一种igbt变流模块产品的性能测试试验台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种IGBT变流模块产品的性能测试试验台，包括操纵台、电源开关柜和试验工装台，操纵台包括依次电连接的显示器、电脑主机、PLC、信号发生器和脉冲放大器，PLC和脉冲放大器与所述电源开关柜之间通过信号线连接，电源开关柜与试验工装台之间连接有信号线和直流高压线，电源开关柜连接有电源输入线；电源开关柜包括可调直流电源、主电路控制和保护电器、电压电流检测传感器、可调负载电抗器；试验工装台包括模块机械接口架和模块电气接口架。可适用于6.5kV以下电压等级IGBT元件组成的变流功率模块产品的双脉冲试验和短路试验项目。
【专利说明】一种IGBT变流模块产品的性能测试试验台
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种IGBT变流模块类产品的测试装置，尤其涉及一种IGBT变流 模块产品的性能测试试验台。
【背景技术】
[0002] 随着电力机车的飞速发展，越来越多的变流功率模块在机车上应用。功率模块中 的重要的电力半导体器件，也随着技术的发展从不可控的器件二极管发展到半控型的晶闸 管在发展到全控性的IGBT。IGBT由于快速开关能力、低驱动功率、低导通压降等原因在机 车上应用越来越广泛，尤其是高压大容量的IGBT。
[0003] 对于IGBT的变流模块类产品而言，双脉冲试验已经成为衡量模块变流性能的重 要试验手段。功率模块的双脉冲试验能够实现单元桥臂上IGBT功率元件关断时的最大电 流和反向峰值电压的波形测试，从而分析IGBT元件在最大工况下是否能够工作在安全工 作区RBSOA，评估驱动板的Rgon和Rgoff的选择是否合适；能够实现反并联二极管的反向 恢复电流和瞬态功率测试，从而分析二极管元件在最大工况下的安全工作能力；能够获取 不同IGBT元件的对比参数，便于选型和并联应用。
[0004] 但是双脉冲试验并未能完全检验功率模块广品的保护性能，IGBT短路保护电路是 检测IGBT的导通电流，辨识IGBT退饱和状态，一旦IGBT短路出现"退饱和"现象，输出故 障信号，封锁触发脉冲。现有技术中，设计往往是根据器件手册的有限数据和经验选择检测 阈值来辨识退饱和状态，往往并不确定具体的保护电路，很难具体掌握产品的短路保护的 电流值，无法优化确定板的保护设计。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供一种能完成变流功率模块产品的双脉冲试验和短路试 验项目的IGBT变流模块产品的性能测试试验台。
[0006] 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本实用新型的IGBT变流模块产品的性能测试试验台，包括操纵台、电源开关柜和 试验工装台，所述操纵台包括依次电连接的显示器、电脑主机、PLC、信号发生器和脉冲放大 器，所述PLC和脉冲放大器与所述电源开关柜之间通过信号线连接，所述电源开关柜与所 述试验工装台之间连接有信号线和直流高压线，所述电源开关柜连接有电源输入线；
[0008] 所述电源开关柜包括可调直流电源、主电路控制和保护电器、电压电流检测传感 器、可调负载电抗器；
[0009] 所述试验工装台包括模块机械接口架和模块电气接口架。
[0010] 由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的IGBT变 流模块产品的性能测试试验台，可适用于6. 5kV以下电压等级IGBT元件组成的变流功率模 块产品的双脉冲试验和短路试验项目，用于完成功率模块产品的试验，检验功率模块产品 的IGBT元件和反并联二极管元件在给定条件下的峰值电流、峰值电压和瞬态功率等电气 参量是否在规定限值之内，检验其功率模块IGBT元件及驱动电路在不同条件下的短路保 护电流和保护功能是否正常。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图la、图Ib分别为双脉冲试验的电气原理图和参数曲线图；
[0012] 图2为短路保护试验的电气原理示意图；
