一种脉冲功率交流老化试验平台及试验方法与流程

本发明属于电气设备
技术领域：
，涉及到igbt模块，具体涉及一种脉冲功率交流老化试验平台及试验方法。
背景技术：
：igbt(insulatedgatebipolartransistor)，全称绝缘栅双极晶体管，是mosfet和gtr(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(c)、发射极(e)和栅极(g)。igbt的特点：击穿电压可达1200v，集电极最大饱和电流已超过1500a。由igbt作为逆变器件的变频器的容量达250kva以上，工作频率可达20khz。作为电力电子重要大功率主流器件之一，igbt已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。在工业应用方面，如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备，以及用于自动控制的变频器。在消费电子方面，igbt用于家用电器、相机和手机。交流老化更能反映器件真实的老化进程，但是交流老化下，器件工作在高频开关状态，老化特征量在线提取在世界范围内仍然是一个难题。现有技术中，对igbt的交流老化还不能实现有效的测量和评估，也缺乏对其进行交流老化试验的平台和方法。技术实现要素：针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种脉冲功率交流老化试验平台及试验方法，实现了脉冲功率条件下igbt模块的老化试验，完成了igbt模块饱和压降及结壳热阻测量，可以为评估igbt模块寿命提供有力支撑。为此，本发明采用了以下技术方案：一种脉冲功率交流老化试验平台，用于对脉冲功率条件下igbt模块的老化情况进行测试，并对igbt模块的寿命进行评估，包括以下单元：主电路单元，包括全桥逆变器主电路及igbt模块驱动电路；主电路工作在脉冲功率的模式下，用于模拟完整的老化周期；测量电路单元，包括igbt模块饱和压降测量电路和igbt模块结壳热阻测量电路，用于实现对igbt模块的饱和压降和结壳热阻的测量；保护电路单元，用于对试验平台进行相应的保护，试验平台基于直流母线短路电流进行保；信息处理单元，用于对试验过程中的各种信息进行控制和处理；上位机，用于接收信息处理单元发送过来的各种信息并进行显示与控制。优选地，所述主电路单元采用h桥逆变结构，在母线电容处和母线处加入一个两igbt封装的igbt模块，其上管为母线电容开关，下管为母线开关；上管开通时，允许母线电容放电，反之，则母线电容不放电；下管开通时，允许直流电源或母线电容对主电路提供电能，反之，则通过二极管阻断电源侧和主电路的连接。优选地，所述igbt模块饱和压降测量电路采用可隔离直流母线高压的测量电路，对应igbt关断时，集电极的高压将被二极管阻断，保护后级运放和ad芯片；所述igbt模块结壳热阻测量根据热阻定义式待器件达到热稳态的时候采集结温和壳温进行计算，其中，tj为结温，tc为壳温，ph为加热功率，rth_jc为igbt模块结壳热阻。优选地，所述保护电路单元包括系统级保护和igbt模块级保护；所述系统级保护用于防止系统过压运行导致的母线电容损坏、igbt过压击穿或绝缘击穿；合理配置直流侧直流电源的过电压保护阈值对整个系统进行过电压保护，当系统发生过压现象时，电源输出电压被锁定为保护阈值，从而保护系统整体不受损害；所述igbt模块级保护主要考虑过流保护，主要有两个实现方式：一是监测母线电流，当发现短路电流时对igbt进行软/硬关断；另一则是监测igbt饱和压降，当全桥电路发生直通短路时，igbt电流迅速增大，ce两端的压降也随之升高，igbt退出饱和区进入线性区。优选地，通过改变相关igbt驱动板电阻大小来配置igbt驱动板过流保护参数。