一种IGBT瞬态热特性测试装置及其运行方法与流程
本发明涉及电力电子器件测试装置和温度检测领域，尤其涉及功率半导体器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)瞬态热特性的测试装置以及运行方法。
背景技术：
IGBT模块是用功率MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种新型功率半导体器件，具有输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、开关速度快以及工作频率高等优点，成为目前电力电子市场最具有应用前景的功率半导体器件之一，已被广泛应用于轨道交通、电动汽车、风力发电、工业控制及家用电器等领域。由于IGBT多用于系统关键部位，其失效影响很大，在实际应用中，有很大一部分的功率器件失效是由热相关问题引起的，因此研究IGBT的热特性对研究其可靠性以及寿命预测等有重要的意义。
研究IGBT的热特性需要对其工作结温进行检测，目前，功率半导体器件相关的温度检测技术已经取得了很大的发展。“一种IGBT结温检测装置及其方法”(专利申请号：CN201110038568)主要涉及IGBT模块结温检测技术，具体手段是通过建立IGBT结温与散热器温度的关系来检测IGBT的结温；“一种IGBT温度检测电路”(专利申请号：CN201310230871)主要涉及对IGBT温度的检测，具体手段是采用差分输入电路来抑制共模干扰和电阻温漂来使温度的测定更准确；“一种IGBT温度检测方法”(专利申请号：CN201210230805)主要涉及IGBT的温度计算方法，具体手段是通过采集温敏电阻电压信号来计算IGBT的温度，实现对IGBT温度的实时检测，以上专利通过对测试模块进行简单的测试，直接或间接地对IGBT的结温进行检测或计算，但是均不涉及对IGBT瞬态热特性的检测，没有研究结温与热特性的关系。
为了实现对IGBT瞬态热特性的检测，需要一种能够准确测量IGBT模块结温的瞬态热特性测试装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对当前技术的不足，提供一种IGBT瞬态热特性测试装置及运行方法。本装置利用光纤温度传感器与待测IGBT模块内部芯片相连，并利用硅凝胶灌封技术对开封过的IGBT模块重新进行绝热封装，减小封装打开对测量精度的影响，从而达到对模块结温进行准确测量的目的；利用数字式温度传感器与待测IGBT模块铜底板相连，从而达到对模块壳温进行采集的目的；利用数据采集卡与工控机实现对模块电气参量进行采集的目的；通过同时测量IGBT模块的结、壳温度与电气参量来实现对瞬态热特性的测量。
本发明的技术方案为：
一种IGBT瞬态热特性测试装置，其组成包括恒流源、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、电气参量采集存储系统、IGBT驱动电路、散热器，各个系统各自独立；测试时IGBT测试模块分别与恒流源、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、电气参量采集存储系统、IGBT驱动电路、散热器相连。
所述的第一温度采集存储系统，其组成包括光纤温度传感器、温度信号解调器和第一计算机，其连接方式是：光纤温度传感器、温度信号解调器和第一计算机依次相连；
所述的第二温度采集存储系统，其组成包括数字式温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第二计算机，其连接方式是：数字式温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第二计算机依次相连；
所述的电气参量采集存储系统，其组成包括直流电源、电压隔离端子、霍尔传感器、高速数据采集卡、工控机，其连接方式是：直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源和第二直流电源分别与电压隔离端子和霍尔传感器相连接；电压隔离端子和霍尔传感器分别与数据采集卡相连接；数据采集卡与工控机相连接；
