本發(fā)明涉及一種高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺及測試方法，尤其是是一種能覆蓋全范圍IGBT等級的測試系統(tǒng)，屬于電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電力電子技術(shù)是以電力電子器件為基礎(chǔ)，電力電子器件決定電力電子設(shè)備的應(yīng)用水平，以柔性直流輸電、光伏并網(wǎng)等電力系統(tǒng)方面的大功率電力電子變流技術(shù)越來越深受歡迎，但卻受限于電力電子器件的發(fā)展。而絕緣柵雙極型晶體管IGBT屬于電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，且主要應(yīng)用于電能變換和電能控制，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了二極管、晶閘管、三極管、IGBT等階段。

在功率晶體管領(lǐng)域中IGBT以較快的速度進(jìn)行發(fā)展，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型效應(yīng)管)構(gòu)成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式的半導(dǎo)體器件，而GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度大。而IGBT綜合了兩款器件的優(yōu)點(diǎn)：既兼容MOSFET的高輸入阻抗，又具有GTR的低導(dǎo)通壓降，同時驅(qū)動功率小，飽和壓降低，其頻率特性在MOSFET和GTR之間，正常工作頻率在幾十KHz，因此正是其這些優(yōu)點(diǎn)使得其在大中功率設(shè)備的應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

IGBT在大功率測試設(shè)備和應(yīng)用設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，比如：電焊機(jī)、中高壓變頻器、光伏并網(wǎng)逆變器、有源電力濾波器、無功補(bǔ)償裝置、柔性高壓直流輸電。

目前一些測試設(shè)備能夠進(jìn)行IGBT模塊的靜態(tài)特性測試，進(jìn)而能為IGBT模塊的選型和使用提供一定的依據(jù)；但是在電壓型電能變換的裝置中，IGBT的開關(guān)特性對整個變流器其至關(guān)重要的作用，IGBT的動態(tài)性能參數(shù)決定了開關(guān)損耗，而開關(guān)損耗又制約高頻變換器的頻率和工作效率，IGBT周期性的開通和關(guān)斷會產(chǎn)生一定的電磁干擾，而通斷過程中過大的du/dt和di/dt會引起電壓和電流的尖峰；因此設(shè)計合理又安全可靠的高壓大電流IGBT動態(tài)測試平臺對于IGBT開關(guān)特性的測試是十分重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的IGBT動態(tài)測試過程中測試8個動態(tài)參數(shù)耗時太長，且測試過程中無欠壓、過壓、過流等故障保護(hù)的不足，提供一種高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺及測試方法，能覆蓋全范圍IGBT等級的測試。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺，其特征是，包括：

上位機(jī)，所述上位機(jī)通過Labview進(jìn)行測試條件設(shè)置和測試數(shù)據(jù)的處理、保存；

DSP控制系統(tǒng)，所述DSP控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)雙脈沖發(fā)送、母線電壓和I_c電流的采樣、以及控制系統(tǒng)故障的軟硬件保護(hù)及控制系統(tǒng)放電；

電源模塊，所述電源模塊與DSP控制系統(tǒng)連接，提供直流電源V_cc；

示波器，所述示波器與上位機(jī)連接，示波器通過探頭采集測試電路的時序波形，并將測試波形上傳至上位機(jī)；

A/D采樣電路，所述A/D采樣電路和DSP控制系統(tǒng)連接，A/D采樣電路用于母線電壓Ucc、Vce、Vge、Ic的采樣；

故障保護(hù)電路，所述故障保護(hù)電路與DSP控制系統(tǒng)連接；

以及外圍輔助電路，所述外圍輔助電路包括驅(qū)動電路和放電回路。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動電路提供驅(qū)動電流，具有驅(qū)動電阻和驅(qū)動電壓可調(diào)功能，以及具有電氣隔離和過流、過壓保護(hù)功能。

進(jìn)一步的，所述放電回路為測試電路的母線電容進(jìn)行放電。

進(jìn)一步的，所述測試電路中母線電容選擇并聯(lián)型的薄膜電容作為DC-link的電容器。

所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試方法，其特征是，主要基于labview和DSP控制系統(tǒng)的上下位機(jī)通信，主要過程為：

(1)上位機(jī)通過Labview界面設(shè)置測試參數(shù)，經(jīng)通信線控制程控電壓源、示波器和發(fā)送測試條件給DSP控制系統(tǒng)；

(2)借助于DSP控制系統(tǒng)完成母線電容的充電至設(shè)定的電壓值后自動斷開充電，并在Labview界面提示充電停止，啟動測試；

(3)上位機(jī)labview顯示讀取的示波器數(shù)據(jù)和動態(tài)測試參數(shù)，并自動保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中上位機(jī)通過Labview界面設(shè)置柵極電壓、驅(qū)動電阻、母線電壓、測試電流參數(shù)，根據(jù)完成脈沖寬度的設(shè)置。

