一种IGBT的组合式故障自动检测装置的制作方法

本发明属于电力电子器件检测技术领域，尤其是一种IGBT的组合式故障自动检测装置。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为一种重要的电力电子器件，在各类电能变换装置中被广泛地应用。实际使用中，IGBT器件的运行可靠性和工作寿命与其所处的工作环境密切相关。当IGBT结温出现较大波动时，IGBT焊接层会加速老化，结温持续波动所产生的热循环冲击也会导致IGBT铝键合线断裂或者脱落。另外，在高结温运行过程中，IGBT芯片的工作寿命也会大大降低。以上情况都会造成IGBT的故障从而引起重大经济损失，影响正常的生产生活。

目前，针对IGBT产生故障的原因，检测IGBT故障的方法主要包括热传感器法、红外摄像测温法、光纤测温法等，这些方法都是通过测量出IGBT工作结温来判断器件是否出现故障，但这些方法都不适用于IGBT结温的实时检测，很难同时兼顾操作便携性和测量准确性。

针对IGBT的故障检测方面，人们不断地进行研究，专利申请号为CN201410580089.3的中国专利公开了一种检测IGBT功率器件可靠性的方法及装置，该专利采用显微红外测量方法和热敏参数法分别得到IGBT的峰值结温和平均热阻，从而对IGBT可靠性进行评价。该专利虽然可以有效判断温度对IGBT的影响，但仍不能够判断由于封装失效所造成的IGBT故障，无法直接观测到IGBT键和引线形变等情况，因此，大大降低了故障检测时的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有设计的不足，提供一种设计合理、准确性高且操作简单的IGBT组合式故障自动检测装置。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种IGBT的组合式故障自动检测装置，包括行走主体、装置主体、锁紧模块、角度调节模块、检测模块、控制模块和电源模块；

所述行走主体包括半球形架体、螺旋式轨道和连接支撑件，所述半球形架体由多个弧形骨架组成，弧形骨架底部均布安装在连接支撑件外沿上并向上延伸至半球形架体的顶部；所述螺旋式轨道下端安装在连接支撑件中部且上端与半球形架体顶部固装在一起，该螺旋式轨道由上方的横臂、中间的竖臂和下方的底座一体制成；

所述装置主体包括一个横向单体和两个纵向单体，每个单体均为空心长方体结构，两个纵向单体通过转轴安装在横向单体两端下方且围绕横向单体做横向旋转运动，所述横向单体靠近半球形架体球心一侧的侧面通过角度调节模块和检测模块相连接，所述两个纵向单体在远离横向单体一侧的空心内部结构内分别安装有步进电机，该步进电机通过传动轴和锁紧模块相连接；

所述锁紧模块包括主动轮、从动轮、连接板、第一锁紧连杆、第二锁紧连杆、轴承、轴承座、转轴、压缩弹簧、手柄；两个主动轮分别位于螺旋式轨道的横臂下端左右两侧，两个从动轮分别位于螺旋式轨道的横臂上侧左右两侧，所述连接板包括上段连接板和下段连接板，上段连接板连接从动轮和第一锁紧连杆的一端，下段连接板连接主动轮和第二锁紧连杆的一端，所述轴承与装置主体中步进电机的传动轴相连接，该轴承固定安装在轴承座上，所述轴承座和下段连接板相连接，所述上段连接板固装在从动轮的轮中心处，所述第一锁紧连杆和第二锁紧连杆各自中间部分通过转轴相连并互相成交叉状，所述压缩弹簧两端固定在远离连接板一侧的两个锁紧连杆上面，其中，所述转轴、压缩弹簧以及连接有压簧弹簧的部分锁紧连杆均安装在装置主体的两个纵向单体的内部空心结构里；两个手柄分别和远离连接板一侧的两个锁紧连杆的端部相互连接并且安装在两个纵向单体的外表面处；

