CN108152697A - Igbt模块功率循环老化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT模块功率循环老化试验装置及方法，包括主电路模块、风冷散热模块、数据采集模块以及控制电路模块；主电路模块包括IGBT模块、IGBT模块驱动电路和开关；风冷散热模块包括散热器和风机；数据采集模块包括温度传感器，温度传感器固定于IGBT模块下方；控制电路模块包括主控制器、IGBT模块驱动电路的控制端、开关电路的控制端、风机的控制端，数据采集电路和上位机操作/显示电路，均与主控制器相连接。本发明结构合理、实用性强，能有效解决IGBT模块可靠性考核中面临的数据存储量大、存储速度慢及可靠、高效、全自动难题，尤其适用于批量IGBT模块的可靠性考核。

Description

IGBT模块功率循环老化试验装置及方法

技术领域

本发明涉及IGBT模块，尤其是一种IGBT模块功率循环老化试验装置及方法，属于半导体器件可靠性考核的技术领域。

背景技术

IGBT模块的使用寿命一般在20年以上，如果在现场应力条件下来考察IGBT模块的可靠性就显得不太现实，因此，在如今的学术界和工业界，一般都会通过功率循环加速老化试验来加速IGBT模块的老化进程，从而在较短的时间内就能明确IGBT模块的失效机理，并用于后续IGBT模块的状态监测、故障诊断及寿命预测等可靠性方面的研究。

绝缘栅双极型晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)集MOSFET和GTR的优点于一身，是目前功率变流装置中应用最为广泛的电力电子器件。随着感应加热、工业变频、逆变焊机、智能电网、轨道交通、电动汽车等新老行业的不断发展和革新，对其核心器件IGBT的可靠性要求也越来越高。而据业界长期以来调查、统计的大量数据来看，功率器件在整个功率变流***中的失效率一直都居于首位。因此，找到一种有效、实用的功率器件可靠性的考核方法对于提高功率变流装置的可靠性具有现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种IGBT模块功率循环老化试验装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种IGBT模块功率循环老化试验装置，包括主电路模块、风冷散热模块、数据采集模块以及控制电路模块；

主电路模块包括组成电路；组成电路包括IGBT模块、IGBT模块驱动电路和开关；IGBT模块驱动电路接到IGBT模块的门极；开关两端分别连接IGBT模块的集电极和发射极；还包括加热电流源，加热电流源连接至IGBT模块的集电极；

风冷散热模块包括散热器和风机；散热器为齿形结构；风机的出风方向平行于散热器的齿形结构；

数据采集模块包括温度传感器；温度传感器固定于IGBT模块下方；数据采集模块还包括信号调理电路、数据采集电路和上位机操作/显示电路；温度传感器采集到的信号经信号调理电路调理后，输出给数据采集电路；数据采集电路将采集到的电信号再转换为温度，通过上位机操作/显示电路读取、显示；上位机操作/显示电路对整个装置的工作状态进行控制；

控制电路模块包括主控制器；IGBT模块驱动电路的控制端、开关电路的控制端、风机的控制端、数据采集电路和上位机操作/显示电路均与主控制器相连接。

其进一步的技术方案为：主电路模块包括多个组成电路；相邻的组成电路之间，一个ICBT模块的发射极和另一个IGBT模块的集电极相连接；加热电流源接到第一个组成电路中的IGBT模块的集电极；风冷散热模块的数量与IGBT模块的数量相等。

其进一步的技术方案为：IGBT模块包括多个芯片和多个DBC层，DBC层位于基板上方；芯片安装于DBC层之上；封装外壳固定于基板之上，覆盖BDC层和芯片；安装板固定于基板下方；齿形散热器的齿形结构位于安装板下方且与安装板垂直；温度传感器为热电偶，热电偶的偶结固定于安装板之下、芯片的正下方。

其进一步的技术方案为：主控制器为微控制器或者PLC。

其进一步的技术方案为：微控制器为FPGA或者DSP。

其进一步的技术方案为：开关为继电器或者IGBT。

其进一步的技术方案为：温度传感器为热电偶，其感温范围为0～150℃。

一种IGBT模块功率循环老化试验方法，包括以下步骤：

1)试验开始时，使与IGBT模块并联的开关处于断开状态，并控制风机以速度n1运行；然后通过上位机界面，设定试验中所要考察的最高壳温值、最低壳温值及功率循环周期数；最后，给试验装置上电；