所述的IGBT驱动电路，主要包括信号发生器、光耦信号放大电路、驱动器、抗干扰电路和直流电源，其连接方式是：信号发生器、光耦信号放大电路、驱动器、抗干扰电路依次相连；直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源和第二直流电源分别与光耦信号放大器和驱动器相连接；驱动器与抗干扰电路相连接；
所述的抗干扰电路，主要包括保护电阻R1、15V稳压管DZ1和反向8V稳压管DZ2，二极管D1和D2，以及电阻R2和电阻R3，其连接方式是15V稳压管DZ1和反向8V稳压管DZ2串联后与保护电阻R1并联，电阻R2与二极管D1正向串联，电阻R3与二极管D2反向串联，将正向串联电路和反向串联电路并联后与与保护电阻R1并联。
所述的光耦放大电路，主要包括一个光耦放大器、电阻R4、电容C，15V稳压管DZ3，其连接方式是稳压管DZ3与电阻R4相串联后与电容C并联，并与光耦放大器相连接。
本发明的IGBT瞬态热特性计算方法，在恒流加热模式下，IGBT瞬态热特性的计算方法包括：
根据：
计算恒流加热过程中的瞬态热特性曲线。
本发明的IGBT动态热特性测试装置的运行方法，包括以下步骤：
首先，将IGBT测试模块分别与试验电流产生电路、第一温度采集存储系统、第二温度采集存储系统、电气参量采集存储系统、IGBT驱动电路、散热器相连；其中，打开IGBT测试模块，放入第一温度采集存储系统的光纤传感器后，再对测试模块进行硅凝胶灌封；然后开始以下步骤：
(1)系统初始化，启动计算机与工控机，等待温度数据与电气参量的存储与显示；
(2)试验参数设置：
①启动恒流源，调出试验所需的电流；
②调节IGBT驱动电路中的信号发生器，设置IGBT模块的栅极驱动信号，驱动信号能够使IGBT模块处于常通态，准备为驱动器输送驱动信号；
(3)闭合主开关，使电路处于闭合状态，检查各仪表是否显示正常；
(4)启动第一温度采集存储系统和第二温度采集存储系统，分别对测试模块内部芯片温度和铜底板温度进行温度数据的存储和显示；
(5)启动电气参量采集存储系统，对测试模块的集射极电压和集电极电流进行数据的存储和显示；
(5)启动所有电源开关，使整个测试装置进行工作
(6)待第一温度采集存储系统和第二温度采集存储系统的温度数据均基本恒定后，试验完成，关闭各个电源，系统停止工作。
(7)根据下式计算瞬态热特性曲线，式(1)中Tj(t)表示采集到的结温数据，Tc(t)表示采集到的壳温数据，VCE(t)表示采集到的集射极电压数据，IC(t)表示采集到的集电极电流数据。
(8)一轮试验完成后，系统停止工作，如需进行下一轮试验，则重复步骤(1)～(7)。
所述的IGBT测试模块封装方法，其组成包括IGBT模块、导热硅脂、散热片、第一温度采集存储系统中的光纤温度传感器、第二温度采集存储系统中的数字式温度传感器，其连接方式是：IGBT模块、导热硅脂和散热片依次相连；散热片经打孔处理，在IGBT测试模块内部左侧IGBT芯片对应的正下方留孔，数字式温度传感器置于孔中，打开IGBT模块上部封装，将封装内部的硅凝胶全部溶解，在打孔对应的IGBT模块内部芯片的侧面封装层上，打一个孔通入左侧的IGBT芯片上，将光纤温度传感器紧贴于IGBT内部左侧芯片上进行测温，重新利用硅凝胶灌封技术封装IGBT模块，并闭合IGBT模块上部封装，将导热硅脂均匀涂在IGBT模块铜底板和散热片上，将IGBT模块与散热片结合紧密，导热硅脂厚度为100-200μm。
所述的IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理的方法，包括以下步骤：
(1)打开IGBT模块上部封装，注入环氧树脂溶解剂，待硅凝胶全部溶解后在IGBT模块距离左侧内部芯片最近的封装材料上打孔，直接通入到IGBT芯片，通过孔相模块内部将第一温度采集存储系统的光纤温度传感器与IGBT芯片相接触，在模块外部固定住光纤温度传感器，然后将模块置于恒温箱中；
(2)取RTV硅胶中的A胶和B胶分别置于单独的烧杯中，各自去除沉淀后搅拌均匀；
(3)取搅拌好的A胶直接倒入塑料杯中，再倒入A胶质量十分之一的B胶，用搅拌棒顺着一个方向充分搅拌塑料杯中的胶水；
(4)将混合好的胶水静置4～6分钟；
(5)将胶水注入模块内部，使其充满整个模块，并闭合IGBT上部封装；
