IPM自動(dòng)測試平臺的研究及實(shí)現

關(guān)鍵詞：智能功率模塊；IGBT；自動(dòng)測試平臺

問(wèn)題的提出
火車(chē)機車(chē)動(dòng)力系統中普遍使用的智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)是電力集成電路的一種，集功率器件(IGBT)、驅動(dòng)電路和保護功能于一體，內部含有門(mén)極驅動(dòng)控制、故障檢測和多種保護電路，其核心器件是IGBT。實(shí)際使用過(guò)程中，由于沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法判斷出IPM質(zhì)量的好壞，一旦IPM出現了質(zhì)疑問(wèn)題就只能丟棄，造成了巨大的浪費。因此，對IPM器件的性能測試有著(zhù)重要的實(shí)際意義。本測試中的IPM器件型號為PM300DSA120，根據測量出的各個(gè)參數值與參數標準進(jìn)行比較來(lái)評定該器件的好壞。

圖1 多測試平臺的連接原理圖

圖2 IPM測試原理圖

自動(dòng)測試平臺方案研究
信號源的輸入
本測試中所需的信號源有三種：高電平直流5V電源，控制IPM截止；脈沖信號，控制IPM通斷；低電平，控制IPM導通。其中直流5V電源由電源直接提供；低電平可直接接地；脈沖電源由AC4071芯片產(chǎn)生。AC4071芯片中包含3片8253，每片8253含有三個(gè)計數器。由于系統所要求的脈沖電源的特點(diǎn)是占空比為1：1000，周期為1s，這是普通電源無(wú)法滿(mǎn)足的，所以我們在設計中利用8253的兩個(gè)計數器的通道進(jìn)行串聯(lián)以產(chǎn)生頻率、占空比可變的定時(shí)脈沖信號。
負載及其電壓量、電流量的切換
在測試電路中，有兩類(lèi)負載：一類(lèi)為高電壓、小電流的情況，此時(shí)電壓為600V，電流最大為300mA，電阻約為2KΩ，功率為180W；另一類(lèi)為低電壓、大電流的情況，此時(shí)電壓為60V，電阻為0.2W，電流為300A，負載功率可達18KW。但這樣的電阻很難制作，因此，在實(shí)際設計中，采用了180W的電阻，在控制端發(fā)出占空比為1:1000的脈沖，使負載的導通時(shí)間亦為0.1％, 這樣，負載功率就不會(huì )超過(guò)180W。負載電阻根據需求選擇其中之一接入。
電源分為兩種，一為大電壓、小電流，可在300~1200V范圍內調節；一為小電壓、大電流，輸出電流可在0~300A范圍內調節，可根據需求接入其中之一，并且可用手動(dòng)方法調節電壓、電流的大小。
連接電路控制器
該測試平臺連接原理如圖1所示，其連接控制器通過(guò)控制連接一、連接二和連接三來(lái)實(shí)現其測試IPM各項參數的目的。其中連接一可按需要切換各種信號源，還可將輸入信號接入測量電路；連接二可按需要切換各種負載和用以測量電壓、電流傳感器；連接三可按需要切換不同的可調輸入電源。
連接電路控制器為中間繼電器，由24V直流電源供電，每個(gè)繼電器帶有4路常開(kāi)觸點(diǎn)和4路常閉觸點(diǎn)。其控制信號由AC4071上16路輸出信號加以控制。AC4071板上的輸出的信號可編程。連接電路控制器僅起靜態(tài)連接作用，即在組建一種測試平臺前，由工控機經(jīng)AC4071板發(fā)出輸出控制信號，控制繼電器進(jìn)行連接。為確保連接正確，將反饋信號輸入，以檢測連接是否成功。一旦進(jìn)入測試狀態(tài)后，這種連接平臺就不再改變，直至測試結束。這種靜態(tài)的平臺連接方法，可以保證在測試過(guò)程中，測試工作的安全可靠。

