CN111007381B - Igbt热态带载的电压应力测试***及其方法 - Google Patents

Igbt热态带载的电压应力测试***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于包括测试电脑、电机、电机控制器、电力测功机和功率分析仪，待测试的IGBT设置于电机控制器中，IGBT的输出端与电机的输入端电连接，功率分析仪用于检测电机、控制器功率并将电机的功率信息反馈至测试电脑，电力测功机用于检测电机的实时转速和扭矩并将电机的转速和扭矩信息反馈至测试电脑；测试电脑根据电机的状态信息生成控制命令并输出至电机控制器，电机控制器根据控制命令驱动电机按照指定的转速和扭矩运转。本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IGBT热态带载的电压应力测试***及其方法，充分考虑温度和电机负载等***因素对控制板、驱动板以及IGBT的影响。

Description

IGBT热态带载的电压应力测试***及其方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种IGBT热态带载的电压应力测试***及其方法。
背景技术
IGBT电压应力受电路回路的杂散电感、温度等影响，如果在IGBT关断过程中，电压应力超过IGBT的集电极-发射极耐压值，那么IGBT会出现Vce过压失效，进而导致电机控制器(MCU)出现故障，车辆无法行驶。目前大多数的对IGBT的电压应力考察，主要通过对IGBT模组进行双脉冲短路实验，他们把驱动板焊接或者压接到IGBT上，通过信号发生器或者有相关软件的控制板进行双脉冲短路测试。这只是在环境温度下进行的单板级别的硬件测试，没有考虑温度和电机负载等***因素对控制板、驱动板以及IGBT的影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IGBT热态带载的电压应力测试***及其方法，充分考虑温度和电机负载等***因素对控制板、驱动板以及IGBT的影响。
本发明提供了一种IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于包括测试电脑、电机、电机控制器、电力测功机和功率分析仪，待测试的IGBT设置于电机控制器中，IGBT的输出端与电机的输入端电连接，功率分析仪用于检测电机功率、控制器功率，并将电机和控制器的功率信息反馈至测试电脑，电力测功机用于检测电机的实时转速和扭矩并将电机的转速和扭矩信息反馈至测试电脑；测试电脑根据电机的状态信息生成控制命令并输出至电机控制器，电机控制器根据控制命令驱动电机按照指定的转速和扭矩运转。
上述技术方案中，还包括水循环***，设置于电机控制器和电机四周，用于保持电机控制器和电机所处的指定恒温环境。
上述技术方案中，于电力测功机和电机控制器共同作用控制电机以指定转速运转。
所述的IGBT热态带载的电压应力测试***的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.安装继电器和焊接引脚；根据测试要求设定IGBT的正常和短路情况；
b.将水循环的***水温设置为指定温度，高压电源给定电机控制器的最高工作电压；
c.电力测功机按照转速模式运行，先给定到额定转速；测试电脑输出扭矩控制命令至电机控制器，电机控制器控制电机以扭矩模式运行，电机按照额定扭矩运行，电机和电力测功机通过轴承连接并在额定工况下运行，直至IGBT晶圆处于热稳态状态；
d.IGBT晶圆达到热稳态状态后，测试电脑输出控制命令至电机控制器，电机控制器和电子测功机配合控制电机以指定转速和指定扭矩运行；
e.不使用继电器短接或使用继电器短接指定桥臂或者指定相，测试指定桥臂电压应力；
f.重复上述步骤b-e，进行其他桥臂短路测试。
上述技术方案中，通过在指定桥臂焊接测试引脚，通过示波器测量电压应力并记录波形。
上述技术方案中，所述步骤a中，分别在IGBT的6个桥臂的上下桥两端焊接测试引脚；使用粗短的动力线以及继电器对待测IGBT的6个桥臂进行短接，此时继电器未吸合；使用粗短的动力线以及继电器在待测IGBT的两两相桥臂的上下桥之间进行短接，此时继电器未吸合；
上述技术方案中，步骤d中不使用继电器短接任何桥臂；电机测功机给定电机以测试转速运转，电机控制器输出该转速下的最大扭矩至电机，采用示波器触发的模式找到该转速点指定桥臂最大的电压应力，并记录数据。
上述技术方案中，所述步骤a中，使用差分探头分别测试指定桥臂及其同相桥臂的电压应力，使用一个电流枪测试短路电流；所述步骤d中通过继电器吸合以短接指定桥臂，通过示波器测量指定桥臂的电压应力。
上述技术方案中，所述步骤a中使用差分探头分别测试指定两相上桥和下桥的电压应力，使用一个电流枪测试短路电流；所述步骤d中通过继电器吸合以短接指定的两相，通过示波器测量指定两相的上下桥臂的电压应力。
