CN104360697B - 一种三相逆变系统igbt模块功率-温度控制及检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种三相逆变系统IGBT模块功率‑温度控制及检测装置，该装置的组成包括：整流调压滤波电路、三相桥式逆变电路、温度传感器、温度采集存储系统、继电器、散热风扇、三相可调负载、IGBT模块门极SPWM信号控制电路和计算机，其中，三相桥式逆变电路的输入端连接整流调压滤波电路，三相桥式逆变电路输出端连接三相可调负载，门极SPWM信号控制电路输出端连接三相桥式逆变电路中IGBT模块的门极；温度传感器、温度采集存储系统以及继电器依次连接，继电器分别连接散热风扇和三相可调负载，温度传感器和散热风扇分别与三相桥式逆变电路相连；发明能够自动实现对IGBT模块铜底板温度的控制，完成功率与温度对IGBT模块可靠性影响的试验。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件领域内的一种检测试验装置，特别涉及可以完成模拟IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块实际工作条件的检测试验装置。
背景技术
随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电力电子器件在各类电能变换装置中发挥的作用越来越重要，IGBT功率模块正朝着高频化、大功率化、高度集成化发展，这必然会使其得到更加广泛的应用空间，但这同样会导致模块的发热量大幅度提高，而在有限的散热条件下，电热效应引起的模块温度升高，将加速模块的电热疲劳，热疲劳积累严重时，系统的工作性能会明显下降。在各种变流装置中，功率模块失效引发的机电故障占系统故障率的很大一部分，并且可能会给整个系统造成非常严重的损失。
明显的温度波动将导致IGBT模块封装组件或材料的疲劳断裂，温度改变会引起材料的属性变化，而由此带来电容量、阻抗值等的改变，这必然影响电气信号的传输特性以及IGBT模块的各种电气参数，模块的功率循环强度以及温度波动与模块的电热疲劳程度及退化水平之间具有非常密切的关系。
在以往的试验中，都是通过搭建直流稳压源、IGBT模块及其驱动电路、电阻负载等组成的电路，作为研究IGBT模块电气参数的试验电路，这样的试验装置与实际的IGBT模块工作场合相差较大，而在实际工况下，IGBT模块的电气参数及温度特性又很难检测，所以可靠性难以实现有效的在线评估。
“一种IGBT模块温度检测方法”(专利申请号：CN201210230805)专利主要通过采集NTC热敏电阻的电压来检测IGBT温度，避免IGBT过热烧毁；“利用IGBT温度控制逆变器输出功率降额的电路系统”(专利申请号：CN201220497550)专利无需外加额外温度传感器，通过合理的检测手段，提升了温度检测精度，提高了逆变器过热保护的工作性能；“一种大功率IGBT温度采集保护电路”(专利申请号：CN201310314640)专利实时检测IGBT温度，能及时采取保护措施，提高设备工作的可靠性。以上专利皆是针对IGBT模块温度，对温度数据进行采集处理，提高了IGBT工作可靠性，但均不涉及逆变系统IGBT模块功率与温度检测及控制的试验装置。
为了保障和提高IGBT模块的工作可靠性，确保变流设备等正常运行，所以迫切需要一种模拟IGBT模块实际工作情况且可以检测并控制IGBT模块功率和温度的试验装置。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术的不足，提供一种三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，该装置通过控制IGBT模块的集电极电流、集射极电压以及门极开关频率实现对IGBT模块功率的控制，通过温度采集系统与散热风扇和负载相连，实现实时温度采集，并能够实现对IGBT模块温度的控制；能改变逆变系统直流母线电压与调节接入负载相互配合达到控制IGBT模块集电极电流与集射极电压的目的，进而实现对IGBT模块的功率进行控制；能通过外部按键对IGBT的门极SPWM驱动信号的频率进行控制，并且可以实现在连续工作情况下，实时改变SPWM信号频率；能通过温度传感器与温度数据采集系统对温度数据进行实时采集和存储，并通过设置不同的控制继电器的温度值上下限，对散热风扇和接入负载进行控制，实现对模块铜基板温度的控制，并且具有过温保护、失效报警的功能。
本发明的技术方案为：