优选地，将一个半桥封装的igbt模块反接接入母线；在上下管均关断的时候，上管中的反并联二极管保证电容不放电；下管中的反并联二极管阻断电源的输入；用于实现老化、测量一体化、自动化。优选地，所述信息处理单元采用dsp/sci、spi进行现场数字控制，并将信息通过rs232/485传送至上位机。优选地，所述上位机主要包括以下几个部分：管理员登录系统：用于管理员登录，仅当用户名和密码均正确时才能进入系统；电源参数设置：用于设置直流电源的参数，包括老化阶段的电压、电流以及测量阶段的电压、电流；平台控制及监测：上位机控制平台的启停；平台工作阶段实时显示，包括老化阶段或测量阶段；平台工作状态实时显示，包括平台正常工作或异常工作报警；igbt模块老化进程实时显示，包括模块老化次数、老化过程中结温壳温波形、老化特征量；历史数据查询：实现igbt模块老化特征量的存储，上位机通过选择查询条件查询相应老化特征量的变化曲线图，查询条件包括老化次数及老化特征量；平台初始化：用于开始老化一个新模块之前清空上一个老化模块的所有老化数据。一种上述脉冲功率交流老化试验平台的交流老化试验方法，以脉冲功率逆变器平台为研究对象，基于h桥逆变拓扑结构，使用交流老化方法对老化试验平台进行设计；包括以下部分：主电路结构：选择全桥拓扑结构来降低特殊电源采购费用，在全桥拓扑结构下，为达到同样的输出电流，母线电压和负载电压均为原来的一半，容量也为原来的一半；在全桥拓扑结构下，交流老化试验平台为模拟实际工况，在控制策略上和普通逆变器略有区别，主要体现在输出电压幅值和输出频率变化上；老化特征量选取：igbt所受应力主要是低频电流的温升效果引起的大结温波动和高平均结温，大结温波动和高平均结温主要影响了igbt的键合线和焊料层；饱和压降和结壳热阻反映了这两种材料的健康状态，把这两个参量设置为待测特征量；设计交流老化试验平台：设计一台用于实验室环境的小型igbt老化试验平台，设计时，尽量使老化平台的工况贴近真实情况；考虑两种不同的工况下，igbt的寿命是否存在较大的区别。优选地，两种不同工况包括九电平单相逆变电路和二电平单相逆变电路，九电平电路同时有四个igbt在承受母线电压，而二电平电路只有一个igbt承受母线电压；搭建好整个九电平和二电平逆变电路之后，对igbt进行电分析，即对igbt在运行中进行损耗分析；在建立igbt热网络模型之后，分别在九电平和二电平下循环18次之后得到igbt结温波形，为后续寿命评估提供依据。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)设计了一种用于实验室的igbt交流老化试验平台，该试验平台简单易用、可操作性强、高度自动化。(2)设计了单相h桥拓扑的逆变器，配置有相应的保护；并优化了h桥的拓扑结构，实现了测量、老化自动化。(3)提供了一种控制策略和散热条件，能够较好地模拟逆变器在某特殊工况下igbt所受的电热应力。(4)合理选择igbt饱和压降和igbt模块结壳热阻作为评估igbt状态的老化特征量，并实现了对上述两个特征量的准确测量。(5)设计了与试验平台配套的上位机系统，实现了平台运行情况的监测、老化数据读写与显示。附图说明图1是本发明所提供的一种脉冲功率交流老化试验平台的功能结构框图。图2是本发明所提供的一种脉冲功率交流老化试验平台的整体工作周期示意图。图3是二极管钳位的三电平h桥拓扑结构。图4是本发明所提供的一种脉冲功率交流老化试验平台的主电路拓扑结构图。图5是九电平单相逆变电路的电路图。图6是二电平单相逆变电路的电路图。图7是igbt模块饱和压降测量电路的电路图。图8是加热电流和测量电流的时序以及对应阶段的结温。图9是热稳态时的igbt模块和热沉的等效热路图。图10是igbt过流保护时序图。