(6)将产品置于恒温箱中进行65℃下加热处理2小时，待固化后将模块封装好。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的IGBT瞬态热特性测试装置，能够对IGBT测试模块内部芯片结温、铜底板壳温及电气参量(包括集电极电流和集射极电压)同时且自动采集，且能通过相关计算得出IGBT模块瞬态热特性曲线，通过分析瞬态热特性曲线可以对IGBT模块的老化状态进行评估；
(2)本发明的IGBT瞬态热热性测试装置，能够测量不同加热电流下IGBT模块的瞬态热特性曲线，从而探究电流对IGBT模块发热及瞬态热特性的影响；
(3)本发明的IGBT瞬态热特性测试装置可以将测试集射极电压与集电极电流参量的数据采集卡换成示波器，并且将IGBT模块的驱动信号改为方波信号，采集不同结温下的集射极电压与集电极电流开关波形，研究温度对集射极电压与集电极电流开关波形的影响；
(4)本发明的IGBT瞬态热特性测试装置可以将驱动信号改为方波信号，研究开关状态下IGBT模块瞬态热特性的变化情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中，1-测试模块；2-恒流源；3-第一温度采集存储系统；4-第二温度采集存储系统；5-电气参量采集存储系统；6-IGBT驱动电路；7-散热器。
图2是本发明的第一及第二温度采集存储系统和电气参量采集存储系统。
图3是本发明的第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4及散热器7与IGBT模块的连接结构图。
图4是本发明的电气参量采集系统
图5是本发明IGBT驱动电路。
图6是本发明的试验运行流程图。
图7是本发明的具体电路连接图。
图8是本发明经过测试得到的恒流加热模式下IGBT模块的瞬态热特性曲线。
图9是本发明经过测量得到的老化过程中IGBT模块的瞬态热特性曲线。
具体实施方式(结合附图具体说明)
实施例：
如图1所示，本发明的IGBT瞬态热特性测试装置，其组成包括恒流源2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、电气参量采集存储系统5、IGBT驱动电路6、散热器7，各自独立；测试时IGBT测试模块1分别与恒流源2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、电气参量采集存储系统5、IGBT驱动电路6、散热片7相连。
本发明的IGBT测试模块1采用型号为MMG75SR120B的宏微IGBT模块，其耐压等级(Vces)为1200V，电流等级(Ic)为75A。
本发明的电气参量采集系统中的高速数据采集卡采用型号为研华818HG数据采集卡，具有16路单端或8路差分模拟量输入，100KHz12位A/D转化器，16路100KHz高增益DAS卡。
如图2所示，本发明的第一温度采集系统3，其组成包括光纤温度传感器、温度信号解调器和第一计算机，其连接方式是：光纤温度传感器、温度信号解调器和第一计算机依次相连，计算机对温度数据进行显示和存储；通过对IGBT测试模块进行特殊处理，在对IGBT测试模块没有任何损伤的前提下将光纤温度传感器紧贴在IGBT测试模块内部的发热芯片上来对温度信号进行采集，并将温度数据保存并显示在计算机上。
其中，光纤温度传感器采用OSP-A型号，检测温度范围为-50℃～+150℃；温度信号解调器采用MUS-P4-62SC。
本发明中，利用IGBT硅凝胶灌封技术对IGBT测试模块进行处理的方法，具体包括以下步骤：
(1)打开IGBT模块上部封装，注入环氧树脂溶解剂，待硅凝胶全部溶解后在IGBT模块距离左侧内部芯片最近的封装材料上打孔，直接通入到IGBT芯片，通过孔相模块内部将第一温度采集存储系统张的光纤温度传感器与IGBT芯片相接触，在模块外部固定住光纤温度传感器，然后将模块置于恒温箱中；
(2)取RTV硅胶中的A胶和B胶分别置于单独的烧杯中，各自去除沉淀后搅拌均匀；
(3)取搅拌好的A胶直接倒入塑料杯中，再倒入A胶质量十分之一的B胶，用搅拌棒顺着一个方向充分搅拌塑料杯中的胶水；
(4)将混合好的胶水静置4～6分钟；
(5)将胶水注入模块内部，使其充满整个模块，并闭合IGBT上部封装；
(6)将产品置于恒温箱中进行65℃下加热处理2小时，待固化后将模块封装好。