一种三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，包括：整流调压滤波电路、三相桥式逆变电路、温度传感器、温度采集存储系统、继电器、散热风扇、三相可调负载、IGBT模块门极SPWM信号控制电路和计算机，其连接关系为：三相桥式逆变电路的输入端连接整流调压滤波电路，三相桥式逆变电路输出端连接三相可调负载，门极SPWM信号控制电路输出端连接三相桥式逆变电路中IGBT模块的门极；温度传感器、温度采集存储系统以及继电器依次连接，继电器分别连接散热风扇和三相可调负载，温度传感器和散热风扇分别与三相桥式逆变电路相连；温度数据采集及存储系统与计算机相连。
所述的整流调压电路由断路器Q、单相桥式全控整流模块、直流电容Cd、直流电压负反馈模块、电位器Rw、变压器T1及保险FU1组成；其连接方式为：断路器Q连接输入交流220V主线路；单相桥式全控整流模块的供电端、直流电压负反馈模块的供电端、与变压器T1的高压端分别与输入主线路连接；变压器T1低压端与单相桥式全控整流模块低压输入端连接；直流电压负反馈模块的电压控制端连接电位器Rw，电压反馈端连接单相桥式全控整流模块直流输出端，con端与单相桥式全控整流模块con端连接；单相桥式全控整流模块的直流输出端并联2个直流电容Cd，经保险FU1与三相桥式逆变电路相连。
所述的三相桥式逆变电路包括三个逆变桥臂、隔离升压变压器T2、中间接触器KM1、热继电器FR和总开关按键SB组成，其连接方式是：三个逆变桥臂、中间接触器KM1、隔离升压变压器T2与热继电器FR依次连接；总开关按键SB一端连接220V供电端，另一端与中间接触器KM1的线圈和热继电器FR的常闭触点依次相连；每个桥臂安装上下两个IGBT模块，三个逆变桥臂，共安装6个IGBT模块，并在每个IGBT模块安装处，已安装吸收电容Cx1～Cx6，且每个逆变桥臂均自带过流保护FU。
所述的温度传感器包括6个独立的温度传感器探头；
所述的三相可调负载包括第1可调负载、第2可调负载以及中间接触器KM2，其连接方式为：中间接触器KM2与第2可调负载直接相连，并与第1可调负载组成并联结构，且均为三相四线接法；
所述的继电器由5个各自独立的继电器K1～K5组成；
所述的IGBT模块门极SPWM信号控制电路的组成包括FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、报警电路、门极不对称电阻及稳压电路，其连接方式是：FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、门极不对称电阻电路以及稳压电路依次相连，报警电路与驱动器相连，且FPGA芯片的过温检测端与继电器中的继电器K1的常闭触点连接。
所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置的运行方法，包括以下步骤：
⑴三相桥式逆变电路的每个桥臂的上下管位置分别安装一个IGBT模块；
⑵打开装置，接通三相桥式逆变电路中的中间接触器KM1，检查各仪表显示是否正常，装置进行初始化，对试验参数设置，分别为：
①调整初始直流母线电压：闭合主电路开关，检查各仪表是否显示正常，调整用于控制晶闸管整流桥的外接电位器(0～20kΩ)，将直流母线电压调整问试验需要电压值；
②调整初始接入负载值：初始负载采用大功率三相可调瓷盘电阻器(第1负载)，根据需要设定的IGBT模块集电极电流值，在0～80Ω范围内调节负载；
③设置IGBT模块门极驱动SPWM信号频率，通过FPGA芯片外置频率检测输入端KEY+和KEY-来改变SPWM信号频率，最高频率设置为30KHz，最低频率设置为500Hz，每按一次KEY+频率上升500Hz，按下KEY-频率下降500Hz；
④设置单片机控制继电器的动作温度上限和下限值，控制IGBT模块散热风扇及第2负载的接入和断开：
a.设置过温临界温度上限，当IGBT模块铜基板温度达到临界温度H1是继电器1动作输出高电平，FPGA芯片检测到高电平输入，停止SPWM信号输出，并过温报警；
b.通过设置控制继电器2的上限温度H2和下限温度L2，将IGBT模块铜基板维持在试验预定温度区间波动，当IGBT模块铜基板温度达到上限温度H2时，继电器闭合，开启散热风扇对IGBT模块铜基板进行散热；当检测到温度降至L2时，继电器2断开，停止散热，或通过调压调节风扇风速，进而控制降温速度；
c.通过设置控制继电器3动作时对应的温度值H3，将IGBT模块铜基板温度维持在试验预定温度值，当IGBT模块铜基板温度达到H3时，继电器3接入风扇，当温度降至H3以下时，继电器3断开风扇；