所述角度调节模块包括驱动电机、蜗杆、第一蜗轮、第二蜗轮、固定架、第一直齿锥齿轮、第二直齿锥齿轮、齿条、升降轨道、连接杆、纵向转动板、连接架和横向转动臂，该角度调节模块安装在装置主体中横向单体内的空心结构里，所述驱动电机通过传动轴和蜗杆的输入轴相连，所述第一蜗轮和第二蜗轮大小相同，均与蜗杆相互啮合连接并以蜗杆为中心对称分布，两个蜗轮通过固定架固定在横向单体的内部，所述固定架为空心圆柱体结构且圆半径比蜗轮的圆半径大，该固定架通过螺栓直接和横向单体连接，两个第一直齿锥齿轮分别和第一蜗轮、第二蜗轮相连，所述第二直齿锥齿轮与第一直齿锥齿轮相互啮合且成90度夹角，两个齿条固定在升降轨道上并分别与两个直齿锥齿轮相互啮合，所述升降轨道安装在横向单体内表面上，所述连接杆有四个且纵向转动板有两个，其中两个连接杆的同一端和一个纵向转动板相连，另一端分别连接于第一直齿锥齿轮和一个齿条上，另外两个连接杆的同一端和另一个纵向转动板相连，另一端分别连接于第二直齿锥齿轮和另一个齿条上，所述连接架一端和两个纵向转动板相连且另一端和横向转动臂相连，所述横向转动臂为正方形形状，所述连接架内部为空心结构并安装有电机，该电机通过传动机构与横向转动臂相连接用于带动转动臂旋转；

所述检测模块包括驱动电机、太阳齿轮、行星齿轮、齿圈、行星齿轮轴、转盘、高清摄像头、红外摄像头和高速录像摄像头，所述检测模块和横向转动臂一侧相连接，所述驱动电机安装在横向转动臂内部空心结构里并通过传动机构带动太阳齿轮进行自身旋转，所述行星齿轮包括三个大小相同且相互呈120度夹角分布，三个行星齿轮相互靠近一侧共同和太阳齿轮啮合且相互远离一侧共同和齿圈啮合，所述行星齿轮轴各自套在三个行星齿轮轮中心且伸出来的一端同时和转盘相连，通过行星齿轮轴的一定带动转盘做旋转运动，所述转盘上安装有高清摄像头、红外摄像头以及高速摄像摄像头；

所述控制模块与锁紧模块、角度调节模块、检测模块相连实现检测控制功能，所述电源模块与检测模块和控制模块相连为其供电。

所述控制模块包括控制机构和报警电路，所述控制机构分别和锁紧模块、角度调节模块以及检测模块相连来控制各个模块完成各自相应动作从而实现检测装置的整个检测过程，所述控制机构与报警电路相连接用于接收报警电路传送的报警信息并通过无线通讯模块与远程调控中心相连接。

所述电源模块由蓄电池构成。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用半球形的螺旋式轨道结构，通过装置主体在轨道上的不断移动，获得不同时刻以及不同位置角度下的IGBT的状态信息，从而对IGBT模块完成360度全方位的立体式故障检测，同时检测过程中采用多种摄像头组合的方式，在IGBT发生故障前采用高清摄像头和红外摄像头组合的方式，实时检测IGBT的键合引线形变情况和IGBT芯片结温分布情况，当IGBT产生故障后，采用红外摄像头和高速录像摄像头组合的方式，将故障后的实时状态以录像形式记录下来，同时结合红外摄像头对IGBT结温的检测，供相关工作人员进行相关故障分析，实现IGBT的组合式故障自动检测功能。

2、本发明中的装置主体整体为对称结构，避免了装置主体在轨道上行进过程中的重心偏移问题，增强了检测装置的实用性和可靠性。

3、本发明在锁紧模块中采用压缩弹簧的结构，当检测装置在运行过程中，压缩弹簧处于被拉长的状态，与压缩弹簧直接相连的一端的两个锁紧连杆会因为压缩弹簧的拉力产生互相远离的趋势，通过转轴的作用，远离压缩弹簧一端的两个锁紧连杆会产生相互靠近的趋势，从而将轨道上的轮子固定，起到锁紧的作用，当需要将装置主体从轨道上拆卸和安装时，工作人员可以通过握紧手柄使得压缩弹簧被压缩，从而使装置中的轮子从轨道上脱离，增加了装置的实用性和便携性。