图11是上位机主要功能设计流程图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例一种脉冲功率交流老化试验平台，如图1所示，主要包括以下部分：主电路：全桥逆变器主电路及igbt模块驱动电路。考虑到负载接近为纯感性负载，故考虑在直流电压输入测并入缓冲电容阵列以提供无功。测量电路：包括igbt模块饱和压降测量电路和igbt模块结壳热阻测量电路；保护电路：igbt过流检测电路、故障后软关断电路、系统过压保护配置；信号调理电路：igbt模块壳温提取电路、饱和压降及热阻信息处理电路；以dsp为核心的现场数字控制、协调及信息处理嵌入式系统；上位机：以matlab或labview开发的上位机程序。其中，igbt模块饱和压降和结壳热阻的测量方案如下：饱和压降测量方案：采用可隔离直流母线高压的测量电路，对应igbt关断时，集电极的高压将被二极管阻断，保护后级运放和ad等芯片。结壳稳态热阻测量方案：考虑到试验平台的实际运行模式，结壳热阻测量方案将根据热阻定义式待器件达到热稳态的时候采集结温和壳温进行计算。试验平台整体工作状态如图2所示，主电路将工作在脉冲功率的模式下(间歇运行模式)：主电路将在0-t1时进行逆变，在t1-t2时间歇冷却，0-t1-t2为一次循环，n×18个循环为一个完整的老化周期。以脉冲功率逆变器平台为研究对象，基于h桥逆变拓扑结构，使用交流老化方法对老化试验平台进行设计。igbt的交流老化试验属于功率循环老化，能够使得igbt模块以一定的周期实现器件各层温度的循环波动。一般的交流老化中，igbt模块处于5khz到20khz左右的开关状态，器件的开关损耗和导通损耗使其结温、壳温上升。交流老化下，流过器件的加热电流为交流负载电流，电源由恒流加热源变为恒压源(针对电压源型逆变器)，所以交流老化也考虑了母线高压对器件的老化影响。考虑到均流不良对模块老化结果产生不必要的干扰，将不使用多igbt模块冗余并联的策略，这种简化对器件层面的老化研究并无影响。此外，级联多电平拓扑的基本模块为二极管钳位的三电平电路，其每组模块电热应力也类似。考虑到更真实的反映工况，可用二极管钳位的三电平电路搭建老化平台。但是这样存在不可避免的问题：如图3所示，为了达到峰值为iac_peak＝80a的输出电流，计算得直流母线电压应为udclink＝844v，变压变频输出电压峰值最大值为uo_peakmax＝628v。调研发现，直流电源单机电压输出值一般为450v或以下，而电源串并联连接的采购成本过高。在平台不降额的情况下，无法选择三电平拓扑交流老化。为控制经费预算，选择全桥拓扑结构来降低特殊电源采购费用。如图4所示，主电路采用h桥拓扑结构，为达到同样的输出电流，母线电压和负载电压均为原来的一半，分别为udclink＝422v，uacpeakmax＝314v，容量也为原来的一半，约为12.5kva。在全桥拓扑的结构下，交流老化平台为模拟实际工况，在控制策略上和普通逆变器略有区别，主要区别体现在输出电压幅值和输出频率变化上。另外，交流老化更能反映器件真实的老化进程。但是交流老化下，器件工作在高频开关状态，老化特征量在线提取在世界范围内仍然是一个难题。对于特殊的间歇性工作的逆变器工况，可以进行离线特征量测量以避免传统交流老化特征量难以提取的问题，最终确定选定使用交流老化的方案。igbt器件的老化失效可以从材料科学的角度理解为长期运行过程中，由于性能衰退导致的必然结果，是从失效物理的角度，实现igbt器件可靠性退化评估或分析igbt器件运行风险的基础。由于igbt性能退化的主要原因是物理结构的变化，难以用肉眼观察，故一般对igbt的状态监测都是通过测量igbt的电特性、热特性间接进行。这些特性有些是igbt的静态参量，主要包括igbt的饱和压降、结壳热阻、阈值电压等，也有些是igbt的动态参量，比如开通、关断时间，米勒平台电压等。