d.当需要模拟负载变化对IGBT模块功率—温度影响时，需要通过继电器4和继电器5相互配合改变接入第2负载的大小，当检测IGBT模块铜基板温度为L4时，继电器4动作接入负载；当检测温度为H5时，继电器5动作，断开负载；
⑶开启温度采集系统、闭合逆变系统与负载连接的中间继电器，装置开始进入工作状态；
⑷装置在运行过程中，对SPWM信号频率按键进行检测，当检测到按键输入发生变化，将对应改变FPGA芯片输出SPWM信号频率，；
⑸装置在运行过程中，对IGBT模块铜基板温度进行检测，当其达到温度设置临界值时，对应的继电器动作，进而控制散热风扇的接入或断开以及第二负载的接入或断开。
⑹装置在运行过程中，检测其工作是否正常，当发生IGBT模块过温、短路，负载过流，逆变系统输出断相等故障时，系统自动关断；
⑺系统经过上面(4)～(6)检测步骤达到试验稳态后，通过预置端口，对IGBT模块的电气参数进行检测并存储。
⑻一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作。
⑼若需要继续进行试验，重复上述⑴～⑺过程，否则进行下一步；
⑽后处理采集到的试验数据，对采集到的IGBT模块重要电气参数进行后续处理，利用集电极电流和集射极电压数据，可以计算IGBT模块的瞬时功率和平均功率，分析稳态集射极电压变化趋势等，进而研究IGBT模块的电气性能和退化趋势等。
⑾结束试验。
所述的三相桥式逆变电路上每个桥臂的分别安装IGBT模块的方法，包括以下步骤：每个IGBT模块铜基板安装一个散热片，散热片与模块铜基板之间均匀涂一层大约2μm的导热硅脂，散热片在IGBT模块内部IGBT芯片的正下方留有一个通孔，温度传感器探头经通孔对IGBT模块铜基板进行测温。
本发明的有益效果和有点:
⑴本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，能够自动实现对IGBT模块铜基板温度的控制，完成功率与温度对IGBT模块可靠性影响的试验，在试验过程中不需要人为干预，缩短了整个试验时间。
⑵本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，属于前后级均开环的结构，可以根据试验要求进行装置初始化，对逆变直流母线电压，第一负载，在装置可承受的电压、电流和功率的范围内任意设置，即在模拟实际工作环境下，控制IGBT模块的集射极电压和集电极电流。
⑶本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，能够实现在输出正弦波频率不变的情况下，改变IGBT模块门极驱动SPWM信号频率，验证IGBT模块开关频率的变化对模块功率的影响，并且可以在逆变器连续工作的情况下，根据试验要求，对SPWM信号频率进行实时调整。
⑷本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，能够将IGBT模块的铜基板温度维持在任意其可承受的温度区间或温度值附近。
⑸本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，具有过流、断相、短路、过温保护，IGBT模块或整个装置某部分发生故障时，自动关闭整个系统并报警。
⑹本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，预留有IGBT模块集射极电压、集电极电流等电气参数检测端口，可以很方便的使用示波器或数据采集卡对IGBT模块重要电气参数进行检测。
⑺本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，具有完整的数据保护功能，意外断电不丢失，电源恢复后，不破坏以保存数据，试验数据永久存入计算机，方便转存，查看和打印。
附图说明
图1本发明的结构示意图
图2本发明主体结构连接图
图3温度采集及温度控制示意图
图4 IGBT模块门极驱动连接图
图5基于FPGA的SPWM信号生成结构图
图6本发明的试验过程流程图
图7 IGBT开关频率与其铜基板温度的关系图
图8 IGBT集电极电流与其铜基板温度的关系图
图9控制IGBT铜基板温度区间变化图
具体实施方式(结合附图具体说明)
实施例：
如图1所示，本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，包括：整流调压滤波电路1、三相桥式逆变电路2、温度传感器3、温度采集存储系统4、继电器5、散热风扇6、三相可调负载7、IGBT模块门极SPWM信号控制电路8和计算机9，其连接关系为：三相桥式逆变电路2的输入端连接整流调压滤波电路1，三相桥式逆变电路2输出端连接三相可调负载7，门极SPWM信号控制电路8输出端连接三相桥式逆变电路2中IGBT模块的门极，这便构成整个装置的主体框架；温度传感器3、温度采集存储系统4，以及继电器5依次连接，继电器5分别连接散热风扇6和三相可调负载7，温度传感器3和散热风扇6分别与三相桥式逆变电路2相连；温度数据采集及存储系统4与计算机9相连。