4、本发明在角度调节模块中，采用直齿锥齿轮的结构，通过齿轮的顺时针和逆时针的转动带动齿条完成下降或者上升的动作，进而带动与齿条连接的纵向转动板实现升降动作，整体表现为装置实现在纵向上的转动；另外通过连接架和横向转动臂的配合，整体表现为装置实现在横向上的转动，从而使得与角度调节模块相连的检测模块能够完成多角度的转动，可检测的范围得以增大，增强了检测装置的准确性。

5、本发明的检测模块采用行星齿轮结构，通过齿轮之间的相互啮合转动，实现了摄像头之间的相互转动，从而使得检测装置的多信息检测的功能得以实现。

附图说明

图1是本发明的行走主体的结构示意图；

图2是本发明的装置主体的结构示意图；

图3是本发明的锁紧模块的结构示意图；

图4是本发明的锁紧模块的动作时示意图；

图5是本发明的角度调节模块的结构示意图；

图6是本发明角度调节模块的动作时示意图；

图7是本发明的检测模块的结构示意图；

图8是本发明的故障检测流程图；

图中，11-半球形架体、12-螺旋式轨道、13-连接支撑件、21-横臂、22-竖臂、23-底座、24-横向单体、25-纵向单体、26-转轴、27-步进电机、28-传动轴、31-主动轮、32-从动轮、33-连接板、341-第一锁紧连杆、342-第二锁紧连杆、351-轴承、352-轴承座、36-转轴、37-压缩弹簧、38-手柄、51-驱动电机、521-蜗杆、522-第一蜗轮、523-第二蜗轮、53-固定架、541-第一直齿锥齿轮、542-第二直齿锥齿轮、543-齿条、55-升降轨道、56-连接杆、57-纵向转动板、58-连接架、59-横向转动臂、71-驱动电机、72-太阳齿轮、73-行星齿轮、74-齿圈、75-行星齿轮轴、76-转盘、77-高清摄像头、78-红外摄像头、79-高速录像摄像头、81-控制机构、82-报警电路、83-无线通讯模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种IGBT的组合式故障自动检测装置，由行走主体、装置主体、锁紧模块、角度调节模块、检测模块、控制模块、电源模块以及无线通讯模块构成，所述装置主体通过锁紧模块固定在行走主体上，所述角度调节模块安装在装置主体内，所述检测模块安装在装置主体上，所述检测模块和所述角度调节模块相连实现对IGBT的故障检测功能，所述控制模块、电源模块和无线通讯模块安装在装置主体内，所述控制模块与锁紧模块、角度调节模块、检测模块和无线通讯模块相连接实现检测控制功能，所述电源模块与检测模块和控制模块相连为其供电。下面对检测装置中的各个部分分别进行说明。

如图1所示，所述行走主体包括半球形架体11、螺旋式轨道12和连接支撑件13。所述半球形架体11由具有高强度的若干骨架组成，本实施例给出的半球形架体11是由4根骨架连接构成，在实际装置中不限于图中所示数量，所述骨架呈弧形状，每个骨架之间间隔10cm，并沿着同一方向延伸至所述半球形架体11的顶部，直到顶部各个骨架汇聚在一点。所述螺旋式轨道12环绕架设在所述半球形架体11里面，并沿着所述半球形架体11的球半径减小方向形成螺旋状，螺旋半径沿着此方向逐渐减小，所述螺旋式轨道12整体来看为近似的半球体形状。所述连接支撑架13四周与半球形架体11的底部相连接，该连接支撑架13中部与螺旋式轨道12，从而将所述半球形架体11和所述螺旋式轨道12连接在一起，在实际装置中不限于图中所示连接支撑件13的数量。另外，如图2所示，所述螺旋式轨道12的每一段轨道的截面形状近似为“工”字形，所述螺旋式轨道12包括上方一个横臂21、中间一个竖臂22和下方一个底座23，该轨道以竖臂22为中心左右对称分布，其中，横臂21的长度为8cm，底座23的长度为4cm，横臂21、竖臂22和底座23组成的轨道高度为5cm。

