一种用于模拟不同海拔气压的IGBT双脉冲试验平台

技术领域

本发明涉及试验平台研发领域，具体而言，涉及一种用于模拟不同海拔气压的IGBT双脉冲试验平台。

背景技术

焊接型绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)作为高海拔地区光伏发电系统的关键部件，其可靠性直接决定高海拔地区光伏电站的稳定运行。针对高海拔地区环境特点，光伏发电运行中IGBT模块受到各种影响，导致性能下降，进而影响高海拔地区光伏电站的稳定运行。而通过双脉冲试验可以得到IGBT的参数及性能，因此，设计一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台是十分必要的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于模拟不同海拔气压的IGBT双脉冲试验平台，包括直流可编程电压源，空心电感，待测焊接型IGBT模块，薄膜电容，叠层母排，驱动模块，脉冲发生模块，电阻，其中，将可编程直流电源经电阻与待测焊接型IGBT模块串联起来，在待测焊接型IGBT模块的两侧并联已安装薄膜电容的叠层母排，将空心电感并联在待测焊接型IGBT模块的半桥结构中的第一个IGBT芯片子单元两侧；

驱动模块用于驱动待测焊接型IGBT模块；

脉冲发生模块用于发出设置的脉冲波形；

试验平台设置在真空罐底部，通过调整罐内的气体密度来模拟不同海拔高度的气压环境；

试验平台用于模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验，通过获取待测焊接型IGBT模块开通和关断过程的参数，评估驱动电阻是否合适，基于待测焊接型IGBT模块开通和关断过程是否有不合适的震荡，评估二极管的反向恢复行为和安全裕量，基于待测焊接型IGBT模块关断时的电压尖峰是否合适，关断之后是否存在不合适的震荡，评估待测焊接型IGBT模块并联的均流特性；同时记录待测焊接型IGBT模块开通和关断时间和测量母线的杂散电感。

优选地，直流可编程电压源包括：

电压电流预置功能：直流可编程电压源的面板上设置有预置按键，通过预置按键预先设定电压电流值，以实现电压电流预置功能；

稳压稳流功能：电压电流值从零到额定值连续可调，稳压稳流自动转换；

过压保护功能：设定过压保护值，输出电压达到或超过过压保护值时自动关闭输出；

短路保护功能：在任何状态下长期短路或短路开机；

短路报警功能：当输出短路时，电源声光报警；记忆功能：拥有记忆功能，关机保存预置电压电流和过压保护值；输出显示功能：电压电流表均为LED显示；

智能化功能：RS-485/RS-232通信接口，采用MODBUSRTU协议，实现计算机、PLC的远程控制；

电压补偿功能：外接电压取样线，减小因输出导线过长引起的电压误差，实现灵活切换电压取样信号；

模拟信号功能：选用0～5V或0～10V或4～20mA模拟量控制电源输出信号，读取电源输出信号；

极性切换功能：输出正负极极性切换自定义时间切换。

优选地，空心电感，在电路通态时，在半桥结构中第一个IGBT阻断的条件下，形成完整的电流回路；在电路关断时，起到电流缓冲与消耗能量的作用。

优选地，试验平台还包括散热器，待测焊接型IGBT模块安装在散热器上，散热器用于对焊接型IGBT进行散热。

优选地，薄膜电容，用于维持待测焊接型IGBT模块两侧电压。

优选地，叠层母排用于实现平台中电子组件的电气连接，通过采用正负极平行层叠分布的结构形式降低线路分布电感，将薄膜电容安装在母排上。

优选地，驱动模块包括驱动板和驱动板供电系统；

驱动板用于控制待测焊接型IGBT模块的开断；

驱动板供电系统用于给驱动板提供驱动电压。

优选地，脉冲发生模块与中心控制电脑通信连接，中心控制电脑用于通过交互软件给脉冲发生模块传输用户所设定好的数据，同时控制实验的开始、数据波形的显示和数据的保存。

优选地，试验平台还包括熔断器、空气开关和数据采集模块；

熔断器，用于起到保护试验平台的作用，当试验平台电流大于设定值时切断电路；

空气开关，应用于在试验平台的电流超过额定电流时自动断开；

电阻，用于在试验平台刚开始导通的瞬间防止电流过大；

数据采集模块由高速多通道数据采集卡，交直流电流探头，高精度差分探头组成，其中，将直流电流探头数据传输线和高精度差分探头数据传输线与高速多通道数据采集卡电性连接，形成数据采集模块。