2)间隔t时间后，在主控制器的控制下，IGBT模块驱动电路产生驱动脉冲信号；首先给IGBT模块的门极加电压值为15V的驱动信号，此时，IGBT模块在驱动信号的作用下导通，内部芯片发热，壳温上升；同时，风机在主控制器的控制下，以速度n1运转；在此过程中，主控制器实时监测着每支温度传感器的输出；且针对每个IGBT模块，在主控制器内部都定义了一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值；

3)一旦监测到某个IGBT模块的平均值达到了预设的最高壳温值，就控制其对应IGBT模块驱动电路输出-15V电压，使IGBT模块关断；同时控制与此IGBT模块并联的开关闭合；并调节风机以速度n2运转；在此过程中，主控制器实时监测着每个IGBT模块每支温度传感器的输出，且针对每个IGBT模块，有一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值；

4)一旦某个IGBT模块被监测的平均值达到了预设的最低壳温值，就控制其对应IGBT模块驱动电路输出15V电压，使IGBT模块开通；同时控制与此IGBT模块并联的开关断开；并调整风机以转速n1运转；

5)重复步骤3)和步骤4)，循环运行；当功率循环次数达到了预设值，或者IGBT模块出现异常或失效时考核结束；考核结束后，读取考核过程中各IGBT模块的温度变化规律；

n1＜n2。

其进一步的技术方案为：试验进程中的任何时刻，只要监测到壳温变化异常，试验装置停止运行。

本发明的有益技术效果是：

在以FPGA为核心的IGBT模块功率循环老化试验方法中，FPGA不仅要通过数据采集模块来实时监测被考核IGBT模块的壳温，将当前壳温的平均值与预设值相比较，并根据比较结果来控制IGBT模块的驱动脉冲信号和与IGBT模块并联的开关；同时，还要通过FPGA来调节与IGBT模块对应风机的转速；此外，当老化试验周期结束、或被考核IGBT模块异常失效、或***发生故障时，FPGA也能根据壳温的异常变化迅速做出判断，从而终止老化试验的进行。

在整个老化试验进程中，当被考核的IGBT模块的个数成倍增加时，所用温度传感器也成倍增加，同时温度数据就成倍地增加。但由于FPGA具有其他微控制器所不具备的并行运算的特点，所以可以保证对各IGBT模块温度数据的采集和对相应驱动电路、并联开关电路和风机电路的控制稳定进行，各自独立，互不影响，不仅数据全面，而且准确、高效。

本发明结构合理、实用性强，能有效解决IGBT模块可靠性考核中面临的数据存储量大、存储速度慢及可靠、高效、全自动难题，尤其适用于批量IGBT模块的可靠性考核。

附图说明

图1是恒定壳温波动控制策略下本发明的***结构图。

图2是恒定壳温波动控制策略下本发明的主电路模块示意图。

图3是恒定壳温波动控制策略下本发明的控制电路模块示意图。

图4是温度传感器热电偶的安装示意图。

图5是恒定壳温波动控制策略下本发明的试验方案图。

具体实施方式

图1是恒定壳温波动控制策略下本发明的***结构图。如图1所示，本发明的实验装置包括主电路模块、风冷散热模块、数据采集模块以及控制电路模块。

主电路模块包括组成电路。组成电路包括IGBT模块、IGBT模块驱动电路和开关。IGBT模块驱动电路接到IGBT模块的门极。开关两端分别连接IGBT模块的集电极和发射极。还包括加热电流源，加热电流源连接至IGBT模块的集电极。开关可以用继电器或者IGBT等电力电子器件实现。

风冷散热模块包括散热器和风机。为了起到良好的散热效果，散热器为齿形结构。风机的出风方向与散热器的齿形结构平行。需要考核几个IGBT模块，就需要配备几个带有齿形结构的散热器和风机。风机通过控制电路由FPGA来控制转速，与带安装板的散热器独立安装。