如图2所示为本发明的逆变电路及其输入与输出结构连接图，主要由整流调压电路1、三相桥式逆变电路2、以及三相可调负载7等组成。
整流调压电路1由断路器Q、单相桥式全控整流模块、直流电容Cd、直流电压负反馈模块、电位器Rw、变压器T1及保险FU1组成；其连接方式为：断路器Q连接输入交流220V主线路；单相桥式全控整流模块的供电端、直流电压负反馈模块的供电端、与变压器T1的高压端分别与输入主线路连接；变压器T1低压端与单相桥式全控整流模块低压输入端连接；直流电压负反馈模块的电压控制端连接电位器Rw，电压反馈端连接单相桥式全控整流模块直流输出端，con端与单相桥式全控整流模块con端连接；单相桥式全控整流模块的直流输出端并联2个直流电容Cd，经保险FU1与三相桥式逆变电路2相连。
220V交流电经单相桥式全控整流模块整流，输出为直流脉动电压经2个并联直流电容进行滤波，直流电压负反馈模块时刻对输出直流电压进行采集，可以通过外接电位器Rw手动控制实现对逆变系统直流母线电压幅值的调节。其中：断路器Q型号为CDB6v63，单相桥式全控整流模块型号为DQZ-220D120E，直流电容Cd大小为3300μF，直流电压负反馈模块型号为MK-ZF/120-500E，电位器Rw大小为1～20kΩ，变压器T1变比为220V～18V，保险FU1最大电流为40A。
三相桥式逆变电路2包括三个逆变桥臂、隔离升压变压器T2、中间接触器KM1、热继电器FR和总开关按键SB组成，其连接方式是：三个逆变桥臂、中间接触器KM1、隔离升压变压器T2与热继电器FR依次连接；总开关按键SB一端连接220V供电端，另一端与中间接触器KM1的线圈和热继电器FR的常闭触点依次相连；每个桥臂安装上下两个IGBT模块，三个逆变桥臂，共安装6个IGBT模块，并在每个IGBT模块安装处，已安装吸收电容Cx1～Cx6，且每个逆变桥臂均自带过流保护FU。逆变部分输出端的三相分别为U相、V相和W相，逆变输出三相电(U相、V相和W相)经过中间接触器KM1，再经隔离升压变压器T2升压后，通过热继电器FR向三相可调负载3供电。这样，升压变压器与可调负载配合，再达到需要IGBT模块集电极电流Ic的同时，实现输出功率最小化。其中，本实施例中隔离升压变压器T2采用变比为60V～380V/400V，中间接触器KM1采用型号为CJX2-25，热继电器FR采用型号为JR36-20。
三相可调负载7包括第1可调负载、第2可调负载以及中间接触器KM2，其连接方式为：中间接触器KM2与第2可调负载直接相连，并与第1可调负载组成并联结构，且均为三相四线接法。其中，第1可调负载和第2可调负载中每个可调电阻均采用大功率可调瓷盘电阻，阻值为0～150Ω/1500W，中间接触器KM2采用型号为CJX2-25。
如图3所示为本发明的温度采集及温度控制系统示意图，主要包括温度传感器3、温度采集及存储系统4、继电器5、散热风扇6、计算机9以及中间接触器KM2组成，其连接方式是：温度传感器3、温度数据采集及存储系统4和继电器5依次相连，温度数据采集及存储系统4通过USB接口与计算机9连接，同时散热风扇6和中间接触器KM2与继电器5相连。计算机9为普通工业用计算机。
温度传感器3包括6个独立的温度传感器探头，用于采集三相桥式逆变电路2温度，并与温度数据采集及存储系统4的温度采集端口连接，温度数据采集及存储系统4同时采集并存储6组温度数据，其中第一温度传感器探头的电源端Vcc、数据I/O端和地Gnd端分别对应温度数据采集及存储系统4的端口1.1～1.3，其它温度传感器，以此类推；温度数据采集及存储系统4通过内置单片机对温度数据进行处理，并将采集的数据通过USB接口传入计算机，将温度数据存入计算机，具有9个外置按键KEY1～KEY9，用于设置继电器5动作的对应温度上下限；温度数据采集及存储系统4还具有5个输出控制端X1～X5分别与继电器5中的继电器K1～K5的供电负极依次相连，继电器K1～K5的供电正极与+5V电源相连。其中，继电器5由5个各自独立的继电器K1～K5组成，温度传感器探头型号为DS18B20，检测温度范围为-55℃～+125℃(精度±0.1℃)，温度数据采集及存储系统4公知器件，其型号为SZ06-(09-4)。
