CN108226733B - 一种用于igbt模块的混合功率循环检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于IGBT模块的混合功率循环检测装置和检测方法，其检测装置包括：并联的主电源支路、测量电源支路、第一电流传感器、主动控制循环单元、第二电流传感器和被动控制循环单元；主电源支路包括：主电源和与其串联的主控电源开关；测量电源支路包括：测量电源和与其串联的测量电源开关；主动控制循环单元包括：并联的主动控制支路，被动控制循环单元包括：并联的被动控制支路。本发明结合IGBT模块主动控制加热和被动控制加热，扩展被测模块数量；同时考虑IGBT模块加热升温和降温过程时间比例，合理设计并联支路数量，最高效率利用电源。

Description

一种用于IGBT模块的混合功率循环检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体讲涉及一种用于IGBT模块的混合功率循环检测装置及其检测方法。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。因此IGBT驱动功率小而饱和压降低，非常适合于直流电压为600V及以上的变流***如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
从结构上讲，IGBT模块是由IGBT芯片与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGB模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念逐步深化，此类产品广受用户青睐。
随着近年来IGBT技术的快速发展，电压、电流等级的逐渐提升，其在电力***中的应用也越来越广泛，电力***特殊的应用环境对IGBT的器件也提出了一些特殊要求：高压、大电流，高可靠性等。研究表明IGBT重复开通、关断时，结温剧烈波动，在热应力冲击作用下将产生疲劳效应或失效，由于其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或***的正常运行，由于疲劳效应是一个长期过程，所以对IGBT模块的可靠性提出了更高的要求。
市场上已有的功率循环检测平台的最大检测电流为1500A，同时检测的模块数的数目最多为3个，而电力***应用中的IGBT电流等级高达3000A及以上，已有功率循环检测平台无法满足电力***应用的检测需求。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种用于IGBT模块的混合功率循环检测装置和检测方法。
其中检测装置包括：并联的主电源支路、测量电源支路、第一电流传感器、主动控制循环单元、第二电流传感器和被动控制循环单元；主电源支路包括：主电源和与其串联的主控电源开关；测量电源支路包括：测量电源和与其串联的测量电源开关；主动控制循环单元包括：并联的主动控制支路，主动控制支路包括：与IGBT栅极相连的脉冲电源，脉冲电源的另一端与IGBT的发射极相连；被动控制循环单元包括：并联的被动控制支路，被动控制支路包括：与IGBT栅极相连的恒压源及与IGBT串联的开关，恒压源的另一端与IGBT的发射极相连。
主动控制循环单元包括至少为两条并联主动控制支路；主动控制支路中设有IGBT模块。
被动控制循环单元中包括至少两条并联的被动控制支路；被动控制支路中设有至少两个串联的IGBT模块。IGBT模块中IGBT的栅极经电阻与脉冲电源相连，脉冲电源的另一端与IGBT的发射极相连，IGBT模块与电压表并联。
IGBT模块中IGBT的栅极经电阻与15V恒压源相连，15V恒压源的另一端与IGBT的发射极相连，IGBT模块与电压表并联。IGBT模块还与用于记录IGBT模块壳温的热电偶并联。
混合功率循环检测装置还包括：上位机，用于控制脉冲电源使主动控制循环单元的IGBT模块的循环开通。
IGBT模块的开通与关断时间比为1：N，其中，N为大于1的整数。按时间比设置主动控制循环单元和被动控制循环单元中的并联支路数。
两个电流传感器分别测试主动控制循环单元和被动控制循环单元中的电流。