本发明提出了一种IGBT热态带载的电压应力测试方法，这个方法可以从更真实的角度测出IGBT驱动模组的电压应力，考量IGBT在实际热态带载正常和短路过程中的电压应力情况，观察IGBT开通和关断是否有不合适的振荡。
附图说明
图1是本发明的***示意图
图2是本发明正常情况下的电压应力测试基本框图；
图3是短路情况下的电压应力测试基本框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于包括测试电脑、电机控制器、电机控制器、电力测功机和功率分析仪，待测试的IGBT设置于电机控制器中，IGBT的输出端与电机的输入端电连接，功率分析仪用于检测电机功率并将电机的功率信息反馈至测试电脑，电力测功机用于检测电机的实时转速和扭矩并将电机的转速和扭矩信息反馈至测试电脑；测试电脑根据电机的状态信息生成控制命令并输出至电机控制器，电机控制器根据控制命令驱动电机按照指定的转速和扭矩运转。测试电脑通过PCAN与电机控制器MCU进行通信以及发送控制指令。电力测功机和功率分析仪通过网线和台架上的测试电脑连接。本发明还包括水循环***，设置于电机控制器和电机四周，用于保持电机控制器和电机所处的指定恒温环境。电力测功机和电机控制器共同作用控制电机以指定转速运转。在测试过程中，电力测功机跑转速模式，MCU控制电机跑扭矩模式。附图中MCU到电机这条线上输出的A代表是三相电流和U是代表三相电压。电力测功机到台架的N代表是扭矩，n代表转速。
在IGBT关断时，相电流开始下降，这会在回路中杂散电感上产生一个感应电压，是与母线电压Udc相同的，会增加一部分母线电压，所以此时在关断桥臂的IGBT上测得的波形会出现一个尖峰电压Us。那么此时的集-射极最大电压公式为：
Uce,max＝Udc+Us＝Udc+Ls*(di/dt) (1)
式(1)代表Uce,max代表总的Vce电压尖峰，U代表直流母线电压，Us代表由于杂散电感原因产生的电压尖峰，Ls代表杂散电感，di/dt代表电流的下降斜率。
如图2所示，是正常情况下的电压应力测试基本框图，图2中画出A相的电压应力Vce示意图，其他桥臂类似未画出。下面是正常情况下的电压应力测试的具体方法：
(1)在待测试的IGBT的六个桥臂的Vce焊接测试引脚；
(2)首先对A相的上下桥臂的Vce接差分探头；
(3)高压电源给定到电机控制器的最高工作电压，将水循环***的水温设置为65℃；
(4)测试电脑通过电力测功机和电机控制器将电机转速给定到额定转速，电机控制器将电机扭矩给定到额定扭矩，运行30min使IGBT晶圆处于热稳态状态；
(5)30min之后，测试电脑通过电力测功机和电机控制器将电机转速给定到测试转速点，电机控制器将电机的输入扭矩给定到该转速下的最大扭矩，采用示波器触发的模式找到该转速点A相最大的Vce，并记录数据；
(6)之后按照同样的方法对B相和C相的上下桥臂Vce电压应力进行测试，并记录与表1。
表1正常情况下的电压应力测试数据表
Figure GDA0003491542550000061
短路情况下，控制器报过流故障或者退饱和故障，主要取决于短路回路中的杂散电感。如公式(2)所示，如果感量较大，回路中的电流上升较慢，达到1-1.5倍的IGBT的额定值，会报过流故障，也有可能报退饱和故障，主要靠电流传感器采集，并靠过流保护；如果感量较小，回路中的电流上升很快，达到3-4倍的IGBT额定值，会退饱和故障，而电流传感器的采样速度跟不上。
di/dt＝U/L (2)
式(2)中，di/dt代表短路电流的上升斜率，U代表直流母线电压，L代表短路回路的电感量。
如图3所示，是短路情况下的电压应力测试基本框图，SC1表示一类短路，上下桥臂直通，短路回路中的杂散电感很小，如果出现短路，短路电流会很大。SC2表示二类短路，相间短路，这类短路中的杂散电感较大，如果出现短路，短路电流相对于SC1而言，不是太大。本次实验进行了两类短路测试，查看IGBT在短路情况下的电压应力是不是超过选型下的IGBT集电极-发射极耐压值。
下面是一类短路情况下的电压应力测试的具体方法：
(1)在控制器端使用粗短的动力线以及继电器对待测试的IGBT的A相上桥进行短接,此时继电器未吸合；
(2)之后在A相Vce焊接测试引脚；
(3)使用差分探头分别测试A相上桥Vce、A相下桥Vce，使用一个电流枪测试短路电流；示波器触发以短路电流作为触发源，可设置为1500A左右触发。
(4)经水循环***的水温设置为65℃，高压电源给定到该项目的最高工作电压；
(5)测试电脑通过电力测功机和电机控制器将电机转速给定到额定转速，电机控制器将电机扭矩给定到额定扭矩，运行30min使IGBT晶圆处于热稳态状态；
(6)30min运行之后，测试电脑通过电力测功机将电机转速给定到500rpm，测试电脑通过电机控制器将电机扭矩给定至50Nm，使用继电器短接A相上桥，并记录示波器上的波形以及A相上桥臂的Vce；
(7)后续由测试电脑通过电力测功机和电机控制器加大转速和扭矩进行测试；
(8)按照同样的方法，进行其他五个桥臂短路测试，并将所测最大值记录于表格2中。