继电器K1的常闭触点与IGBT模块门极SPWM信号控制电路8的过温检测端相连，公共触点接地；继电器K2与继电器K3配合控制散热风扇6的接通或断开，继电器K2和K3的公共触点与+12V电源相连，常开触点均与散热风扇6连接，散热风扇6另一端接地；继电器K4公共触点连接220V交流供电，常开触点连接继电器K5的常闭触点，继电器K5的公共触点与中间接触器KM2线圈连接，且中间接触器KM2线圈另一端连接220V交流供电的另一端，继电器K4与继电器K5配合控制中间接触器KM2，且中间接触器KM2用于控制三相可调负载7中的第2可调负载的接入或断开。其中，继电器K1～K5型号为SRD-05VDC-SL-C，散热风扇6采用220V交流供电。
如图4所示为IGBT模块门极SPWM信号控制电路8结构示意图，主要由FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、报警电路、门极不对称电阻及稳压电路组成，其连接方式是：FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、门极不对称电阻电路以及稳压电路依次相连，报警电路与驱动器相连，且FPGA芯片的过温检测端与继电器5中的继电器K1的常闭触点连接。
电平变换电路由6路相同结构的电路组成，第1路连接方式为：升压芯片的8脚供电，电压为+24V，2脚作为FPGA芯片输出的SPWM信号的输入，5脚与8脚之间连接滤波电容C7，且5脚接地，6脚与7脚串联作为升压芯片输出，输出端经并联+15V稳压二极管通过电阻R2作为电平变换电路最终输出的SPWM1信号。依次类推，其它5路连接方式与第1路连接方式相同。电平变换电路主要采用升压芯片与+15V稳压管DZ1配合，经电平变换电路将FPGA芯片输出的3.3V高电平转换为15V高电平作为驱动器的输入。
经电平变换电路的6路SPWM信号分为3组(SPWM1与SPWM4、SPWM3与SPWM6、SPWM5与SPWM2)，每组的2路信号分别作为一个驱动器的V-TOP和V-BOT脚的输入信号，驱动器输出信号与门极不对称电阻电路相连，且每个驱动器均通过脚error连接到各自的报警电路。经驱动器将同一组的2路SPWM信号转换为高电平+15V和低电平-8V，并且相互隔离的信号，同时大大提高了信号的驱动能力。
门极不对称电阻及稳压电路由6路相同结构的电路组成，第1路连接方式为：驱动器输出SWPM1信号通过两并联、反向的二极管分别连接开通电阻Ron和关断电阻Roff，作为IGBT模块门极电阻；15V稳压二极管DZ2和反向8V稳压二极管DZ3串联后与不对称电阻电路输出端并联，连接至IGBT门极，同时在IGBT门极以发射极之间连接电阻R3。依次类推，其它5路连接方式与第1路连接方式相同。
报警电路与驱动器对应，三个驱动器分别对应3路完全一样的报警电路，其中1路连接方式为：+15V供电电源与电阻R5、R6以及驱动器error端依次相连；电阻R4连接在+15V供电电源与驱动器error端之间；三极管V1的基极通过电阻R8连接在电阻R5和R6之间，发射极与驱动器error端连接，集电极通过依次连接发光二极管、电阻R7和蜂鸣器H与+15V供电电源相连。报警电路通过驱动器的端口X2.5与X2.1和X3.5与X3.1分别采集同一桥臂上2个IGBT模块开通过程中集电极与发射极之间的压降，当任一IGBT的集射极压降高于驱动器默认正常压降时，驱动器的error端由高电平变为低电平，由于驱动器灌入电流应＜6mA，所以在供电端与error端之间连接限流电阻R4。
其中FPGA芯片型号为Altera EP1C3T144C8N芯片，升压芯片型号为TLP250，DZ1和DZ2型号为IN5352，DZ3型号为IN5344，C7为瓷片电容0.1μF，D1和D2型号为IN4007，D3为发光二极管，V1为NPN型三极管型号D882，驱动器型号PSHI2012，H为蜂鸣器，电阻R1为100Ω，R2为10KΩ，R3为3.3KΩ，R4为10KΩ，R5为20KΩ，R6为1KΩ，R7为10KΩ，Ron为3.3Ω，Roff为6Ω。