如图2所示，本发明的第二温度采集存储系统4，其组成包括第二温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第二计算机，其连接方式是：第二温度传感器、温度信号采集模块、温度信号传输模块和第二计算机依次相连，计算机对温度数据进行显示和存储；本系统通过数字式温度传感器对IGBT测试模块1铜底板温度(即IGBT测试模块1的壳温)进行采集，并通过无线传输技术将温度数据保存并显示在计算机上。
其中，第二温度传感器采用数字式温度传感器DS18B20-1，检测温度范围为-55℃～+125℃(精度±0.1℃)；温度信号采集模块采用无线数据采集设备SZ06；温度信号传输模块采用无线数据传输设备SZ02-USB-2K。
如图2所示，本发明的电气参量采集存储系统5，其组成包括霍尔传感器、电压隔离端子、高速数据采集卡、工控机组成，其连接方式是：霍尔传感器与电压隔离端子分别与IGBT测试模块1相连，然后分别与高速数据采集卡、工控机依次相连，工控机对电气参量数据进行显示和存储；本系统通过霍尔传感器和高速数据采集卡对IGBT测试模块1的集电极电流进行采集，并将集电极电流数据保存并显示在工控机上，本系统通过电压隔离端子和高速数据采集卡对IGBT测试模块1的集射极电压进行采集，并将集射极电压数据保存并显示在工控机上。
本发明的装置中的组成可以分布在一个装置柜内。
如图3所示，本发明的第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4及散热器7与IGBT模块的连接结构图，其组成包括IGBT测试模块1、第一温度采集存储系统3中的光纤温度传感器、第二温度采集存储系统4中的数字式温度传感器、导热硅脂、散热器7，其连接方式是：IGBT模块、导热硅脂和散热器依次相连，散热器经打孔处理，在IGBT测试模块内部IGBT芯片对应的下方留有一个通孔，数字式温度传感器置于通孔中，在IGBT模块侧方打孔，将光纤温度传感器放入孔中并与IGBT芯片接触；利用IGBT硅凝胶灌封技术对开孔的IGBT测试模块进行处理；将导热硅脂均匀地涂在IGBT模块铜底板和散热器上用于IGBT模块与散热器的连接，导热硅脂用于将散热片与IGBT模块紧密粘合在一起，并保持良好的散热，其厚度为100-200μm，IGBT测试模块与散热器通过导热硅脂进行传热。
散热片经打孔处理，在IGBT测试模块内部左侧IGBT芯片对应的正下方留孔，数字式温度传感器置于孔中，在打孔对应的IGBT模块内部芯片的侧面封装层上，打一个孔通入左侧的IGBT芯片上，将光纤温度传感器紧贴于IGBT内部左侧芯片上进行测温。
导热硅脂采用信越G747，导热率为1.09W/(m*℃)；散热器7采用6063铝合金材料，导热率为209W/(m*℃)(25℃)；光纤温度传感器采用OSP-A；第二温度传感器采用DS18B20-2。
如图4所示，本发明的电气参量采集存储系统，其组成包括霍尔传感器、电压隔离端子、高速数据采集卡、工控机，其连接方式是：IGBT模块分别与霍尔传感器、电压隔离端子相连，霍尔传感器、电压隔离端子分别与高速数据采集卡相连，高速数据采集卡与工控机相连。
本电路实现的主要功能是对IGBT的集电极电流和集射极电压进行实时采集，其中，霍尔传感器采用WHB-SY15D4；电压隔离端子采用WS1521C；高速数据采集卡采用研华818HG。
如图5所示，本发明的驱动电路，其组成包括抗干扰电路、驱动器、光耦放大电路、信号发生器、直流电源1和直流电源2，其连接方式是直流电源1与驱动器相连接，输出+15V直流电，直流电源2与光耦放大器相连接，输出+24V直流电，信号发生器、光耦放大电路、驱动器、抗干扰电路依次连接，并与IGBT测试模块连接。
抗干扰电路包括一个10kΩ的保护电阻R1，15V稳压管DZ1和反向8V稳压管DZ2，其连接方式是15V稳压管DZ1和反向8V稳压管DZ2串联后与保护电阻R1并联，这部分电路的作用是消除驱动信号中的毛刺，使驱动信号稳定在+15V和-8V，抗干扰电路还包括二极管D1和D2，以及一个10Ω的电阻R2和一个20Ω的电阻R3，其连接方式是电阻R2与二极管D1正向串联，电阻R3与二极管D2反向串联，将正向串联电路和反向串联电路并联，与驱动器的X2.2和X2.1接口连接，这部分电路的作用是消除驱动信号中的震荡，并控制IGBT模块的开关速率，避免由于开关速度过快导致的电压电流变化率急剧提高对整个装置造成的影响。
光耦放大电路包括一个光耦放大器、一个100Ω的电阻R4、一个0.1μF的电容C，一个+15V稳压管DZ3，其连接方式是稳压管DZ3与电阻R4相串联后与电容C并联，并与光耦放大器相连接，其作用是将从信号发生器中发出的信号进行放大，满足驱动器输入信号的要求。