这些特性随着igbt各部分物理结构退化会分别发生较为明显的变化，这些变化能够反映igbt的健康状态。对于本平台和实际平台的igbt所受应力主要是低频电流的温升效果引起的大结温波动和高平均结温，研究表明，大结温波动和高平均结温主要影响了igbt的键合线和焊料层。而饱和压降和结壳热阻能够较好的反映这两种材料的健康状态，故本平台把这两个参量设置为待测特征量。试验平台的基本电路拓扑结构如图4所示，为一个h桥逆变结构。在此基础上，平台主电路在母线电容处和母线处加入一个两igbt封装的igbt模块。其上管称为“母线电容开关“，下管称为“母线开关”。上管开通时，允许母线电容放电，反之，则母线电容不放电，但由于反并联二极管的存在，此时仍允许直流电源对电容充电；下管开通时，允许直流电源或母线电容对主电路提供电能，反之，则通过二极管阻断电源侧和主电路的连接。设计一台用于实验室环境的小型igbt老化试验平台，设计时，尽量使老化平台的工况贴近真实情况，但由于容量的减小、负载性质的不同、拓扑以及调制方法存在差异等因素，交流老化试验平台工作特性无法与实际情况完全一致。为了使老化试验平台的结论更有意义，应考虑两种不同的工况下，igbt的寿命是否存在较大的区别。疲劳是指某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。材料结构的断裂，意味着其疲劳过程的终结，而这一过程中所经历的时间或循环扰动的次数，称为该结构的“寿命”。疲劳损伤(疲劳破坏)是指结构或构件发生损伤并长期累积导致结构材料出现裂纹，并使裂纹扩展，直至完全断裂。导致疲劳破坏发生的重复变化的载荷叫做疲劳载荷。作用在结构上载荷的大小和方向通常随时间在不断变化，一般采用应力或者应变循环来描述，因载荷而产生的应力或应变在构件上的一次加载和卸载记为一次应力循环。对于igbt模块来说，“载荷”可以理解为器件结温，“应力”则为载荷引起的材料形变应力。为对比九电平、二电平电路的应力，在plecs中搭建九电平、二电平全桥逆变电路，拓扑结构分别如图5和图6所示。九电平电路参数为udcmax＝1688v，uacmax＝1256v，iacmax＝80a，fmax＝85hz，smax＝12.5kva；由于九电平同时有四个igbt在承受母线电压，而二电平只有一个igbt承受母线电压，所以九电平可以承受的电压应力是二电平的四倍。因此，二电平的电路参数为udcmax＝1688/4＝422v，uacmax＝1256/4＝314v，iacmax＝80a，fmax＝85hz，smax＝12.5kva。在plecs中搭建九、二电平逆变电路的电热模型，工况为运行2.8s，停止0.7s，循环36次，igbt起始温度为40℃。在搭建好整个九电平和二电平逆变电路之后，对igbt进行电分析，即对igbt在运行中进行损耗分析。在九电平下，通过分析，右上桥臂的下管igbt(即igbt6)损耗最大。在二电平下，通过分析，左桥臂的上管igbt(即igbt1)损耗最大。三电平和二电平的损耗波形类似，都是低频段对时间的积分值(即能量)较大，对结温的影响较大，九电平在148w，二电平在154w，而对于最高损耗值相差15w左右。九电平与二电平拓扑下的igbt损耗差异不大。在建立igbt热网络模型之后，分别在九电平和二电平下，循环18次之后得到igbt结温波形。九电平igbt6最高结温为101℃，二电平igbt1最高结温为104℃，为后续寿命评估提供依据。保证了igbt在循环18之后结温不超过120℃。在plecs中对级联型九电平h桥和本发明交流老化试验平台的全桥拓扑进行仿真以获得其内igbt管的结温变化情况。在matlab中运用雨流计数法对结温循环分别进行计数。