[0013] 图3为本实用新型实施例提供的IGBT变流模块产品的性能测试试验台的结构示 意图；
[0014] 图4a、图4b分别为本实用新型实施例提供IGBT变流模块产品的性能测试试验台 的主电路电气原理图。
[0015] 图Ib中：A处表示负载L上的电流由二极管续流，B处表示二极管反向恢复电流。
【具体实施方式】
[0016] 下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。
[0017] 本实用新型的IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其较佳的【具体实施方式】是：
[0018] 包括操纵台、电源开关柜和试验工装台，所述操纵台包括依次电连接的显示器、电 脑主机、PLC、信号发生器和脉冲放大器，所述PLC和脉冲放大器与所述电源开关柜之间通 过信号线连接，所述电源开关柜与所述试验工装台之间连接有信号线和直流高压线，所述 电源开关柜连接有电源输入线；
[0019] 所述电源开关柜包括可调直流电源、主电路控制和保护电器、电压电流检测传感 器、可调负载电抗器；
[0020] 所述试验工装台包括模块机械接口架和模块电气接口架。
[0021] 所述操纵台的控制面板上设置有指示仪表、按钮、转换开关、指示灯。
[0022] 所述试验工装台还设有安全联锁防护装置。
[0023] 所述操纵台配置有I/O单元。
[0024] 所述操纵台、电源开关柜和试验工装台都设计有机械滚轮装置。
[0025] 本实用新型的IGBT变流模块产品的性能测试试验台，可适用于6. 5kV以下电压等 级IGBT元件组成的变流功率模块产品的双脉冲试验和短路试验项目，用于完成功率模块 产品的例行试验或型式试验。检验功率模块产品的IGBT元件和反并联二极管元件在给定 条件下的峰值电流、峰值电压和瞬态功率等电气参量是否在规定限值之内，检验其功率模 块IGBT元件及驱动电路在不同条件下的短路保护电流和保护功能是否正常。
[0026] 整个系统是由操纵台、电源开关柜和试验工装台组成。操纵台用于实现系统试验 时的人机操作和试验数据的检测、显示、记录和下载功能。内部含有电脑主机、显示器、PLC、 信号发生器、信号放大器和开关、保护电器等部件，是整个试验系统的控制中枢。操纵台的 控制面板上还设置有指示仪表、按钮、转换开关、指示灯等人机操作电器，具有断电后的安 全放电和指示功能，便于试验人员安全的操作和维护。另外，还设计有用于远程控制的急停 按钮，一旦发生严重故障，可以迅速切断远程供电电源。操控台电脑系统配备有控制软件、 显示软件和应用软件。
[0027] 电源开关柜用于实现三相输入电源的开关控制、电压变换，以及电压/电流信号 的采集功能，内部含有可调直流电源、可调负载电抗器、接触器、电流/电压传感器等部件。 具有电压和电流保护功能，一旦电路接线错误产生大电流或输入电压超出规定设置之后， 输入接触器就会断开，保护后续电路。
[0028] 试验工装台主要用于规范地放置被试功率模块产品，配置有机械接口、电气接口 工装，以及安全联锁防护的装置。
[0029] 操纵台、电源开关柜和试验工装台都设计有机械滚轮装置，便于操作人员现场移 动。
[0030] 具体实施例：
[0031] 图la、图Ib为双脉冲试验的电气原理图，这个为concept厂家提供的资料，属于公 有知识。
[0032] 本实用新型进行的双脉冲试验具备以下功能：
[0033] I. 6. 5kV以下电压等级IGBT功率模块的双脉冲试验功能，涉及3. 3kV、4. 5kV和 6. 5kV电压等级IGBT元件；
[0034] 2.测试和记录功率模块IGBT元件关断时的反向峰值电压、开通时的二极管反向 峰值电流功能，测试和检验功率模块IGBT元件和驱动电路的短路保护功能；
[0035] 3.能够根据负载电感的配置调整控制双脉冲波形的宽度，具有脉冲波形的设置功 能；
[0036] 4.负载电感具有多个档位，能够根据不同电流等级IGBT元件的试验要求进行负 载电感数值的有限调整；
[0037] 5.具有良好的人机操作界面，以及试验数据、波形的记录、存储和下载功能，并能 按用户要求生成试验报告；
[0038] 6.具有完善的电气保护、高压连锁保护、高压检测显示和报警功能。