如图2所示，所述装置主体包括一个横向单体24和两个纵向单体25，每个单体本身为一个空心长方体结构，三个单体的尺寸大小相同，每个单体所构成的长方体结构长度为16cm，宽度为5cm，高度为10cm，所述两个纵向单体25互相平行分布，所述横向单体24和所述两个纵向单体25互相垂直分布，共同组成一个近似n型的空心立体结构，其中，所述两个纵向单体25和所述横向单体24之间通过转轴26相连，所述两个纵向单体25通过转轴26围绕所述横向单体24做横向旋转运动，以纵向单体25和横向单体24之间垂直分布为起始零度，横向旋转角度范围为负15度角至正15度角。所述装置主体半包围式地安装在所述螺旋式轨道12的上方，其中，所述横向单体24靠近所述半球形架体11球心一侧的内部空心结构里安装有所述角度调节模块，远离所述半球形架体11球心一侧的内部空心结构里安装有配重块，从而达到装置主体整体平衡的目的，使得所述装置主体在所述螺旋式轨道上运动保持平衡。所述两个纵向单体25在远离所述横向单体24一侧的空心内部结构里分别安装有步进电机27，所述步进电机27通过传动轴28和所述锁紧模块相连接(参见图3)。

如图3所示，锁紧模块包括主动轮31、从动轮32、连接板33、第一锁紧连杆341、第二锁紧连杆342、轴承351、轴承座352、转轴36、压缩弹簧37、手柄38，所述主动轮31共有两个，分别位于所述螺旋式轨道12中所述横臂21下侧的左右两侧，所述从动轮32也共有两个，分别位于所述螺旋式轨道横臂21上侧的左右两侧(参见图2)，其中，所述主动轮31和所述从动轮32的轮半径大小相同，均为5cm；所述连接板33共有两个，每一个均分为上下两段，其中，上段连接板连接所述从动轮32和所述第一锁紧连杆341的一端，下段连接板连接所述主动轮31和所述第二锁紧连杆342的一端，整体来看，所述两个连接板33以所述螺旋式轨道12中所述横臂21为中心，分别安装在横臂21左侧两个轮的外侧和横臂21右侧两个轮的外侧；分别安装在装置主体中两个纵向单体25里的两个步进电机27的传动轴28各自和所述轴承351相连接，其中，所述传动轴28中间部分通过所述锁紧连杆上的穿孔；所述轴承351固定在所述轴承座352上，所述轴承座352和所述下段的连接板33相连接，所述上段连接板33固定安装在所述从动轮32的轮中心处，所述上段连接板33通过螺栓和所述连接板33相连，此外，所述第一锁紧连杆341和所述第二锁紧连杆342也各有两个，以所述横臂21为中心，每一侧有一个第一锁紧连杆341和一个第二锁紧连杆342，两个锁紧连杆各自中间部分通过所述转轴36相连，互相成交叉状，两个锁紧连杆可以以所述转轴36为中心转动，所述压缩弹簧37两端固定在远离连接板33一侧的部分锁紧连杆的上面，其中，所述转轴36、压缩弹簧37以及连接有压缩弹簧37的部分锁紧连杆都安装在所述装置主体的两个纵向单体22的内部空心结构里，所述手柄38共有四个，每两个为一组分别和连接有压缩弹簧37一侧的两个锁紧连杆的端部处相互连接，所述手柄安装在两个纵向单体22的外表面处。