优选地，试验平台的搭建方法包括如下过程：

S1、搭建焊接型IGBT双脉冲试验平台的主电路，包括待测焊接型待测焊接型IGBT模块、可编程直流电源、空气开关、熔断器、电阻、空心电感、叠层母排、薄膜电容；

S2、搭建焊接型IGBT双脉冲试验平台的驱动电路，包括驱动板和驱动板供电系统；

S3、搭建焊接型IGBT双脉冲试验平台的脉冲触发模块，包括单片机，数据传输线，电源线；

S4、搭建焊接型IGBT双脉冲试验平台的高速多通道数据采集卡，利用交直流电流探头和高精度差分探头获得IGBT模块的集电极电流、集电极-发射极电压和栅极-发射极电压，并通过高速多通道数据采集卡连接到电脑上，利用波形输出软件对IGBT的电流电压波形进行记录和分析；

S5、将搭建好的脉冲触发模块与电路连接完成后，放置于真空罐中，并将数据传输线、导线通过套管与外部的中心控制电脑进行连接，完成试验平台的搭建。

本发明公开了以下技术效果：

本发明可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验，对比不同的IGBT的参数，测量IGBT的各项动态参数；评估IGBT驱动板的功能和性能，通过观察IGBT的栅极波形，评估IGBT驱动板是否能为IGBT开启提供足够的驱动电流；获取IGBT在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适；开通、关断过程是否有不合适的震荡；评估二极管的反向恢复行为和安全裕量；判断IGBT关断时的电压尖峰是否合适，关断之后是否存在不合适的震荡；评估IGBT并联的均流特性；测量母排的杂散电感；本发明为焊接型IGBT双脉冲试验的性能测试装置提供了新的技术思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的平台搭建过程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台的搭建流程示意图，该技术平台的具体设计过程如下：

S1、搭建焊接型IGBT双脉冲试验主电路，包括待测焊接型IGBT模块、可编程直流电源、空气开关、熔断器、电阻、空心电感、叠层母排、薄膜电容等；

S2、搭建焊接型IGBT双脉冲试验驱动电路，包括驱动板和驱动板供电系统；

S3、搭建焊接型IGBT双脉冲试验脉冲触发模块，包括单片机，数据传输线，电源线；

S4、搭建焊接型IGBT双脉冲试验数据采集模块，利用交直流电流探头和高精度差分探头获得IGBT模块的集电极电流、集电极-发射极电压和栅极-发射极电压，并通过采集卡连接到电脑上，利用波形输出软件对IGBT的电流电压波形进行记录和分析；

S5、将上述所有搭建的平台放置于真空罐中，并将数据传输线、导线等通过套管与外部的中心控制电脑进行连接，完成一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台的搭建；

步骤S1中的搭建焊接型IGBT双脉冲试验主电路，包括以下具体内容：

S101、将可编程直流电源经电阻与IGBT模块串联起来；

S102、在IGBT模块两侧并联已安装薄膜电容的叠层母排；

S103、将空心电感并联在IGBT模块的半桥结构中的第一个IGBT芯片子单元两侧，最后加以空气开关以及熔断器来开断以及保护电路。

本技术方案的上述设计的技术效果是：能够在实验室模搭建出焊接型IGBT双脉冲试验，为后续搭建一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台奠定基础。

步骤S2中搭建焊接型IGBT双脉冲试验驱动电路包括驱动板和驱动板供电系统，包括以下具体内容：

将驱动模块的驱动板安装在IGBT模块上，并通过电源适配器给驱动板供电。

该技术方案的上述设计的技术效果是：能够使焊接型IGBT双脉冲试验驱动电路正常工作。

步骤S3搭建焊接型IGBT双脉冲试验脉冲触发模块，包括以下具体内容：

S301、将单片机的两个通信端口与驱动板的排线相连接，同时将单片机通过数据传输线与中心控制电脑相连接；

S302、最后将单片机的供电系统与电源相连接。

本技术方案的上述设计的技术效果是：使焊接型IGBT双脉冲试验脉冲触发模块正常工作，可以为IGBT模块提供触发脉冲来控制其开断。

步骤S4搭建焊接型IGBT双脉冲试验数据采集模块，包括以下具体内容：

S401、首先设计一款能够记录电流、电压和触发信号波形，并在电流电压超过阈值时发出警报的软件，它可以通过数据传输线与单片机进行串口通信；

S402、将交直流电流探头的钳口环绕在IGBT模块的电路上，打开电源即可测量IGBT的集电极电流。将高精度差分探头连接到IGBT的极间电路中，从而测得IGBT的通态压降；