线性累积损伤理论认为各种应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，损伤可以线性累加起来，当累加的疲劳损伤达到一定数值时，结构就发生疲劳破坏。对于igbt模块，miner理论认为，对随机载荷谱的每一种结温波动和平均结温应力循环分别单独计算疲劳损伤量并将其线性累加，当损伤量累积大于1时，认为器件发生疲劳损坏。基于igbt寿命的lesit解析模型计算疲劳损伤量，定义任意某种载荷的疲劳损伤量为di其中，ni为某种载荷的循环次数计数，nf为该种载荷下的失效循环次数，本发明特指由lesit寿命解析模型(式2)计算的失效循环次数。在matlab中运用雨流计数法对损伤进行统计，将所有损伤线性累加，求倒数后即可得到igmt寿命，本发明所提供的交流老化试验平台和九电平逆变器的igbt寿命对比结果如表1所示。表1交流老化试验平台和九电平逆变器igbt寿命预测交流老化试验平台igbt寿命九电平逆变器igbt寿命17122次循环18421次循环从表1中发现，两者寿命差距不大，说明即使两种逆变装置有多种参数不一致，但本发明所提供的交流老化试验平台仍能够较好的模拟实际工况，能够对九电平逆变器的寿命提供一定的参考。如图7所示，igbt饱和压降测量电路采用可隔离直流母线高压的测量电路，对应igbt关断时，集电极的高压将被反向二极管阻断，保护后级运放和ad等芯片。一个桥臂的igbt器件饱和压降测量装置工作原理如下：(a)igbt关断时，高耐压快恢复二极管反向截止，隔离直流母线侧电压保护vce采集电路；(b)igbt导通时，运放输出电压为：采用14位高精度双极性ad芯片ad7367采样，随后经过dsp读取，完成对igbt饱和压降的测量。考虑到igbt饱和压降不仅与老化状态有关，也与结温有关，故有必要在测量饱和压降时，保持每次结温相同。根据测量时序，在器件进行加热的时候，持续测量ce间的压降，间歇性的中断加热电流并注入小电流以测量结温。因此，持续测量的ce间的压降包括两种，一种是老化特征量饱和压降vce(sat)，一种是用于提取结温信息的小电流压降。当结温达到设定值(本试验平台为60℃)时，调取上次测量的饱和压降作为本次测量的老化特征量。然后继续加热以测量结壳热阻。igbt饱和压降的测量精度主要取决于adc精度和测量装置pcb板的布线情况，经过调试，预期的igbt饱和压降测量误差小于±10％(以示波器读数为参考)。igbt模块结壳热阻测量紧接着饱和压降测量进行。igbt模块结壳热阻的测量方案为：首先按照图8的控制策略对igbt模块和热沉进行加热，在此过程中与测量饱和压降类似的不断测量模块结温和壳温，并如式3计算历史壳温标准差。当标准差小于ktccrit时认为系统进入热稳态。进入热稳态后的igbt模块、热沉和环境构成如图9所示的热网络。采集此时vce和加热电流ih计算加热功率ph＝vce×ih，根据热阻定义式4计算igbt模块结壳热阻rth_jc。其中结温tj和壳温tc均由测量电路测量得出。igbt模块结壳热阻测量精度除了取决于测量电路设计，还将主要取决于导热硅脂涂抹情况、壳温采集参考点的选择和加热功率的准确计算等方面。预期的结壳热阻理论测量误差将不高于±10％。为保证本试验平台的安全可靠运行，保证igbt老化过程中不出现瞬态失效的现象，将配置合理的保护功能，主要分为如下两个层次。系统级保护。系统级保护主要目的是防止系统过压运行导致的母线电容损坏、igbt过压击穿或绝缘击穿等问题。考虑到系统能量源为直流侧直流电源和与其并联的母线电容，所以合理配置直流侧直流电源的ovp(过电压保护)阈值对整个系统进行过电压保护，当系统发生过压现象时，电源输出电压将被锁定为保护阈值，从而保护系统整体不受损害。igbt模块级保护。igbt模块的瞬态失效一般为电流过大导致的结温超出安全运行范围引起的，所以针对igbt模块级的保护主要考虑了过流保护。