如图4所示，锁紧模块实现锁紧功能原理如下：装置主体锁紧在所述螺旋式轨道12上面时，压缩弹簧37处于被拉长的状态，与压缩弹簧37直接相连的一端的两个锁紧连杆会因为压缩弹簧37的拉力产生互相靠近的趋势，通过转轴的作用，没有与压缩弹簧37直接相连的的部分锁紧连杆会产生相互靠近的趋势，与这部分锁紧连杆相连的所述连接板33会受到来自一上一下两个方向的压力，和连接板33相连的主动轮31和从动轮32会同时向螺旋式轨道12上的横臂21施加压力，从而整体上看实现了将轨道上的轮子固定的功能；当工作人员需要将装置主体从螺旋式轨道12上面取下时，每只手握住位于同一个纵向单体25上的两个手柄38，此时，压缩弹簧37被压缩，与压缩弹簧37直接相连的一端的两个锁紧连杆会因为压缩弹簧37的拉力产生互相远离的趋势，通过转轴36的作用，远离压缩弹簧37一端的两个锁紧连杆会产生相互靠近的趋势，从而使轨道上的轮子离开轨道，同时，工作人员将所述两个纵向单体25通过转轴23向远离螺旋式轨道12一侧方向转动，使得装置主体能够完全从螺旋式轨道12上脱离，进而达到拆卸的目的。

如图5所示，角度调节模块包括驱动电机51、蜗杆521、第一蜗轮522、第二蜗轮523、固定架53、第一直齿锥齿轮541、第二直齿锥齿轮542、齿条543、升降轨道55、连接杆56、纵向转动板57、连接架58和横向转动臂59。所述角度调节模块安装在所述装置主体中横向单体21内的空心结构里，其中，所述驱动电机51通过传动轴和所述蜗杆521的输入轴相连，所述第一蜗轮522和第二蜗轮523大小相同，均与所述蜗杆521相互啮合连接并以所述蜗杆521为中心对称分布，两个蜗轮通过所述固定架53固定在横向单体21的内部，其中，所述固定架53为空心圆柱体结构，圆半径比所述蜗轮的圆半径大，所述固定架53通过螺栓直接和横向单体21连接。所述第一直齿锥齿轮541有两个，分别和所述第一蜗轮522、第二蜗轮523相连，其中，两个第一直齿锥齿轮541的齿轮中心分别和两个蜗轮的轮中心在一条直线上，另外两个第一直齿锥齿轮541的齿轮边缘分别和两个蜗轮的轮边缘也相切，所述第二直齿锥齿轮542与所述第一直齿锥齿轮541相互啮合，并且所述第二直齿锥齿轮542与所述第一直齿锥齿轮541相互啮合的位置为远离所述蜗杆521的位置上，整体上看，所述第二直齿锥齿轮542和所述第一直齿锥齿轮541成90度夹角。所述齿条543有两个，固定在所述升降轨道55上并分别和两个直齿锥齿轮相互啮合，所述升降轨道55安装在横向单体21的内表面上，其中，所述齿条543和所述升降轨道55固定处安装有多个小滑轮，从而实现齿条543在升降轨道55上上下滑动；所述连接杆56有四个，每个连接杆56的长度相同，所述纵向转动板57有两个，其中两个连接杆56的同一端和一个纵向转动板57相连，另一端分别连接于第一直齿锥齿轮541和一个齿条543上，另外两个连接杆56的同一端和另一个纵向转动板57相连，另一端分别连接于第二直齿锥齿轮542和另一个齿条543上，所述连接架58一端和两个纵向转动板57相连，另一端和所述横向转动臂59相连，所述横向转动臂59整体为正方形形状，所述连接架58内部为空心结构，安装有电机，电机通过传动机构跟所述横向转动臂59相连接，从而达到带动横向转动臂59旋转的目的。

如图6所示，角度调节模块实现角度调节功能原理如下：在驱动电机51带动下，蜗杆521围绕传动轴开始旋转，当蜗杆521旋转的同时，在齿轮啮合作用下第一蜗轮522、第二蜗轮423以及和两个蜗轮相连的第一直齿锥齿轮541、第二直齿锥齿轮542也开始进行旋转，两个直齿锥齿轮旋转的同时带动两个齿条543上下移动，通过齿条543的移动，实现了两个纵向转动板57以连接着两个直齿锥齿轮的两个连接杆56为轴，另两个连接杆56围绕着进行上下旋转，整体上看，完成角度调节模块在纵向上的转动；所述横向转动臂59和所述连接架58之间靠转轴相连，在所述连接架58内部安装的电机的带动下，通过传动机构中一系列齿轮间的相互啮合使得所述横向转动臂59可以围绕转轴进行转动，整体上看，完成角度调节模块在横向上的转动。

