调试过程中存在的危险性，降低开发调试过程中烧坏击穿MOSFET的概率，降低对开发调试环境独立性的要求，降低测试或分析操作过程所需的人工干预，有效节约试验平台或系统的成本，有效提升测试验证的准确性，有效节省半导体短路保护器产品开发调试时间。

实施例二

一种半导体短路保护器的测试装置，包含如实施例一所述的半导体短路保护器的测试系统。本实施例中的装置与前述实施例中的系统是基于同一实用新型构思下的两个方面，在前面已经对系统实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的装置的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，包括回路测试模块和信号捕捉模块；

所述回路测试模块包括断路器、负载、可调电容器、接触器和短路控制器；所述负载连接保护器后形成试验回路；在保护器的试验回路上设有所述断路器，用于控制保护器所在试验回路的导通/断开状态；所述可调电容器连接在保护器的强电输入侧；保护器的火线端连接有所述接触器，所述接触器与所述短路控制器相连；

所述信号捕捉模块包括探头设备以及与所述探头设备相连的示波器，用于测试保护器所在试验回路的电流电压信号。

2.根据权利要求1所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述负载包括可调电阻负载和电感负载。

3.根据权利要求2所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述断路器包括第一断路器、第二断路器、第三断路器以及第四断路器，所述第一断路器与试验回路的交流电源相连，用于控制交流电源的开关状态；所述第二断路器与保护器相连，用于控制试验回路的导通/断开状态；所述第三断路器与所述可调电阻负载相连，用于接通或切断所述可调电阻负载与保护器之间的连接；所述第四断路器与所述电感负载相连，用于接通或切断所述电感负载与保护器之间的连接。

4.根据权利要求2所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述接触器包括第一接触器和第二接触器，所述第一接触器与保护器的火线输入端连接，用于控制保护器的火线输入接通与关断；保护器的火线输出端经所述第二接触器与零线连接。

5.根据权利要求1所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述探头设备包括连接在保护器所在试验回路上的电流探头、隔离高压探头和电压探头；所述电流探头用于捕获交流电流信号或随机发生短路时的瞬时电流信号；所述隔离高压探头用于检测保护器火线的输入与输出之间的电压信号；所述电压探头用于捕获保护器中MOS管的栅极信号。

6.根据权利要求5所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述电流探头包括电流电压转换单元和窗口比较器单元，所述电流电压转换单元的输出端分别连接示波器的输入通道以及连接所述窗口比较器单元的输入端，用于将受测交流线路的电流隔离转换为电压信号；所述窗口比较器单元用于将所述电流电压转换单元的输出量与预设的参考电压进行比较，且所述窗口比较器单元的输出端连接示波器的另一输入通道。

7.根据权利要求5所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述短路控制器包括电源电路、MCU电路以及继电器电路，所述电源电路为所述短路控制器提供电源；所述MCU电路与所述继电器电路对所述接触器的线圈进行供电控制。

8.根据权利要求7所述的半导体短路保护器的测试系统，其特征在于，所述短路控制器还包括串口通信电路，所述MCU电路通过所述串口通信电路与终端相连，用于接收并执行所述终端发送的控制指令。

9.一种半导体短路保护器的测试装置，其特征在于，包含如权利要求1～8任意一项所述的半导体短路保护器的测试系统。

Images