進(jìn)一步的，啟動測試之前，由DSP控制系統(tǒng)采樣V_cc、I_c、V_ce、V_ge，并判斷是否存在欠壓、過壓、過流故障，若出現(xiàn)故障則切斷是開啟放電回路。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中動態(tài)測試參數(shù)為電流上升時間t_r，開通時間t_on，開通電流峰值I_peak，開通損耗E_on，電流下降時間t_f，關(guān)斷時間峰值V_peak，關(guān)斷損耗E_off，反向恢復(fù)損耗E_rr。

進(jìn)一步的，當(dāng)測試完成時啟動放電回路。

進(jìn)一步的，在啟動放電回路時，判斷母線電壓是否低于36V，是，則停止放電；否，則繼續(xù)放電。

本發(fā)明具有以下性能：

(1)DSP與上位機(jī)Labview通過RS232串口實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信和控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置；

(2)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)故障信號的軟件保護(hù)和故障信號反饋；

(3)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)AD采樣電路中母線電壓Ucc、Vce、Vge、Ic等回路的采樣；

(4)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)故障放電和正常測試完畢系統(tǒng)放電。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺的框圖。

圖2為本發(fā)明所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺的硬件控制框圖。

圖3為測試電路示意圖。

圖4為測試時序波形圖。

圖5為控制流程圖。

圖6為放電流程圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試平臺包括上位機(jī)1、DSP控制系統(tǒng)2、電源模塊3、示波器4、A/D采樣電路5、故障保護(hù)電路6、仿真器7、晶振8和外圍輔助電路9。

所述上位機(jī)1通過仿真器7將控制程序?qū)隓SP控制系統(tǒng)2中，上位機(jī)1通過Labview進(jìn)行測試條件設(shè)置和測試數(shù)據(jù)的處理、保存以及基于DSP控制系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)等；所述DSP控制系統(tǒng)2的主要功能為實(shí)現(xiàn)雙脈沖發(fā)送、母線電壓和I_c電流等的采樣、以及控制系統(tǒng)故障情況下軟硬件的保護(hù)及控制系統(tǒng)放電。所述上位機(jī)1通過RS232串口連接DSP控制系統(tǒng)2，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信和DSP控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。所述DSP控制系統(tǒng)2與A/D采樣電路5和故障保護(hù)電路6連接。所述A/D采樣電路5用于母線電壓Ucc、Vce、Vge、Ic等回路的采樣。

所述電源模塊3帶有GPIB口，電源模塊3通過GPIB口與DSP控制系統(tǒng)2連接，借助于DSP控制系統(tǒng)2向測試電路提供直流電源V_cc，完成母線電容C的充電和驅(qū)動電阻R_g的設(shè)定等。

所述示波器4通過探頭用于采集測試電路的時序波形，并通過USB通信連接至上位機(jī)1，將測試波形上傳，上位機(jī)1可以對示波器4進(jìn)行設(shè)置指令。

所述外圍輔助電路9包括用于給控制系統(tǒng)的外圍輔助設(shè)備提供電壓的電路、驅(qū)動電路和放電回路。

所述驅(qū)動電路提供驅(qū)動電流，并且具有驅(qū)動電阻和驅(qū)動電壓可調(diào)等功能，以及具有足夠的電氣隔離和過流、過壓保護(hù)等能力。市場上的IGBT驅(qū)動模塊都集成了欠壓保護(hù)功能，但驅(qū)動電壓無法調(diào)整，因此選擇只具有驅(qū)動能力的單片驅(qū)動芯片，并通過繼電器將不同的電阻接入電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電壓的切換。

所述放電回路為母線電容進(jìn)行放電，保護(hù)設(shè)備和測試人同安全。具體體現(xiàn)：通過變壓器改變匝比的方式可方便得到任意等級的交流電壓，經(jīng)整流后得到直流電壓。同時放電回路中電阻通過繼電器并聯(lián)于電容器，電阻使用水泥電阻進(jìn)行母線電容放電。

如圖3所示，測試電路中母線電容C為IGBT的動態(tài)測試提供能量存儲，選擇并聯(lián)型的薄膜電容作為DC-link的電容器。

所述電感線圈L為IGBT進(jìn)行動態(tài)測試提供負(fù)載。在選擇空芯繞組的電感時還需考慮母線電容與電感是否可能發(fā)生諧振，同時還必須嚴(yán)格注意層間絕緣和匝間絕緣，對于高壓測試情況下可考慮選擇串聯(lián)電感的方式減小電感耐壓的等級。