S403、利用SMB母头转BNC公头接线，将直流电流探头数据传输线、高精度差分探头数据传输线与采集卡相连，并将采集卡插到显卡的插槽上，从而使得软件能接收IGBT模块的波形信号；

S404、软件通过其数据库将波形进行记录，并通过设定阈值，当电流或电压波形超过这个阈值时，软件发出警报，并将这段可疑波形进行标红。

该技术方案的上述设计的技术效果是：搭建焊接型IGBT双脉冲试验数据采集模块，能够有效测得IGBT的集电极电流和通态压降；通过软件记录并分析功率循环老化实验下IGBT的波形，更加高效智能。

步骤S5搭建一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台，包括以下具体内容：

S501、将上述所有搭建的平台放置于真空罐中，并将数据传输线、导线等通过套管与外部的中心控制电脑进行连接，完成一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台的搭建；

S502、设置气压温度控制系统为低气压和低温环境以模拟高海拔地区不同气压实际环境。

实施例1：本发明提出的一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台，通过将需要测试的IGBT模块安放置试验平台，可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验，以此对比IGBT的参数及性能，获取IGBT开通和关断过程的参数，评估驱动电阻是否合适，观测开通和关断过程是否有不合适的震荡，评估二极管的反向恢复行为和安全裕量，观测IGBT关断时的电压尖峰是否合适，关断之后是否存在不合适的震荡，同时记录IGBT开通和关断时间和测量母线的杂散电感。

参考图1，本发明提供了一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台，其实现过程如下：

在步骤S1搭建焊接型IGBT双脉冲试验主电路，包括待测焊接型IGBT模块、可编程直流电源、空气开关、熔断器、电阻、空心电感、叠层母排、薄膜电容等；将可编程直流电源经电阻与IGBT模块串联起来，在IGBT模块两侧并联已安装薄膜电容的叠层母排，将空心电感并联在IGBT模块的半桥结构中的第一个IGBT芯片子单元两侧，最后加以空气开关以及熔断器来开断以及保护电路。

在步骤S2中搭建焊接型IGBT双脉冲试验驱动电路包括驱动板和驱动板供电系统，将驱动模块的驱动板安装在IGBT模块上，并通过电源适配器给驱动板供电。

在步骤S3中搭建焊接型IGBT双脉冲试验脉冲触发模块，将单片机的两个通信端口与驱动板的排线相连接，同时将单片机通过数据传输线与中心控制电脑相连接，最后将单片机的供电系统与电源相连接。

在步骤S4中搭建焊接型IGBT双脉冲试验数据采集模块，首先设计一款能够记录电流、电压和触发信号波形，并在电流电压超过阈值时发出警报的软件，它可以通过数据传输线与单片机进行串口通信；将交直流电流探头的钳口环绕在IGBT模块的电路上，打开电源即可测量IGBT的集电极电流，将高精度差分探头连接到IGBT的极间电路中，从而测得IGBT的通态压降；利用SMB母头转BNC公头接线，将直流电流探头数据传输线、高精度差分探头数据传输线与采集卡相连，并将采集卡插到显卡的插槽上，从而使得软件能接收IGBT模块的波形信号；软件通过其数据库将波形进行记录，并通过设定阈值，当电流或电压波形超过这个阈值时，软件发出警报，并将这段可疑波形进行标红。

在步骤S5中搭建一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台，将上述所有搭建的平台放置于真空罐中，并将数据传输线、导线等通过套管与外部的中心控制电脑进行连接，完成一种可模拟不同海拔气压的焊接型IGBT双脉冲试验平台的搭建；设置气压温度控制系统为低气压和低温环境以模拟高海拔地区不同气压实际环境。