数据采集模块包括温度传感器。温度传感器固定于IGBT模块下方。数据采集模块还包括信号调理电路、数据采集电路和上位机操作/显示电路。温度传感器采集到的信号经信号调理电路调理后，输出给数据采集电路。数据采集电路将采集到的电信号再转换为温度信号，通过上位机操作/显示电路读取、显示。上位机操作/显示电路对整个装置的工作状态进行控制。温度传感器最好使用热电偶，其有效的测量范围在0～150℃即可。

控制电路模块包括主控制器。主控制器可以为微控制器或者PLC。微控制器可以为FPGA、DSP或者其他类型的微控制器。但是由于FPGA的并行运算特性，当被考核IGBT模块的数量较多时，使用FPGA具有明显的优势。下文中的实施例均以FPGA为主控制器。

以FPGA为核心的控制电路模块主要是指FPGA对风机转速、IGBT模块驱动电路及与IGBT并联的开关电路的控制。本发明在实时监测IGBT模块壳温的基础上，准确地将壳温波动范围控制在预设值附近，从而高效地完成恒定壳温波动控制策略下IGBT模块的功率循环老化试验。

控制电路包括FPGA，且以FPGA为核心。IGBT模块驱动电路的控制端、开关的控制端、风机的控制端均与FPGA相连接。FPGA还连接数据采集模块中的数据采集电路和上位机操作/显示电路，对数据采集电路及上位机操作/显示电路进行全面控制。

图2是恒定壳温波动控制策略下本发明的主电路模块示意图。主电路模块可以包括多个组成电路。如图2所示，在本实施例中，主电路模块包括2个组成电路。第一组成电路包括IGBT模块T1、IGBT模块驱动电路Vge1和开关KT1。第二组成电路包括IGBT模块T2、IGBT模块驱动电路Vge2和开关KT2。在第一组成电路中，IGBT模块驱动电路Vge1接到IGBT模块T1的门极。开关KT1两端分别连接IGBT模块T1的集电极和发射极。第二组成电路的连接方式同第一组成电路。

相邻的组成电路之间，一个ICBT模块的发射极和另一个IGBT模块的集电极相连接，即两个IGBT模块相互串联。加热电流源接到第一个组成电路中的IGBT模块的集电极。在图2中，IGBT模块T1的发射极连接IGBT模块T2的集电极。加热电流连接至IGBT模块T1的集电极。

在具有多个组成电路的情形下，风冷散热模块的数量与IGBT模块的数量相等，每个风冷散热模块对应一个IGBT模块。

图3是恒定壳温波动控制策略下本发明的控制电路模块示意图。如图3所示，在本实施例中，对于第一IGBT模块来说，第一开关控制端、第一IGBT模块驱动电路控制端和第一风机控制端均与FPGA相连接。由于针对每个IGBT模块，在FPGA内部都定义了一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值，所以还有第一存储器和第一A/D转换器连接于FPGA。对于第二IGBT模块来说，其连接部件和连接方式同理。FPGA上还包括PC接口。

数据采集电路中的信号调理电路主要是将温度传感器输出的电信号经调幅、滤波和放大等环节，使之最终稳定在适于A/D转换器进行转换的电平范围之内。数据采集电路要实现A/D转换、数据存储和运算等功能，因此就需要有A/D转换器和内部存储器，且A/D转换器的数量要与温度传感器的数量相同，存储器的个数按实际需要配置即可。与上位机的通信需要按照某种通信方式通过LabView等平台来实现。

在以FPGA为核心的控制电路模块中，FPGA一方面控制主电路模块中IGBT驱动电路的控制端和IGBT模块并联的开关，根据数据采集模块中监测到壳温值来控制IGBT模块的开通、关断和加热电流源对IGBT模块的作用状态；另一方面，FPGA又通过风机转速控制电路与风冷散热模块中的风机控制端相连，依然是根据数据采集模块中监测到壳温值来调节风机的转速；此外，FPGA还对数据采集模块中的数据采集电路及上位机操作/显示电路进行全面控制，在保证数据采集速率和精度的同时，实现与上位机的通信。