本电路试验的主要功能是对IGBT驱动信号的控制，通过对信号发生器进行调节，得到所需的信号，幅值范围为+10V和0V，将信号发生器发出的信号输入到光耦放大电路中进行放大，得到幅值为+15V和0V的信号，将放大后的信号输入驱动器中，得到幅值为+15V和-8V的信号，最后经过抗干扰电路的处理，消除回路震荡以及信号毛刺，得到符号要求的驱动信号。
其中，信号发生器采用FG708S；光耦放大器采用TLP250；驱动器采用PSHI2012；D1和D2均采用IN4007DZ1；DZ1采用IN5352；DZ2采用IN5344。
本发明的一种IGBT瞬态热特性测试装置的运行方法，包括以下步骤(如图6所示)：
将IGBT测试模块1分别与恒流源2、第一温度采集存储系统3、第二温度采集存储系统4、电气参量采集存储系统5、IGBT驱动电路6、散热器7相连接；其中，对IGBT测试模块1进行硅凝胶灌封，以保证其封装的完整性，然后开始运行：
(1)系统初始化，启动计算机与工控机，等待温度数据与电气参量的存储与显示；
(2)试验参数设置：
①启动恒流源，调出试验所需的电流；
②调节IGBT驱动电路中的信号发生器，设置IGBT模块的栅极驱动信号，驱动信号能够使IGBT模块处于常通态，准备为驱动器输送驱动信号；
(3)闭合主开关，使电路处于闭合状态，检查各仪表是否显示正常；
(4)启动第一温度采集存储系统和第二温度采集存储系统，分别对测试模块内部芯片温度和铜底板温度进行温度数据的存储和显示；
(5)启动电气参量采集存储系统，对测试模块的集射极电压和集电极电流进行数据的存储和显示；
(5)启动所有电源开关，使整个测试装置进行工作
(6)待第一温度采集与存储系统和第二温度采集与存储系统的温度数据均基本恒定后，试验完成，关闭各个电源，系统停止工作。
(7)根据下式计算瞬态热特性曲线，式(1)中Tj(t)表示采集到的结温数据，Tc(t)表示采集到的壳温数据，VCE(t)表示采集到的集射极电压数据，TC(t)表示采集到的集电极电流数据。
(8)一轮试验完成后，系统停止工作，如需进行下一轮试验，则重复步骤(1)～(7)。
图7所示给出了本发明的IGBT测试模块的具体电路。
如图7恒流源来为IGBT模块提供恒定加热电流，驱动电路通过信号发生器为驱动板提供驱动信号，通过对信号发生器的控制来调节IGBT模块的工作状态，电气参量采集系统完成对IGBT模块工作过程中集电极电流与集射极电压的采集，负载R为10Ω/8000W大功率电阻。
为了测量IGBT模块的瞬态热特性曲线，本装置将恒流源设置为20A为IGBT模块加热，并通过第一温度采集存储系统完成对IGBT模块结温的采集与存储，通过第二温度采集存储系统完成对壳温的采集与存储，通过电气参量采集存储系统完成对集电极电流与集射极电压的采集与存储，通过计算来得到IGBT瞬态热特性曲线。
图8为完成上述试验后得到的20A加热电流下IGBT模块的瞬态热特性曲线。
本装置是对IGBT瞬态热特性进行测试的装置，通过得到的瞬态热特性曲线，可以对老化程度进行检测。对IGBT模块进行温度循环老化试验，设置通入的老化电流为50A，壳温上限为90℃，壳温下限为40℃，每循环1000次测量一次瞬态热特性曲线，老化试验进行至IGBT失效时停止，对实验得到的瞬态热特性曲线进行去噪处理后，可以得到退化过程中的IGBT瞬态热特性曲线。
图9为完成上述试验后得到的老化进程中IGBT的瞬态热特性曲线，从下到上老化次数依次为0次、1000次、2000次、3000次、4000次、5000次、6000次，对应的退化程度依次为：未退化、较轻微退化、轻微退化、中度退化、较严重退化、严重退化。在老化进程中，瞬态热特性曲线上升的速度不断加快，接近稳态时的值不断升高，由此可知，通过测量某一模块的瞬态热特性曲线，与老化进程中的各个瞬态热特性曲线进行对比，可以对IGBT模块的老化状态进行评估。
通过上面描述，我们可以知道，该装置能通过实时采集IGBT模块结温、壳温、集电极电流和集射极电压来得到瞬态热特性曲线，通过分析瞬态热特性曲线可以对IGBT测试模块的老化状态进行评估，对IGBT可靠性及寿命预测的研究提供指导作用。
本发明未尽事宜为公知技术。
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