大功率電力電子器件性能測試設(shè)備(終稿)

1、大功率電力電子器件性能測試設(shè)備型號規(guī)格：非標用 途：檢測大功率電力電子器件的性能參數(shù)一、 購置理由1、電力電子器件及其性能測試近年來, 電力電子技術(shù)發(fā)展迅速, 在工業(yè)、航空、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于電力電子產(chǎn)品的體積和價格不斷地下降, 而其性能和質(zhì)量又不斷地提高, 電力電子技術(shù)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。電力電子器件是電力電子設(shè)備的心臟, 它在很大程度上決定了電力電子設(shè)備的性能和質(zhì)量。迄今為止, 電力電子器件主要有晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、雙極型功率晶體管（BJT）、功率MOS場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）、整流管、大電容、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感

2、應(yīng)晶閘管（SITH）和MOS控制晶閘管（MCT）。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,廣大的研究和產(chǎn)品開發(fā)研制人員對電力電子器件參數(shù)的興趣越來越濃厚。電力電子器件的參數(shù)主要分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)兩大類, 靜態(tài)參數(shù)主要有額定電壓、額定電流、動態(tài)壓降等；動態(tài)參數(shù)主要有開通速度、關(guān)斷速度、電壓臨界上升率、電流臨界上升率等，另外還有一些重要的參數(shù), 如驅(qū)動要求、器件結(jié)構(gòu)參數(shù)等。新型大功率電力電子開關(guān)器件具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高。動態(tài)壓降小等優(yōu)越性能，越來越多地被應(yīng)用到各類大中功率電力變換裝置中，成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導器件。其特性參數(shù)是衡量其性能的主要指標。大功率電力電子器件的特性參數(shù)具有測試項目多、

3、量程變化大、參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、部分瞬態(tài)參數(shù)快速突變等特點，使得對參數(shù)的測試尤其是時間參數(shù)的測試變得十分困難。2、測試設(shè)備用途大功率電力電子器件性能參數(shù)決定了器件的應(yīng)用場合和應(yīng)用的條件, 所以電力電子器件參數(shù)的測定不僅對器件的研究和生產(chǎn)來說是十分重要的, 而且對電力電子產(chǎn)品的開發(fā)、研制和生產(chǎn)也是非常重要的。目前國內(nèi)外對大功率電力電子參數(shù)的測試大部分靠人工，分步、分時進行，存在速度慢、精度低等缺點。因此研制大功率電力電子器件的參數(shù)自動測試系統(tǒng)，具有重要的意義。二、技術(shù)要求1、技術(shù)要求1）IGBT參數(shù)說明：數(shù)據(jù)采集速率：50MHz集電極電流IC測量范圍：01000A集電極電壓UCE測量范圍：0100

4、0V集電極發(fā)射極飽和電壓UCE(sat)測量范圍：010V，分辨率001V，精度4-5。表面溫度測量范圍：0-150度門極電壓UGE測量范圍：020V開啟電壓UGE（th）:215V柵極發(fā)射極漏電流IGES：100-1000nA，分辨100nA，精度±5%柵極發(fā)射極閾值電壓：0-15V，分辨率O1V，精度±5；集電極發(fā)射極截止電流ICES：0.2-20mA；分辨率O1mA；精度±3開通時間ton：0.3管段時間toff：0.4恢復(fù)時間trr：0.2（max）2) 整流管參數(shù)說明：整流管正向電流：1000A最大整流電流：1000A最大反向擊穿電流：1000A最高反向

5、電壓：1600V工作頻率：小于100KHz反向擊穿電壓：1600V額定結(jié)溫：150度3）大電容：電壓：50V最大容量：33000uF耐高溫：105度2、設(shè)備描述1）設(shè)備技術(shù)簡介目前,國內(nèi)外市場上還沒有比較通用的電力電子器件的性能測試儀器,特別是動態(tài)參數(shù)的測試。我們擬采用先進的數(shù)字化波存技術(shù),結(jié)合現(xiàn)代測試儀器的微機化、智能化的發(fā)展趨勢,開發(fā)現(xiàn)代電力電子器件的參數(shù)測試儀。微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,引起了儀器結(jié)構(gòu)的根本性變革,即以微型計算機為主體代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的常規(guī)電子線路,成為新一代的具有某種智能的靈活儀器。在測量儀器中引入微機,不僅可以解決傳統(tǒng)儀器不能解決或不易解決的問題,而且能簡化電路、增加功能