图4是温度传感器热电偶的安装示意图。如图4所示，安装结构包括多个DBC层2，DBC层2位于基板4上方。IGBT模块中的芯片3安装于DBC层2之上。封装外壳1固定于基板4之上，覆盖BDC层2和芯片3。安装板5固定于基板4下方。散热器的齿形结构8位于安装板5下方且与安装板5垂直。热电偶的偶结6固定于安装板5之下、芯片3的正下方。热电偶的两极7平行于齿形结构8。其中安装板5与偶结6之间通过导热胶紧密接触。基板4与安装板5紧密接触.

一个IGBT模块中有几颗芯片，就用几个温度传感器，温度传感器热电偶的安装示意图如图4所示；温度传感器采集到的信号经调理电路调理后，输出给数据采集电路，然后数据采集电路将采集到的电信号再转换为温度信号，最后经上位机读取、显示；此外，还可以通过上位机实现对整个老化试验***工作状态的控制。

本发明还公开了一种基于FPGA的IGBT模块功率循环老化试验方法，包括以下步骤：

1)试验开始时，使与IGBT模块并联的开关处于断开状态，并控制风机以速度n1运行。速度n1为相对较低的低速。然后通过上位机界面，合理设定试验中所要考察的最高壳温值、最低壳温值及功率循环周期数。最后，给***上电，一方面让加热电流源工作，输出稳定的电流；另一方面，使以FPGA为核心的控制电路进入初始化状态。

2)间隔t时间后，t一般为几秒钟，在FPGA的控制下，IGBT模块驱动电路开始产生驱动脉冲信号。首先给IGBT模块的门极加电压值为15V的驱动信号，此时，IGBT模块在驱动信号的作用下导通，内部芯片发热，壳温开始上升。同时，风机在FPGA的控制下，以初始速度n1低速运转。在此过程中，FPGA实时监测着每支温度传感器的输出。且针对每个IGBT模块，在FPGA内部都定义了一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值。

3)一旦监测到某个IGBT模块的平均值达到了预设的最高壳温值，就马上控制其对应IGBT模块驱动电路输出-15V电压，使IGBT模块关断。同时控制与此IGBT模块并联的开关闭合。并调节风机以较快的速度n2运转，从而加速IGBT模块的散热进程，待壳温降低。在此过程中，FPGA依旧实时监测着每个IGBT模块每支温度传感器的输出，且针对每个IGBT模块，有一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值。

4)一旦某个IGBT模块被监测的平均值达到了预设的最低壳温值，就马上控制其对应IGBT模块驱动电路输出15V电压，使IGBT模块开通。同时控制与此IGBT模块并联的开关断开。并调整风机再次以较慢的转速n1运转。于是对应的IGBT模块又开始发热，对应壳温又开始升高，重复进入上述步骤3)。

5)重复步骤3)和步骤4)，循环运行，对每个被考核的IGBT模块，以上考核方式完全相同，考核过程相互独立，互不影响，不仅高效可靠，而且便于管理。在***正常运行的情况下，如此循环上述实验过程，直到功率循环次数达到了预设值，或者IGBT模块出现异常或失效，考核结束。考核结束后，读取考核过程中各IGBT模块的温度变化规律。

试验进程中的任何时刻，只要监测到壳温变化异常，不管哪个环节出现故障，都可以使***停止运行。

图5是恒定壳温波动控制策略下本发明的试验方案图。图5中的纵坐标驱动Vge1表示第一IGBT模块驱动电路的信号，其高电平表示第一IGBT模块导通发热，零电平表示第一IGBT模块关断散热。图5中纵坐标并联开关KT1表示与第一IGBT模块并联的可控开关，其高电平表示开关接通，加热电流不通过第一IGBT模块，零电平表示断开，加热电流通过第一IGBT模块。图5中纵坐标风机1表示用来给第一IGBT模块散热的冷却装置，其中高电平表示风机以较快的转速n2运转，加快第一IGBT模块的散热，零电平表示风机以较慢的转速n1运转，这种情况下，几乎不影响IGBT模块的产热。图5中纵坐标驱动Vge2、并联开关KT2和风机2的具体含义同理。图5中纵坐标加热电流表示加热电流源的输出电流。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：包括主电路模块、风冷散热模块、数据采集模块以及控制电路模块；