[0039] 图2为短路试验电气原理图，本实用新型通过以下方式实现短路试验：
[0040] 功率模块短路试验能够检验IGBT元件通过短路电流的能力，以及驱动电路的短 路保护功能。试验时短接被测IGBT另一半桥臂上IGBT元件的C、E极，给主电路支撑电容 器C充满电后，给被测IGBT门极发送控制脉冲，单、双脉冲均可，同时，测试IGBT导通时的 电流波形和Vce电压波形，以及驱动板的状态反馈信号波形。同步检验驱动板的短路保护 功能，根据电路不同，通常驱动板短路保护动作而封锁输出脉冲或指示灯被点亮。通过采集 和记录的电压、电流波形数据判断IGBT的短路电流值、Vce电压值。二极管D的作用是防 止IGBT栅级电压流向集电极。电容C为动态有源钳位时并联在IGBT的栅-集极之间，增 大了IGBT的栅-集极电容Cgc。放电电阻Rc为当IGBT处于关断稳态是电容C对其放电， 同时当IGBT串联使用时，其也可作为静态均压电阻。限流电阻R起保护瞬态电压抑制二级 管的限流作用。
[0041] 图3为本实用新型实施例的组成示意图；图4a、图4b为本实用新型实施例的主电 路电气原理图；
[0042] 图中，地面供电AC220V/50HZ通过空气断路器QAO和接触器KMO输入到AC/DC电 源装置，其输出可调直流电压范围为DCO?5000V，调压操作通过电脑显示界面人为设置， 采用通讯网络将调压指令传送给控制单元，再通过控制单元输出调压指令给AC/DC电源装 置，实现输出直流电压从OV在规定的时间内调到设定值，从OV起调压的目的是为了给后面 的支撑电容渐近充电，避免电容因突加高电压造成预充电电流太大。
[0043] 接触器KM1、KM2之前的电路主要为支撑电容器C2的充电电路，其中设有电压传感 器TVl、电流传感器TAl用于检测充电电源的电流和电压信号，实现电气保护。电压表Vl被 安装在操纵台上，用于充电电压的显示，电压检测显示指示灯采用气体发光管，用于电压预 警显示，属于安全指示。Rl和Cl组成RC吸收电路，用于抑制操作过电压，同时，Rl和R2还 是放电电阻，用于在试验结束时为支撑电容器提供放电。接触器KM1、KM2吸合时，电路为支 撑电容器C2充电，充电结束时，需要将KMl、KM2分断。
[0044]LUL2为双脉冲试验负载电抗器，共设置12个档位，至少能够满足1200A? 1500A/3. 3kV、900A?1200A/4. 5kV、600A/6. 5kV等级的IGBT元件的双脉冲或单脉冲试验， 试验时根据功率模块桥臂电流计算负载电抗器数值，将负载电抗器切换到相近的档位，每 次只能接入一个档位。档位控制可以采用接触器控制，也可以采用多位转换开关控制。
[0045] KM3、KM4为被试功率模块上、下桥臂控制接触器。双脉冲试验时，闭合KM3,断开 KM4,对被试品下桥臂IGBT进行试验，电流路径为：支撑电容器C2的U+端子KM3负 载电抗器L1+L2下桥臂IGBT支撑电容器C2的Ud-端子。双脉冲试验时，闭合KM4， 断开KM3,对被试品上桥臂IGBT进行试验，电流路径为：支撑电容器C2的U+端子一上桥 臂IGBT负载电抗器L1+L2KM4支撑电容器C2的Ud-端子。
[0046] LTl为双脉冲试验电流采集探头，采用罗氏线圈探头，能够保证微秒级的电流信号 检测，HT1、HT2为高压电压探头，需要采用隔离功能的产品，用于检测上或下桥臂IGBT元件 Vce电压信号。主电路中的电压和电流信号都被采集到控制单元相应的通道中。
[0047] 信号发生器用于产生单脉冲或双脉冲信号，此信号能够在显示界面上人为设置脉 冲宽度包括关断宽度TofT和开通宽度Ton。信号放大器用于实现脉冲信号功率放大，使其 能够满足功率模块驱动板所需的信号接口能力。信号发生器和信号放大器可以选用用成熟 的产品，但需要实现控制单元和信号发生器的通讯，使其能够通过电脑显示屏显示界面进 行波形编辑和波形显示。也可以通过控制单元的控制软件进行信号编辑和形成。
[0048] 整个系统还配置有I/O单元，用于采集控制电器的状态信号、操纵台控制指令信 号，以及接触器、继电器等控制电器的控制信号。
[0049] 为使本实用新型所提供技术方案的内容、目的和有益效果更加清楚，下面通过具 体实施参数进行详细描述。