由于大功率器件的開關(guān)特性與測試電路寄生電感有密切關(guān)系，通過獲取準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)以反映器件自身的開關(guān)特性，同時保證開關(guān)器件的安全可靠工作，因此測試電路中的寄生電感必須非常小。所以選擇疊層母排作為測試電路的功率主回路，且疊層母線結(jié)構(gòu)可以大大增加母線的電容效應(yīng)，且減小回路等效電感，此外需注意針對不同的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的疊層母排結(jié)構(gòu)。疊層母排采用多層結(jié)構(gòu)的疊層母排。

本發(fā)明所述高壓大電流IGBT的動態(tài)測試方法，主要基于labview和DSP的上下位機(jī)通信，主要過程為：

(1)上位機(jī)通過Labview平臺發(fā)送測試參數(shù)，經(jīng)通信線控制程控電壓源、示波器和發(fā)送測試條件給DSP控制系統(tǒng)；

(2)實(shí)現(xiàn)程控電源輸出電壓可調(diào)、示波器可設(shè)置和labview可自動讀取示波器波形；

(3)基于DSP控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的欠壓、過壓、過流等軟硬件故障保護(hù)，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障立刻切斷電源并開啟放電回路，在確保系統(tǒng)正常測試的同時，也嚴(yán)格確保測試設(shè)備的安全和測試人員的安全；

(4)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)labview顯示讀取的示波器數(shù)據(jù)和8個動態(tài)測試參數(shù)，并記錄成Excel表格形式保存，以便后期分析和總結(jié)。

具體地：

(1)上位機(jī)通過Labview界面設(shè)置柵極電壓、驅(qū)動電阻、母線電壓、測試電流等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)完成脈沖寬度的設(shè)置；

(2)將設(shè)置的參數(shù)經(jīng)通信線發(fā)送指令給相關(guān)設(shè)備(如電源模塊、示波器、DSP控制系統(tǒng)等)，借助于DSP控制系統(tǒng)完成母線電容C的充電至設(shè)定的電壓值后自動斷開充電，并在此界面上通過指示燈提示充電停止，點(diǎn)擊界面上的啟動測試按鈕進(jìn)行測試；

(3)系統(tǒng)自動記錄測試次數(shù)和測試時間，同時通過USB通信自動讀取示波器中各個通道的波形數(shù)據(jù)，并自動保存成excel表格，以方便后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理；同時經(jīng)Labview后臺經(jīng)程序處理得到動態(tài)測試的8個參數(shù)(電流上升時間t_r，開通時間t_on，開通電流峰值I_peak，開通損耗E_on，電流下降時間t_f，關(guān)斷時間峰值V_peak，關(guān)斷損耗E_off，反向恢復(fù)損耗E_rr)，并在Labview界面上顯示出來同時自動保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明所述高壓大電流IGBT動態(tài)測試平臺測試后由圖4可知，控制時序中第一個脈沖用來建立測試電流，第一個脈沖的關(guān)斷時刻用于測試IGBT模塊的關(guān)斷特性，第二個脈沖開始時刻用于測試IGBT模塊的開通特性。其具體的工作原理如下所示：

(1)、0～t₁：t＝0時刻，被測IGBT開通，母線通過IGBT給負(fù)載電感充電，流過電感的電流I_Load線性上升，直至t₁時刻電感電流I_L上升到指定測試值I₁；

(2)、t₁～t₂：t₁時刻，關(guān)斷被測IGBT，可捕獲IGBT關(guān)斷電壓、電流等關(guān)斷參數(shù)波形，電感電流I_L通過上管二極管D續(xù)流繼續(xù)導(dǎo)通，直到t₂時刻再次被導(dǎo)通；

(3)、t₂-t₃：t₂時刻，IGBT再次導(dǎo)通，通過示波器可觀測IGBT開通電壓、電流等開通參數(shù)波形，如果負(fù)載電感的值足夠大，則可認(rèn)為IGBT在t₂時刻的開通電流I₂等于t₁時刻的關(guān)斷電流值I₁；此外該階段，流過負(fù)載的電流I_L將繼續(xù)上升，直到t₃時刻，此時電流值為I₃；

(4)、t₃以后：t₃時刻IGBT再次被關(guān)斷，流過電感的電流I_L經(jīng)上管二極管繼續(xù)進(jìn)行續(xù)流導(dǎo)通，直到電流值下降至零，則以上為一個雙脈沖的測試周期。

在額定或高于直流電壓的情況下，被測IGBT2經(jīng)受開通-關(guān)斷-開通-關(guān)斷峰值電流的測試過程后，如果整個測試過程中IGBT模塊完好無損，則測試電路斷電。

如圖6所示，當(dāng)發(fā)生故障時啟動放電回路或者當(dāng)測試完成時啟動放電程序。判斷母線電壓是否低于36V，是，則停止放電；否，則繼續(xù)放電。