主电路模块包括IGBT模块、IGBT模块驱动电路和开关；IGBT模块驱动电路接到IGBT模块的门极；开关两端分别连接IGBT模块的集电极和发射极；还包括加热电流源，加热电流源连接至IGBT模块的集电极；

风冷散热模块包括散热器和风机；散热器为齿形结构；风机的出风方向平行于散热器的齿形结构；

数据采集模块包括温度传感器；温度传感器固定于IGBT模块下方；数据采集模块还包括数据采集电路、信号调理电路和上位机操作/显示电路；温度传感器采集到的信号经信号调理电路调理后，输出给数据采集电路；数据采集电路将采集到的电信号再转换为温度，通过上位机操作/显示电路读取、显示；上位机操作/显示电路对整个装置的工作状态进行控制；

控制电路模块包括主控制器；IGBT模块驱动电路的控制端、开关电路的控制端、风机的控制端、数据采集电路和上位机操作/显示电路均与主控制器相连接。

2.如权利要求1所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：主电路模块包括多个组成电路；相邻的组成电路之间，一个ICBT模块的发射极和另一个IGBT模块的集电极相连接；加热电流源接到第一个组成电路中的IGBT模块的集电极；风冷散热模块的数量与IGBT模块的数量相等。

3.如权利要求1所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：IGBT模块包括多个芯片；所述IGBT模块还包括多个DBC层，DBC层位于基板上方；芯片安装于DBC层之上；封装外壳固定于基板之上，覆盖BDC层和芯片；安装板固定于基板下方；齿形散热器的齿形结构位于安装板下方且与安装板垂直；温度传感器为热电偶，热电偶的偶结固定于安装板之下、芯片的正下方。

4.如权利要求1所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：主控制器为微控制器或者PLC。

5.如权利要求4所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：微控制器为FPGA或者DSP。

6.如权利要求1所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：开关为继电器或者IGBT。

7.如权利要求1所述的IGBT模块功率循环老化试验装置，其特征在于：温度传感器为热电偶，其感温范围为0～150℃。

8.一种IGBT模块功率循环老化试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)试验开始时，使与IGBT模块并联的开关处于断开状态，并控制风机以速度n1运行；然后通过上位机界面，设定试验中所要考察的最高壳温值、最低壳温值及功率循环周期数；最后，给试验装置上电；

2)间隔t时间后，在主控制器的控制下，IGBT模块驱动电路产生驱动脉冲信号；首先给IGBT模块的门极加电压值为15V的驱动信号，此时，IGBT模块在驱动信号的作用下导通，内部芯片发热，壳温上升；同时，风机在主控制器的控制下，以速度n1运转；在此过程中，主控制器实时监测着每支温度传感器的输出；且针对每个IGBT模块，在主控制器内部都定义了一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值；

3)一旦监测到某个IGBT模块的平均值达到了预设的最高壳温值，就控制其对应IGBT模块驱动电路输出-15V电压，使IGBT模块关断；同时控制与此IGBT模块并联的开关闭合；并调节风机以速度n2运转；在此过程中，主控制器实时监测着每个IGBT模块每支温度传感器的输出，且针对每个IGBT模块，有一个内部存储器，用来输出每支温度传感器输出信号的平均值；

4)一旦某个IGBT模块被监测的平均值达到了预设的最低壳温值，就控制其对应IGBT模块驱动电路输出15V电压，使IGBT模块开通；同时控制与此IGBT模块并联的开关断开；并调整风机以转速n1运转；

5)重复步骤3)和步骤4)，循环运行；当功率循环次数达到了预设值，或者IGBT模块出现异常或失效时，考核结束；考核结束后，读取考核过程中各IGBT模块的温度变化规律；

n1＜n2。

9.如权利要求8所述的IGBT模块功率循环老化试验方法，其特征在于，试验进程中的任何时刻，只要监测到壳温变化异常，试验装置停止运行。