如图5所示为基于FPGA的SPWM信号生成结构图，主要包括外部信号检测部分、系统频率控制及检测部分、DDS控制正弦波和三角波相位累加器、三相正弦波相位控制器、三相正弦波和三角波查询表、数据比较器以及死区时间控制部分组成，其工作原理是：系统频率控制及检测部分作为外部信号检测的输入部分，接收外部SPWM变频信号以及过温检测信号，分频输出用于控制整个程序的进程；DDS控制正弦波和三角波相位累加器、三相正弦波相位控制器以及三相正弦波和三角波查询表组成DDS控制基本框架，用于输出频率为50Hz且相位差为120°三相正弦波以及试验需求的频率的三角波；数据比较器将正弦波调制信号与三角波载波进行比较输出矩形脉冲作为SPWM信号；在死区时间控制模块中包括两个部分，其一是将双极性SPWM信号分解为互补的两路SPWM信号，第二就是为防止同一半桥上由2路SPWM信号驱动的两个IGBT同时导通，在2路SPWM信号切换时，预留死区时间，这样就得到了驱动IGBT模块的6路SPWM信号。(本发明的控制系统主要是通过硬件实现的，温度控制使用单片机，逆变的SPWM信号由FPGA芯片控制，计算机用于存储温度数据。)
本发明的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置的运行方法，包括以下步骤(如图6所示)：
⑴三相桥式逆变电路2有三个逆变桥臂，每个桥臂的上下管位置分别安装一个IGBT模块，每个IGBT模块铜基板安装一个散热片，散热片与模块铜基板之间均匀涂一层大约100～200μm的导热硅脂，散热片在IGBT模块内部IGBT芯片的正下方留有一个通孔，温度传感器探头经通孔对IGBT模块铜基板进行测温。其中，散热片采用6063铝合金材料，导热率为209W/m.℃(25℃)；导热硅脂采用信越G747，导热率为1.09W/m.℃。
⑵打开装置，接通三相桥式逆变电路中的中间接触器KM1，检查各仪表显示是否正常，装置进行初始化，对试验参数设置，分别为：
①调整初始直流母线电压：闭合主电路开关，检查各仪表是否显示正常，调整用于控制晶闸管整流桥的外接电位器(0～20kΩ)，将直流母线电压调整问试验需要电压值；
②调整初始接入负载值：初始负载采用大功率三相可调瓷盘电阻器(第1负载)，可以根据需要设定的IGBT模块集电极电流值，在0～80Ω范围内调节负载；
③设置IGBT模块门极驱动SPWM信号频率，通过FPGA芯片外置频率检测输入端KEY+和KEY-来改变SPWM信号频率，最高频率设置为30KHz，最低频率设置为500Hz，每按一次KEY+频率上升500Hz，按下KEY-频率下降500Hz；
④设置单片机控制继电器的动作温度上限和下限值，控制IGBT模块散热风扇及第2负载的接入和断开：
a.设置过温临界温度上限，防止IGBT模块内部芯片过热而失效，当IGBT模块铜基板温度达到临界温度H1是继电器1动作输出高电平，FPGA芯片检测到高电平输入，停止SPWM信号输出，并过温报警；
b.通过设置控制继电器2的上限温度H2和下限温度L2，将IGBT模块铜基板维持在预定温度区间波动，当IGBT模块铜基板温度达到上限温度H2时，继电器闭合，开启散热风扇对IGBT模块铜基板进行散热，当检测到温度降至L2时，继电器2断开，停止散热，还可以通过调压调节风扇风速，进而控制降温速度；
c.通过设置控制继电器3动作时对应的温度值H3，将IGBT模块铜基板温度维持在预定温度值，当IGBT模块铜基板温度达到H3时，继电器3接入风扇，当温度降至H3以下时，继电器3断开风扇，保证铜基板温度在某一温度值左右波动。
d.当需要模拟负载变化对IGBT模块功率—温度影响时，需要通过继电器4和继电器5相互配合改变接入第2负载的大小，当检测IGBT模块铜基板温度为L4时，继电器4动作接入负载；当检测温度为H5时，继电器5动作，断开负载；负载的变化，改变流过IGBT模块集电极电流，达到改变模块功率的目的。
⑶开启温度采集系统、闭合逆变系统与负载连接的中间继电器，装置开始进入工作状态；
⑷装置在运行过程中，FPGA芯片不断对SPWM信号频率按键进行检测(这个装置在运行FPGA芯片就每秒钟对SPWM信号频率按键检测8次)，当检测到按键输入发生变化，将对应改变FPGA芯片输出SPWM信号频率，可以实现连续工作状态下，改变SPWM信号频率。
⑸装置在运行过程中，温度传感器DS18B20不断对IGBT模块铜基板温度进行检测，当其达到温度设置临界值时，对应的继电器动作，进而控制散热风扇的接入或断开以及第二负载的接入或断开。
⑹装置在运行过程中，FPGA芯片以及驱动板PSHI2012不断检测IGBT模块以及整个装置工作是否正常，当发生IGBT模块过温、短路，负载过流，逆变系统输出断相等故障时，系统自动关断。
⑺系统上面(4)～(6)检测步骤达到试验稳态后，通过预置端口，对IGBT模块的电气参数进行检测并存储。
⑻一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作。
⑼若需要继续进行试验，重复上述⑴～⑺过程，否则进行下一步；
⑽后处理采集到的试验数据，对采集到的IGBT模块重要电气参数进行后续处理，利用集电极电流和集射极电压数据，可以计算IGBT模块的瞬时功率和平均功率，分析稳态集射极电压变化趋势等，进而研究IGBT模块的电气性能和退化趋势等。