6、、提高精度和可靠性、降低售價以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。這類儀器已能實現(xiàn)人腦的一部分功能,有的還可以進行自校準、自診斷,并具有自適應(yīng)、自學習的能力?，F(xiàn)代數(shù)字化波存技術(shù),就是將模擬信號變換為數(shù)字信號存儲起來并予以處理所涉及的技術(shù)。自 80 年代以來,現(xiàn)代數(shù)字化波存技術(shù)的發(fā)展極其迅速,在各個高科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,它通常均采用現(xiàn)代微機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系,基本上由信號波形數(shù)據(jù)采集部分與微機（智能）監(jiān)控/處理部分,按多總線聯(lián)接方式構(gòu)成。2）器件性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1 電力電子器件性能測試結(jié)構(gòu)框圖在此，我們提出了大功率電力電子器件性能測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖把計算機技術(shù)現(xiàn)代數(shù)字化波存技術(shù)、集散控制技術(shù)和電力電子技

7、術(shù)結(jié)合起來，組成高智能化、高自動化的電力電子器件性能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有測試主電路、高速數(shù)據(jù)采集卡、計算機測試、外圍設(shè)備和計算機監(jiān)控等五個子系統(tǒng)有機的聯(lián)結(jié)組成，如圖1所示。這是一個集散系統(tǒng)，測試主電路通過改變拓撲來構(gòu)成各種器件的各種參數(shù)的測試電路。測試計算機則是一個集現(xiàn)代計算機技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字化波存技術(shù)的系統(tǒng) ,負責對測試主電路的控制、高速數(shù)據(jù)采集卡的控制、被測試量信號的調(diào)理、轉(zhuǎn)換 、采集、處理 、顯示和其它各種型式的輸出 ,此外還提供方便友好的人機交互界面,供測試人員進行控制和對測試過程和結(jié)果進行監(jiān)視,還可同監(jiān)控計算機或外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信；監(jiān)控計算機主要任務(wù)是對整個系統(tǒng)的工作進行協(xié)調(diào)控制和

8、監(jiān)視,也提供測試人員的人機界面,但這是相比測試計算機更高層次的控制和監(jiān)視；外圍設(shè)備是測試系統(tǒng)另外所需的設(shè)備和裝置,如打印機、顯示器等。上述系統(tǒng)構(gòu)成了電力電子器件的測試系統(tǒng),但各個子系統(tǒng)的重要性是不一樣的。高速數(shù)據(jù)采集卡和測試計算機這兩個子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,它們自身構(gòu)成了計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有相當強的獨立性。計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當于一專用的數(shù)字存儲示波器,能實現(xiàn)數(shù)字存儲示波器的一般功能,并有許多應(yīng)用于器件測試的專用功能。它的顯著特點是具有非常高的采樣頻率和強大的單次截取信號的能力。測試主電路、高速數(shù)據(jù)采集卡和測試計算機三個子系統(tǒng),采用微機化儀器的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)起來,構(gòu)成了一臺典型的智

9、能化微機儀器。它通過總線與系統(tǒng)連接,實現(xiàn)控制和通訊的功能。所以說,上述三個子系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)成了一臺簡單通用的電力電子器件的測試儀器,可以滿足一般場合的需要。由于計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有相當強的獨立性,它與測試主電路的連接是十分簡單和規(guī)范的(如測試主電路和高速數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號連接,采用規(guī)范的模擬示波器的信號輸入通道。)所以使用者可以方便的更改測試主電路,或者使用自行設(shè)計的測試主電路,以實現(xiàn)特殊測試的需要。該計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,甚至可以用作為電力電子產(chǎn)品研制開發(fā)的實驗儀器,用來測試實際電路的工作狀況和各種性能指標。三、設(shè)備組成及選型1、計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計算機高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10、由軟件和硬件兩大部分組成,其硬件結(jié)構(gòu)主要包括主機、被測量輸入通道（包括模擬量和開關(guān)量輸入通道）、過程輸出通道 、人機聯(lián)系部件和接口電路以及串行或并行數(shù)據(jù)通訊口等。本系統(tǒng)采用個人計算機作為系統(tǒng)的核心部件,很好地解決了主機、人機聯(lián)系和通訊等問題。我們所要解決的主要問題是被測模擬量的輸入問題。模擬量輸入通道一般 由濾波器 、多路模擬開關(guān) 、放大器 、采樣保持器(S/H)和 A/D 轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入通道有單通道和多通道之分。在本系統(tǒng)中,必須采用多通道的模擬量輸入結(jié)構(gòu),因為在電力電子器件的參數(shù)測試中,往往需要從多個電路信號的綜合中才能測定某一參數(shù)的數(shù)值。多通道的結(jié)構(gòu)通常又可以分為兩種：每個通道有各自獨