其主要解决的问题是逆变桥臂的直通短路情况，主要有两个实现方式：(1)监测母线电流(电容后侧)，当发现短路电流时对igbt进行软/硬关断。检测母线电流的方式有多种：电流霍尔，罗氏线圈，采样电阻等方案。但是在实际使用过程中发现，系统一体化设计后，电流霍尔因其体积较大无法安装在叠层母排中，同样因为系统的一体化设计，外接采样电阻的方法也无法实现；罗氏线圈虽然可以固定于母排之中，但因其电流检测准确性存在问题，考虑到保证平台的可靠性，故也不选用罗氏线圈。所以无法通过监测母线电流进行保护。(2)监测igbt饱和压降。当全桥电路发生直通短路时，igbt电流迅速增大，ce两端的压降也随之升高，igbt退出饱和区进入线性区，故监测饱和压降的过流保护也称为igbt退饱和保护。本试验平台使用的是落木源tx-da962d型号的驱动，通过硬件配置igbt管压降保护阈值为8.5v，当检测到igbt管压降大于8.5v时，对整个平台的igbt进行硬关断，且系统不会再次重启动(即通过软件设置trst＝+∞)，为避免干扰导致的保护误触发，保护动作将通过硬件设置盲区时间tblind＝3μs，。此外，该报警信号将传送至dsp和上位机，由dsp进行后续的处理(例如主开关的关断，电源停止输出等行为)、并由上位机进行报警。其时序图如10所示。具体参数配置方法可参考落木源tx-da962d产品手册。上位机的主要功能设计流程如图11所示。平台内所有设备和装置均由dsp/sci、spi进行现场数字控制，并将信息通过rs232/485传送至pc上位机，上位机软件采用matlab/gui进行开发。上位机主要实现以下功能：(1)管理员登录系统；(2)电源参数设置；(3)平台控制及老化进程监测；(4)老化特征量存储及查看；(5)平台初始化。(1)管理员登录系统为保证平台信息不被泄露，设计了管理员登录界面，仅当用户名和密码均正确时才能进入系统。(2)电源参数设置上位机通过串口与下位机dsp通信，将需要设置的电源参数发送给dsp；dsp通过串口与电源通信，将接收到的电源参数发送给电源实现电源参数设置。(3)平台控制及老化进程监测上位机通过串口发送平台启、停命令，dsp根据接收的命令相应控制平台启、停。在平台运行过程中，dsp将采集的结温、壳温数据发送给上位机，上位机实时显示结温壳温波形；另外，若平台发生故障报警，dsp立即控制平台停机，并将报警信息发送给上位机，上位机进行相应警告信息显示(温度过高警告或过流警告)。igbt模块的老化次数通过一变量count计数，一次老化结束，count值加1并显示在界面上；另外，实时将count值写入excel文件中保存，以便在下次启动平台时，正确显示模块的老化次数。平台的运行阶段通过变量stage_flag指示，上位机发送平台老化命令，stage_flag为1，指示平台处于老化阶段；上位机发送平台测量命令，stage_flag为2，指示平台处于测量阶段。在平台停机时，将stage_flag的值存储在excel中，以便在下次启动平台时，指示平台进入老化阶段或者测量阶段。当测量阶段结束，dsp将此次测量的老化特征量发送给上位机，上位机进行相应老化特征量的显示跟存储。(4)老化特征量存储及查看接收到的老化特征量存储在excel文件中，通过在上位机界面输入老化次数及所查询的对象，相应调取excel文件中的数据，并以图形的形式显示出来。另外，若需要人为处理数据，上位机设置了“保存数据”功能，可将整个excel文件(包含所有老化特征量数据)另存到任意指定路径。(5)平台初始化当一个模块老化完成，开始老化一个新模块之前，需要清空上一个模块的所有老化数据，点击“平台初始化”按钮即可清空上个模块的所有老化数据。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12