⑾结束试验。
试验数据处理：
通过Matlab软件，对试验所得数据进行处理，分析IGBT电气参数与其铜基板温度关系，如下图7和图8所示，其中图7为在不使用散热风扇且集射极电压60V与集电极电流20A不变的情况下，研究IGBT开关频率与其铜基板温度的关系图，开关频率分别为500Hz、2kHz、5kHz、10kHz；图8为在不使用散热风扇且集射极电压60V与开关频率10kHz不变的情况下，研究IGBT集电极电流与其铜基板温度的关系图，集电极电流分别为5A、10A、20A、30A。
图9为集射极电压保持60V不变，通过预先设定值改变负载模拟实际工况，并与散热风扇配合将温度限定在某个温度区间。
图7通过设计FPGA芯片输出SPWM信号频率，将不同开关频率下IGBT铜基板温度进行对比，随着开关频率的升高IGBT铜基板温度的上升率以及稳定值都在上升，可见IGBT的开关频率对其铜基板温度影响明显，反映出随着开关频率的上升开关损耗也在上升。随着IGBT模块的使用退化，通过此装置可以研究IGBT模块开关频率与铜基板温度关系，进而研究IGBT退化程度与开关频率以及铜基板温度关系，为将来IGBT模块的在线可靠性评估以及提供科学的检修计划提供研究平台。
图8通过设置直流母线电压以及三相可调负载值，控制IGBT模块的集电极电流，可以看出随着集电极电流的增大，IGBT模块铜基板温度逐渐上升，并且上升率增加明显，此装置可以通过研究在IGBT模块逐渐退化过程中，不同集电极电流下，IGBT模块铜基板温度的变化过程，以及在相同集电极电流下铜基板温度的变化，进而研究在IGBT模块逐渐退化铜基板温度与集电极电流的关系。
图9通过控制散热风扇的开通或关断时对应的温度值，以及控制三相可调负载，实现对IGBT模块铜基板温度变化范围进行控制，为研究在相同的电气条件下，温度的变化对电气参数以及IGBT模块工作特性的影响提供平台。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (6)
1.一种三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，其特征为该装置的组成包括：整流调压滤波电路、三相桥式逆变电路、温度传感器、温度采集存储系统、继电器组、散热风扇、三相可调负载、IGBT模块门极SPWM信号控制电路和计算机，其连接关系为：三相桥式逆变电路的输入端连接整流调压滤波电路，三相桥式逆变电路输出端连接三相可调负载，IGBT模块门极SPWM信号控制电路输出端连接三相桥式逆变电路中IGBT模块的门极；温度传感器、温度采集存储系统以及继电器组依次连接，继电器组分别连接散热风扇和三相可调负载，温度传感器和散热风扇分别与三相桥式逆变电路相连；温度采集存储系统与计算机相连；
所述的整流调压滤波电路由断路器Q、单相桥式全控整流模块、直流电容Cd、直流电压负反馈模块、电位器Rw、变压器T1及保险FU1组成；其连接方式为：断路器Q连接输入交流220V主线路；单相桥式全控整流模块的供电端、直流电压负反馈模块的供电端、与变压器T1的高压端分别与断路器Q连接；变压器T1低压端与单相桥式全控整流模块低压输入端连接；直流电压负反馈模块的电压控制端连接电位器Rw，电压反馈端连接单相桥式全控整流模块直流输出端，con端与单相桥式全控整流模块con端连接；单相桥式全控整流模块的直流输出端并联2个直流电容Cd，经保险FU1与三相桥式逆变电路相连；
所述的三相桥式逆变电路包括三个逆变桥臂、隔离升压变压器T2、中间接触器KM1、热继电器FR和总开关按键SB组成，其连接方式是：三个逆变桥臂、中间接触器KM1、隔离升压变压器T2与热继电器FR依次连接；总开关按键SB一端连接断路器Q，另一端与中间接触器KM1的线圈和热继电器FR的常闭触点依次相连；每个逆变桥臂安装上下两个IGBT模块，三个逆变桥臂，共安装6个IGBT模块，并在六个IGBT模块安装处，依次安装吸收电容Cx1～Cx6，且每个逆变桥臂均自带过流保护FU；
所述的三相可调负载包括第1可调负载、第2可调负载以及中间接触器KM2，其连接方式为：中间接触器KM2与第2可调负载串连后，再与第1可调负载组成并联结构，且均为三相四线接法。
2.如权利要求1所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，其特征为所述的温度传感器包括6个独立的温度传感器探头。
3.如权利要求1所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，其特征为所述的继电器组由5个各自独立的继电器K1～K5组成。