如图7所示，检测模块包括驱动电机71、太阳齿轮72、行星齿轮73、齿圈74、行星齿轮轴75、转盘76、高清摄像头77、红外摄像头78和高速录像摄像头79。所述检测模块和所述横向转动臂59远离所述连接架58一侧相连接，其中，所述驱动电机71安装在所述横向转动臂59内部空心结构里并通过传动机构带动所述太阳齿轮72自身进行旋转，所述行星齿轮73共有三个且大小尺寸相同，相互呈120度夹角分布，三个行星齿轮73的齿轮边缘相互靠近一侧共同和所述太阳齿轮72啮合，齿轮边缘相互远离一侧共同和所述齿圈74啮合，整体上看，实现了三个行星齿轮73以相同的转速来围绕所属太阳齿轮72进行转动的功能，所述行星齿轮轴75各自套在三个行星齿轮73的轮中心，伸出来的一端同时和所述转盘76相连，其中，行星齿轮73的转动带动行星齿轮轴75做相同移动，继而和所述行星齿轮轴75相连的转盘76整体实现自身旋转运动；所述转盘76上安装有所述高清摄像头77、红外摄像头78以及高速摄像摄像头79，通过所述转盘76的旋转运动最终实现了多种摄像头之间的转换功能，从而增强了检测装置的实用性和功能性。

如图8所示，控制模块包括控制机构81和报警电路82，所述控制机构81分别和锁紧模块、角度调节模块以及检测模块相连来控制各个模块完成各自相应动作从而实现检测装置的整个检测过程。所述报警电路82能够接收来自检测模块中的检测信号，当采集到的信号值超过报警电路82所设定的信号报警值时，报警电路82开始工作。控制模块所实现的控制功能具体过程如下：所需要检测的IGBT位于螺旋式轨道12底部的中心处，所述装置主体由所述螺旋式轨道12的底部开始向上运动，在向上运动的过程中，所述检测模块中高清摄像头77和红外摄像头78一直处于工作状态，高清摄像头77和红外摄像头78上面安装有信号发生器，所述控制模块中的控制机构81能够接收来自信号发生器的信号，并根据信号情况实时控制角度调节模块里的驱动电机51和位于连接架58内部的电机工作，控制纵向转动板57和横向转动臂59的动作，实现高清摄像头77和红外摄像头78在横向和纵向上的转动，从而使得装置主体在运动过程中高清摄像头77和红外摄像头78能够一直对准所需检测的IGBT，其中，高清摄像头77可以将IGBT外部的键合引线发生形变情况实时记录下来，红外摄像头78可以检测IGBT芯片结温向外发射的光谱，并根据光谱和结温的函数关系测量结温。当所述装置主体运动到所述螺旋式轨道12的最顶部时，位于轨道最顶部的信号发生器将信号传送至控制机构81，控制机构81开始控制纵向单体22里的步进电机31进行反转，所述装置主体开始由轨道顶部向下运动，从而保持一直在螺旋式轨道12上运动；此外，在装置主体运动过程中，在IGBT芯片上安装有互感器，可以实时测量IGBT芯片中电压电流变化情况，当测量出的通态压降出现较大波动时，信号传送至报警电路82，报警电路82开始工作并将信号传送至控制机构81，此时认定所检测的IGBT出现故障异动，控制机构81开始控制检测模块里的驱动电机71工作，检测IGBT的摄像头中的高清摄像头77切换为高速录像摄像头79，使检测装置开始通过高速录像摄像头79将IGBT出现故障之后的实时情况记录下来并储存，红外摄像头78继续记录故障后的IGBT结温情况，同时，控制机构81将信号送至无线通讯模块83，供相关工作人员进行进一步地分析，实现IGBT的组合式故障自动检测。

所述的无线通讯模块83采用无线通讯设备，无线通讯设备根据检测装置采集到的信号，把IGBT的实际工作情况传输到监测中心。

所述电源模块由蓄电池构成，为装置其他模块供电。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。