表2一类短路情况下的电压应力测试数据表
Figure GDA0003491542550000081
下面是二类短路情况下的电压应力测试的具体方法：
(1)在控制器端使用粗短的动力线以及继电器对控制器AB相进行短接,此时继电器未吸合；待测试的IGBT的
(2)之后在A相和B相Vce进行焊接测试引脚；
(3)由于示波器只有四个端口，故使用三个差分探头分别测试A相上下桥Vce、B相上下桥Vce，使用一个电流枪测试短路电流；示波器触发以短路电流作为触发源，可设置为1500A左右触发。
(4)将水循环***的水温设置为65℃，高压电源给定到该项目的最高工作电压；
(5)测试电脑通过电力测功机和电机控制器将电机转速给定到额定转速，电机控制器将电机扭矩给定到额定扭矩，运行30min使IGBT晶圆处于热稳态状态；
(6)30min运行之后，测试电脑通过电力测功机将电机转速给定到500rpm，测试电脑通过电机控制器将电机扭矩给定至50Nm，使用继电器短接AB相，并记录示波器上的波形以及A相上下桥Vce、B相上下桥Vce；
(7)后续由测试电脑通过电力测功机和电机控制器加大转速和扭矩进行测试；
(8)按照同样的方法，进行AC相和BC相短路测试。
即对AB相，AC相和BC相分别进行短路测试，通过示波器获得的结果，并将A相上下桥Vce、B相上下桥Vce、C相上下桥Vce的最大值记录于下表。
表3二类短路情况下的电压应力测试数据表
Figure GDA0003491542550000101
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于包括测试电脑、电机、电机控制器、电力测功机和功率分析仪，待测试的IGBT设置于电机控制器中，IGBT的输出端与电机的输入端电连接，功率分析仪用于检测电机功率、控制器功率，并将电机和控制器的功率信息反馈至测试电脑，电力测功机用于检测电机的实时转速和扭矩并将电机的转速和扭矩信息反馈至测试电脑；测试电脑根据电机的状态信息生成控制命令并输出至电机控制器，电机控制器根据控制命令驱动电机按照指定的转速和扭矩运转；
还包括水循环***，设置于电机控制器和电机四周，用于保持电机控制器和电机所处的指定恒温环境；
所述的IGBT热态带载的电压应力测试***的测试方法，包括以下步骤：
a.安装继电器和焊接引脚；根据测试要求设定IGBT的正常和短路情况；
b.将水循环的***水温设置为指定温度，高压电源给定电机控制器的最高工作电压；
c.电力测功机按照转速模式运行，先给定到额定转速；测试电脑输出扭矩控制命令至电机控制器，电机控制器控制电机以扭矩模式运行，电机按照额定扭矩运行，电机和电力测功机通过轴承连接并在额定工况下运行，直至IGBT晶圆处于热稳态状态；
d.IGBT晶圆达到热稳态状态后，测试电脑输出控制命令至电机控制器，电机控制器和电力测功机配合控制电机以指定转速和指定扭矩运行；
e.不使用继电器短接或使用继电器短接指定桥臂或者指定相，测试指定桥臂电压应力；
f.重复上述步骤b-e，进行其他桥臂短路测试。
2.根据权利要求1所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于电力测功机和电机控制器共同作用控制电机以指定转速运转。
3.基于权利要求1所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于通过在指定桥臂焊接测试引脚，通过示波器测量电压应力并记录波形。
4.基于权利要求1所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于所述步骤a中，分别在IGBT的6个桥臂的上下桥两端焊接测试引脚；使用粗短的动力线以及继电器对待测IGBT的6个桥臂进行短接，此时继电器未吸合；使用粗短的动力线以及继电器在待测IGBT的两相桥臂的上下桥之间进行短接，此时继电器未吸合。
5.基于权利要求4所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于步骤d中不使用继电器短接任何桥臂；电机测功机给定电机以测试转速运转，电机控制器输出该转速下的最大扭矩至电机，采用示波器触发的模式找到测试转速指定桥臂最大的电压应力，并记录数据。
6.基于权利要求4所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于所述步骤a中，使用差分探头分别测试指定桥臂及其同相桥臂的电压应力，使用一个电流枪测试短路电流；所述步骤d中通过继电器吸合以短接指定桥臂，通过示波器测量指定桥臂的电压应力。
7.基于权利要求4所述的IGBT热态带载的电压应力测试***，其特征在于所述步骤a中使用差分探头分别测试指定两相上桥和下桥的电压应力，使用一个电流枪测试短路电流；所述步骤d中通过继电器吸合以短接指定的两相，通过示波器测量指定两相的上下桥臂的电压应力。
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