問(wèn)題的處理
測試中，有一些特殊參數須加注意，如：ton，是指在輸入一個(gè)脈沖信號時(shí)，IPM的響應時(shí)間與下降沿之間的時(shí)間關(guān)系，該參數一般是由操作人員現場(chǎng)使用雙蹤示波器觀(guān)看。而在本課題中，筆者通過(guò)計算機連接兩個(gè)獨立的數據通道，用數據采集的辦法，采集兩條曲線(xiàn)，并對兩曲線(xiàn)進(jìn)行比較分析，得到時(shí)間參(常)數。由于ton、toff等參數為0.1ms的數量級，因此，該測試系統中的數據采集速率可達30MHz。
由于系統需測試的參數，如ton、trr、toff等，均定義在兩條相關(guān)曲線(xiàn)的相互位置上，因此，在研制過(guò)程中，對于這些參數的處理都給予了特殊的重視。這些相關(guān)的曲線(xiàn)，并非理想曲線(xiàn)，因此，這里采用了兩項關(guān)鍵的處理技術(shù)。其一，是在兩條曲線(xiàn)的對齊上(即兩條曲線(xiàn)在時(shí)間上的ns級同步)，采用ns級的觸發(fā)上升沿，同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)A/D通道來(lái)采集，使它們可在ns級的誤差范圍內同時(shí)工作；其二，是抗干擾技術(shù)。由于所采集的曲線(xiàn)干擾較大，我們采用數字濾波技術(shù)來(lái)濾掉干擾。
自動(dòng)測試平臺設計
我們所設計的自動(dòng)測試平臺的原理圖如圖2所示。
根據測試功能的不同將圖2分為四個(gè)區。其中(I)區為信號源輸入控制區，可按需要切換各種信號源，并可將輸入信號接入測量電路；(II)區為供電源及負載選擇區，可按需要切換各種負載和測量電壓、電流傳感器，并可用來(lái)切換不同的可調輸入電源；(III)區為三級驅動(dòng)的繼電器區，由計算機ISA總線(xiàn)插槽中的AC4071 I/O信號來(lái)控制繼電器(J1A，J1B，J2A，J2B，J3......J7)閉合從而確定輸入不同的電源信號和輸出到A/D板中的不同信號測試點(diǎn)。(Ⅳ)區為數據采集區，從電壓、電流傳感器接收的數據通過(guò)A/D0、A/D1兩個(gè)端口采集到計算機ISA總線(xiàn)插槽中的AC1030板(A/D轉換板)上，并以表格、圖象等方式加以顯示。

結語(yǔ)
本測試平臺是以繼電器為主要控制器件的可編程靜態(tài)自動(dòng)測試平臺，一旦系統進(jìn)入測試狀態(tài)后，連接平臺將不再改變，直至測試結束。從而保證了測試工作的安全可靠。此外，本測試平臺可以進(jìn)一步發(fā)展成為動(dòng)態(tài)測試平臺。動(dòng)態(tài)測試平臺是在靜態(tài)測試平臺的基礎上組建的一種多功能平臺，可以根據工作需要而改變，以滿(mǎn)足更高的需求。具體做法是在火車(chē)機車(chē)中直接用傳感器對IPM進(jìn)行參數測試，然后通過(guò)軟件將測試結果傳送到控制平臺中，控制平臺根據傳送的參數用和靜態(tài)測試平臺相同的方法進(jìn)行判斷，從而得出器件的好壞。此做法的好處是可以動(dòng)態(tài)的了解器件的性能，能夠實(shí)時(shí)的反應器件的好壞。此IPM器件測試系統受北京鐵路局有關(guān)部門(mén)委托開(kāi)發(fā)，現已投入實(shí)際使用?！?BR>
參考文獻
1 國家技術(shù)監督局發(fā)布. 絕緣柵雙極型晶體管測試方法.中華人民共和國國家標準.1998
2 北京雙諾測控技術(shù)有限公司. AC4071使用手冊. 北京：北京雙諾測控技術(shù)有限公司.2001
3 北京雙諾測控技術(shù)有限公司. AC1030使用手冊. 北京：北京雙諾測控技術(shù)有限公司.2001