用于混合功率循环检测装置的检测方法，其包括步骤：1)闭合主控电源开关，加热支路中的IGBT模块；2)IGBT模块达到预定温度后，所述主控电源开关断开；3)闭合测量电源开关，测试IGBT模块两端电压；4)断开所述测量电源开关，闭合所述主控电源开关；5)依次循环加热其他支路上的IGBT模块。
步骤1)包括：上位机控制脉冲电源加热主动控制循环单元中主电源支路上的IGBT模块；或闭合被动控制循环单元中被动控制支路上的开关，恒压源加热被动控制支路上的IGBT模块。
每次加热和测量时，所述主动控制单元和所述被动控制单元中的支路只有一条导通。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1)本发明将单个IGBT模块与IGBT模块串联功率循环检测装置相结合，能同时完成多组模块功率循环检测；
2)本发明结合功率循环检测中的升温和降温时间比，设计并联支路数，高效利用电源，节约检测时间；
3)本发明对各被测模块的电压、电流、结温和壳温等进行实时在线监测，为后期失效分析和寿命模型提供了依据；
4)本发明结合IGBT模块主动控制加热和被动控制加热，扩展被测模块数量；同时考虑IGBT模块加热升温和降温过程时间比例，合理设计并联支路数量，最高效率利用电源；
5)本发明同时在主电源外并联一个检测电源，在每次加热结束阶段快速检测模块的结温，实现IGBT模块功率循环中的ΔT准确记录和热阻计算。
附图说明
图1是本发明的一个大功率IGBT模块混合功率循环检测主回路电路图；
图2是本发明的IGBT模块在功率循环试验中温度随时间变化规律图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明以同时考核多个IGBT模块，获得准确失效分析和可靠寿命预测为前提，模拟功率循环检测平台。
如图1所示的大功率IGBT模块混合功率循环检测主回路电路，主要包括主电源、测量电源、电流传感器、主动控制循环单元、被动控制循环单元。
本发明的工作原理：在功率循环检测中，采用IGBT模块自加热升温和外部强制散热降温，主电源为可调电源，其有多个功率档位，在主动控制循环单元中单个模块检测时，上位机控制可调电源输出小功率；在多模块串联检测时，上位机控制可调电源输出大功率，能同时为单个模块和多模块串联检测供电。
主控电源开关S1(采用大电流继电器)控制加热电源的开关，在一个支路加热完成后断开，测量电源的开关S2(采用信号继电器)闭合进行测试(1ms内完成)，测试完成后S2断开，然后S1再闭合对其他支路上的IGBT模块进行加热，依次循环。
检测方法：主控电源对一条支路(如N1)上的IGBT模块进行导通加热，在达到预定温度后，切断主控电源开关S1，闭合测量电源开关S2并测量其IGBT模块两端电压(1ms内完成)，测试完成后S2断开；然后主控电源开关S1再闭合，进入下一个IGBT模块的加热周期，通过上位机依次控制N2……Nn，Q1……Qy进行导通加热。
开关S1和S2开关状态有两个原则：1)S1和S2不同时导通；2)每次加热和测量时只接入一条支路，即所有主动控制单元和被动控制单元支路同一时间内只有一条支路导通。用两个电流传感器分别测试主动控制循环单元和被动控制循环单元中的电流值。
利用大功率IGBT模块在加热过程中两端电压低的特点，串联多个模块，在被动控制循环单元包括n条并联的支路，每条支路由开关Qi与n个被测IGBT模块Mi1、Mi2……Min串联连接而成，其中各被测IGBT模块的栅极加15V驱动电源，使其在检测中一直处于开通状态，由各支路中的开关来控制支路的开通和关断：这样就消除了多模块串联中开通阶段的均压问题，保证被测模块电气应力的一致性。
主动控制循环单元由n条支路N1……Nn并联组成，每条支路均设有一个被测IGBT模块，在检测过程中通过上位机控制被测IGBT模块的脉冲电源，实现被测IGBT模块的循环开通，每个阶段都只有一条主动控制循环支路处于开通状态，实现被测IGBT模块循环升温和降温。
而在主动功率循环检测中，由被测模块自控制开通和关断。被动控制循环与主动控制循环的区别在于被动控制循环单元中的被测IGBT模块一直处于开通状态，且有多个IGBT模块串联，由支路开关控制所在支路的开通和关断，主动循环控制单元每条支路都只有一个被测IGBT模块，由被测IGBT模块自己主动控制支路的开通和关断。