[0050] 实施例一：
[0051] 1.可调直流电源
[0052] 标称功率 5kW 输入电压 AC220V/50HZ成AC380V/50HZ/3P 输出电压DC0V~5000V稳压精度±2.5V 纹波细数 Vp-p=2V
[0053] 带有网络通讯和控制功能
[0054] 2.可变电抗器
[0055] 标称电压 6000Vdc
[0056] 电感值：12个档位
[0057] 30uH?60uH?70uH?90uH?120uH?130uH?150uH
[0058] ?200uH?260uH?300uH?400uH?500uH
[0059] 脉冲电流 3000A
[0060] 3.信号发生器
[0061] 单脉冲（0?300uS可调）；
[0062] 双脉冲（Toff: 10 ?200uS可调，Ton: 10 ?200uS可调）
[0063] 4.信号放大器
[0064] 输出电压 15Vdc
[0065] 输出电流 50mA
[0066] 5.支撑电容器
[0067] 标称电压 4000Vrms 最大峰值电压5000V标称电容值 2?3mF 标称电流 100A 短路电流 30kA(10ms)
[0068] 6.接触器
[0069] 型号规格CITI接触器ONIX1500V(HXD2B机车变流柜预充电接触器）
[0070] 标称电压 3000Vrms
[0071] 标称电流 250A
[0072] 7.放电电阻
[0073] 标称电压 3000Vrms
[0074] 标称电阻 2Ω
[0075] 脉冲能量 30kJ
[0076] 8.电压检测指示灯
[0077] 标称电压 5000Vdc
[0078] 检测电压 48V?4000Vdc(大于48V发光器件点亮，小于40V熄灭）
[0079] 发光器件气体发光管或LED
[0080] 9.电脑主机
[0081] 嵌入式工控机。
[0082] 10.显示器
[0083] 17 "液晶显示器或15"触摸屏。
[0084] 11.PLC
[0085] 三菱。
[0086] 12.电源
[0087] DCO?5000V5KW。
[0088] 以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该 以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1. 一种IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其特征在于，包括操纵台、电源开关柜 和试验工装台，所述操纵台包括依次电连接的显示器、电脑主机、PLC、信号发生器和脉冲放 大器，所述PLC和脉冲放大器与所述电源开关柜之间通过信号线连接，所述电源开关柜与 所述试验工装台之间连接有信号线和直流高压线，所述电源开关柜连接有电源输入线； 所述电源开关柜包括可调直流电源、主电路控制和保护电器、电压电流检测传感器、可 调负载电抗器； 所述试验工装台包括模块机械接口架和模块电气接口架。
2. 根据权利要求1所述IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其特征在于，所述操纵 台的控制面板上设置有指示仪表、按钮、转换开关、指示灯。
3. 根据权利要求2所述IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其特征在于，所述试验 工装台还设有安全联锁防护装置。
4. 根据权利要求1、2或3所述IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其特征在于，所 述操纵台配置有I/O单元。
5. 根据权利要求1、2或3所述IGBT变流模块产品的性能测试试验台，其特征在于，所 述操纵台、电源开关柜和试验工装台都设有机械滚轮装置。
【文档编号】G01R31/00GK204256081SQ201420815976
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】贺觅知, 郭利民, 仝超 申请人:北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司