4.如权利要求1所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置，其特征为所述的IGBT模块门极SPWM信号控制电路的组成包括FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、报警电路、门极不对称电阻电路及稳压电路，其连接方式是：FPGA芯片、电平转换电路、驱动器、门极不对称电阻电路以及稳压电路依次相连，报警电路与驱动器相连，且FPGA芯片的过温检测端与继电器组中的继电器K1的常闭触点连接。
5.如权利要求1所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置的运行方法，其特征为包括以下步骤：
⑴三相桥式逆变电路的每个逆变桥臂的上下管位置分别安装一个IGBT模块；
⑵打开装置，接通三相桥式逆变电路中的中间接触器KM1，检查各仪表显示是否正常，装置进行初始化，对试验参数设置，分别为：
①调整初始直流母线电压：闭合交流220V主线路开关，检查各仪表是否显示正常，调整用于控制晶闸管整流桥的电位器Rw，将直流母线电压调整为试验需要电压值；
②调整初始接入负载值：第1可调负载作为初始负载，根据需要设定的IGBT模块集电极电流值，在0～80Ω范围内调节负载；
③设置IGBT模块门极SPWM信号频率，通过FPGA芯片外置频率检测输入端KEY+和KEY-来改变SPWM信号频率，最高频率设置为30KHz，最低频率设置为500Hz，每按一次KEY+频率上升500Hz，按下KEY-频率下降500Hz；
④设置单片机控制继电器组中继电器K1～K5动作的温度上限和下限值，控制散热风扇及第2可调负载的接入和断开：
a.设置过温临界温度上限值H1，当IGBT模块铜底板温度达到临界温度上限值H1时继电器K1动作输出高电平，FPGA芯片检测到高电平输入，停止SPWM信号输出，并过温报警；
b.通过设置控制继电器K2动作时对应的的上限温度值H2和下限温度值L2，将IGBT模块铜底板维持在实验预定温度区间波动，当IGBT模块铜底板温度达到上限温度值H2时，继电器K2闭合，开启散热风扇对IGBT模块铜底板进行散热，当检测到温度降至L2时，继电器K2断开，停止散热，其中通过调压调节散热风扇风速，进而控制降温速度；
c.通过设置控制继电器K3动作时对应的温度值H3，将IGBT模块铜底板温度维持在实验预定温度，当IGBT模块铜底板温度达到H3时，继电器K3接入散热风扇，当温度降至小于H3时，继电器K3断开散热风扇；
d.当需要模拟负载变化对IGBT模块功率—温度影响时，需要通过继电器K4和继电器K5相互配合改变接入第2可调负载的大小，当检测IGBT模块铜底板温度为L4时，继电器K4动作接入第2可调负载；当检测温度为H5时，继电器K5动作，断开第2可调负载；
⑶开启温度采集存储系统、闭合中间接触器KM1，装置开始进入工作状态；
⑷装置在运行过程中，对SPWM信号频率按键进行检测，当检测到按键输入发生变化，将对应改变FPGA芯片输出SPWM信号频率；
⑸装置在运行过程中，对IGBT模块铜底板温度进行检测，当其达到温度设置临界值时，继电器K1～K5中对应继电器动作，进而控制散热风扇的接入或断开以及第2可调负载的接入或断开；
⑹装置在运行过程中，检测其工作是否正常，当发生IGBT模块过温、短路，三相可调负载过流，三相逆变系统输出缺相故障时，系统自动关断；
⑺系统经过上面(4)～(6)检测步骤达到试验稳态后，通过预置端口，对IGBT模块的电气参数进行检测并存储；
⑻一轮试验完成后，按下关闭按钮，系统停止工作；
⑼若需要继续进行试验，重复上述(2)～(8)过程，否则进行下一步；
⑽后处理采集到的试验数据，对采集到的IGBT模块重要电气参数进行后续处理，利用集电极电流和集射极电压数据，计算IGBT模块的瞬时功率和平均功率，分析稳态集射极电压变化趋势，进而研究IGBT模块的电气性能和退化趋势；
⑾结束试验。
6.如权利要求5所述的三相逆变系统IGBT模块功率-温度控制及检测装置的运行方法，其特征为所述的三相桥式逆变电路上每个逆变桥臂的分别安装IGBT模块的方法，包括以下步骤：每个IGBT模块铜底板安装一个散热片，散热片与模块铜底板之间均匀涂一层2μm的导热硅脂，散热片在IGBT模块内部IGBT芯片的正下方留有一个通孔，温度传感器经通孔对IGBT模块铜底板进行测温。
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