15V恒压源和脉冲都是IGBT模块的驱动电源，15V是保证IGBT模块处于开通状态，脉冲则是15V的方波驱动脉冲，根据需要控制IGBT模块开通和关断；在小功率IGBT模块的功率循环检测中这两种方式都有应用，但是在大功率IGBT模块功率循环检测中考虑电源功率有限，二者混合使用。
在检测过程中通过驱动设置由被测IGBT模块自控制开通、关断来实现IGBT模块的升温和降温。
如图2中的IGBT模块功率循环中温度随时间变化规律可知，加热升温时间要短于降温时间，其比例为1：N，基于这一比例，在主动控制单元和被动控制单元中设置相应的并联支路数，以达到最高效的利用电源。
IGBT模块在功率循环试验中的检测电源功率、开通时间、关断时间都由数值计算和仿真得到，因为加热功率大于散热功率，所以在保证同样的时间差ΔT时，加热时间要短于降温时间，其比例为1：N，而且在一台功率循环检测设备中要保证同一时间只有一条支路导通，故设置合理的并联支路数，能够最高效利用电源。
在每个模块的散热器下都装有热电偶和电压表，实施记录模块壳温和器件两端电压，且每次加热主电源关断后，测量电源工作，利用小电流检测法，即在被IGBT测模块中通一个10mA的电流并检测被测IGBT模块两端电压后，与IGBT模块的压降-温度曲线比对得到当前结温，上述数据都将通过上位机实时记录。
例图中只给出一种大功率IGBT模块混合功率循环检测方法主回路的示意图，此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于IGBT模块的混合功率循环检测装置，其特征在于，包括：并联的主电源支路、测量电源支路、主动控制循环单元和被动控制循环单元；
所述主电源支路包括：主电源和与其串联的主控电源开关；
所述测量电源支路包括：测量电源和与其串联的测量电源开关；
所述主动控制循环单元包括：并联的主动控制支路，所述主动控制支路包括：与IGBT栅极相连的脉冲电源，所述脉冲电源的另一端与IGBT的发射极相连；
所述被动控制循环单元包括：并联的被动控制支路，所述被动控制支路包括：与IGBT栅极相连的恒压源及与IGBT串联的开关，所述恒压源的另一端与IGBT的发射极相连；
所述主动控制循环单元包括至少为两条并联主动控制支路；所述主动控制支路中设有IGBT模块；
所述被动控制循环单元中包括至少两条并联的被动控制支路；所述被动控制支路中设有至少两个串联的IGBT模块；
所述IGBT模块中IGBT的栅极经电阻与脉冲电源相连，所述脉冲电源的另一端与IGBT的发射极相连，所述IGBT模块与电压表并联；
所述IGBT模块中IGBT的栅极经电阻与15V恒压源相连，所述15V恒压源的另一端与IGBT的发射极相连，所述IGBT模块与电压表并联；
所述IGBT模块还与用于记录IGBT模块壳温的热电偶并联；
还包括：
上位机，用于控制所述脉冲电源使所述主动控制循环单元的IGBT模块的循环开通；
所述测量电源支路与所述主动控制循环单元间设有用于测量所述主动控制循环单元电流的第一电流传感器；
主动控制循环单元和被动控制循环单元间设有用于测量所述被动控制循环单元中的电流的第二电流传感器。
2.如权利要求1所述的混合功率循环检测装置，其特征在于，所述IGBT模块的开通与关断时间比为1：N，其中，N为大于1的整数。
3.如权利要求2所述的混合功率循环检测装置，其特征在于，按所述时间比设置所述主动控制循环单元和所述被动控制循环单元中的并联支路数。
4.一种利用如权利要求1至3任一所述的混合功率循环检测装置检测IGBT模块的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在所述主控电源开关处于闭合状态、所述测量电源处于断开状态时，加热支路中的IGBT模块；
2)IGBT模块达到预定温度后，所述主控电源开关断开、闭合测量电源开关，测试IGBT模块两端电压；
3)断开所述测量电源开关，闭合所述主控电源开关；
4)依次循环1)～3)加热其他支路上的IGBT模块。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加热支路中的IGBT模块，包括：上位机控制脉冲电源加热主动控制循环单元中主电源支路上的IGBT模块；或
闭合被动控制循环单元中被动控制支路上的开关，恒压源加热被动控制支路上的IGBT模块。
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