真空罐实现方法如下：

可以通过调整罐内的气体密度来模拟不同海拔高度的气压环境，同时真空罐内的气压值可通过真空罐的显示屏实时显示。真空罐的侧面是可开关的圆形玻璃窗口，通过窗口可观测真空罐内的工况；真空罐的上方有一套管，导线可通过套管给罐中的双脉冲试验平台供电，同时罐中的数据传输线也通过套管与外部的中心控制电脑进行实时通信。

直流可编程电压源实现方法如下：

可以通过内部电路对输出电压和电流进行调节和控制，通过设定电压和电流的值和范围，可以精确控制输出的电压和电流，满足各种复杂的应用需求。它具有以下功能：电压电流预置功能：面板自带预置按键，可预先设定电压电流值；稳压稳流功能：电压电流值从零到额定值连续可调，稳压稳流自动转换；过压保护功能：可设定过压保护值，输出电压达到或超过过压保护值时自动关闭输出；短路保护功能：允许在任何状态下长期短路或短路开机；短路报警功能：当输出短路时，电源声光报警；记忆功能：拥有记忆功能，关机保存预置电压电流、过压保护值等；输出显示功能：电压电流表均为LED显示；智能化功能：RS-485/RS-232通信接口，采用MODBUSRTU协议，可实现计算机、PLC的远程控制；电压补偿功能：外接电压取样线，减小因输出导线过长引起的电压误差，实现灵活切换电压取样信号；模拟信号功能：可选用0～5V或0～10V或4～20mA模拟量控制电源输出信号，读取电源输出信号；极性切换功能：输出正负极极性切换自定义时间切换；

空心电感实现方法如下：

在电路通态时，它可以在半桥结构中第一个IGBT阻断的条件下，形成完整的电流回路；在电路关断的时候，起到电流缓冲与消耗能量的作用。

待测焊接型IGBT模块与散热器实现方法如下：

所述试验平台包括待测焊接型IGBT模块，该模块是测试器件模块，可根据用户不同的需要选择不同品牌、型号的待测焊接型IGBT模块进行不同气压条件下的双脉冲试验。

叠层母排上的薄膜电容实现方法如下：

在电路导通后，因为电源具有内阻，所以施加在IGBT两侧的电压不会维持在设定值，为了保证电压稳定在设定值需要在直流可编程电压源两侧并联电容可以起到维持IGBT两侧电压的作用。

叠层母排用于实现电力电子产品中功率电路各组件的电气连接，通过采用正负极平行层叠分布的结构形式降低线路分布电感，将薄膜电容安装在母排上，从而降低功率元件两端的反向尖峰电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。

驱动模块实现方法如下：

驱动模块包括驱动板和驱动板供电系统，通过驱动板可以控制IGBT的开断，而驱动板供电系统可以给驱动板提供驱动电压；

脉冲发生模块实现方法如下：

该模块核心部件为单片机，通过在程序上设置相应的参数可以发出任何用户设置的脉冲波形；

中心控制电脑实现方法如下：

中心控制电脑为整个平台的中枢，通过交互软件给脉冲发生模块传输用户所设定好的数据，同时控制实验的开始、数据波形的显示和数据的保存；

熔断器、电阻实现方法如下：

熔断器，其起到保护电路的作用，当电路电流大于设定值时切断电路；还包括电阻，电阻在电路刚开始导通的瞬间防止电流过大；此外还包括空气开关，只要电路中电流超过额定电流就会自动断开；

空气开关实现方法如下：

当电路中电流超过额定电流就会自动断开；

高速多通道数据采集卡实现方法如下：

采用PCIe-9814型号的采集卡，其具备四通道，可执行12位元解析度及高达80MS/s同步取样，支持40MHz讯号频宽，并搭载1GBDDR3记忆体；

交直流电流探头实现方法如下：

采用品致PT710-H交直流电流探头，最大电流测量值为直流200A，140ARMS，上升时间:1.2us测量带宽:DC～300kHz(-3dB)同时具有过载警示功能；

高精度差分探头实现方法如下：

采用N1015B差分探头，其将高压信号转换成一个信号提供示波器使用，它可以把1500V高压信号转换成3V低压信号，在示波器上显示，频宽高达100MHz。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。