11、立的放大器、采樣保持器(S/H)和 轉(zhuǎn)換器。這種形式通常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它允許各通道同時進行轉(zhuǎn)換。多通道共享放大器、S/H和 A/D,這種形式通常用于對速度要求不高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由多路模擬開關(guān)輪流采入各通道的模擬信號 ,經(jīng)放大、保持和A/D 轉(zhuǎn)換,送入主機。2、系統(tǒng)軟件該系統(tǒng)的另一重要的組成部分是軟件部分, 軟件相對于硬件來說具有成本低 、易維護、易擴展、易操作、開發(fā)時間短等優(yōu)點,而且軟件可以很方便的實現(xiàn)硬件無法或很難實現(xiàn)的功能。一般的微機化儀器中都盡可能地用軟件來實現(xiàn)所需的各種功能。本系統(tǒng)的軟件部分主要實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位；采集過程的控制；數(shù)據(jù)的交互、處理、顯示、存儲、轉(zhuǎn)換、輸出；結(jié)果的

12、計算、顯示、輸出等功能。同時提供友好的人機界面,使得操作者可以方便、靈活、直觀的操作和察看測試過程。我們用C+語言來開發(fā)本系統(tǒng)的軟件部分,實現(xiàn)菜單驅(qū)動的集成工作環(huán)境,在集成工作環(huán)境中可以進行器件測試的各種操作。本軟件系統(tǒng)開發(fā),將非常重視其功能的擴展,各程序模塊間分工合理,聯(lián)結(jié)規(guī)范,可以很方便地進行功能的修改和擴展。四、系統(tǒng)的工作原理及過程1、系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域,由于電力電子器件工作于開關(guān)狀態(tài),其被測信號的高頻分量非常豐富。所以要求采樣的頻率很高,以便能夠很精確的反應(yīng)波形的上升沿和下降沿,從而比較準確的測得器件的開通速度和關(guān)斷速度等參數(shù)。按照上述兩種多通道模擬量輸入通道的應(yīng)用

13、特點和本系統(tǒng)的要求來分析 ,似乎應(yīng)采用每個通道都有獨立A/D轉(zhuǎn)換器的通道結(jié)構(gòu)。但是,考慮到電力電子器件測試的特殊性,同時為了減少硬件成本（ 高速數(shù)據(jù)采集卡價格十分昂貴,我們采用了第二種多通道共享 A/D的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)和一般的多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)又有所不同。在一般的應(yīng)用于過程控制的微機化儀器儀表中,其模擬輸入通道的工作過程一般是這樣的：由循環(huán)計數(shù)器控制多路開關(guān)接通某一模擬輸入信號,A/D轉(zhuǎn)換器采下此時該信號的一個值,然后循環(huán)計數(shù)器計數(shù),使多路模擬開關(guān)又接通下一個模擬輸入信號,采下這時刻此下一個信號的值,如此逐點地循環(huán),對各模擬量輸入信號進行檢測。我們的系統(tǒng)中不可能實現(xiàn)這種工作方式 。圖

14、2 電力電子器件性能測試工作原理框圖在采樣頻率高達50MHZ的時候,多路模擬開關(guān)不可能在采樣的間隙在各個模擬輸入信號之間進行逐點切換 ,而且,這樣的工作方式使得實際對每個輸入信號的采樣速率下降,犧牲了A/D卡的速度,這在對采樣速率要求很高的本系統(tǒng)中,是不行的。另外一方面,考慮到 電力電子器件測試的特殊性,我們也不需要實現(xiàn)上述的工作方式。電力電子器件測試的要求和一般的過程控制不同,它對信號的實時性沒有嚴格的要求。過程控制的儀器和儀表必須實時的反應(yīng)外部的模擬輸入信號的變動,以便快速的進行顯示和做出相應(yīng)的控制反應(yīng)。而本系統(tǒng)中只要采集包含有電力電子器件參數(shù)信息的信號就可以了,而無需實時地對各個模擬輸入

15、信號做出反應(yīng)，工作原理如圖2所示。2、本系統(tǒng)的工作過程計算機通過程序控制程控電源，逐步調(diào)節(jié)電壓、電流大小，提供集電極發(fā)射極（母線）電壓;電源電壓、電流接入被測元件及其負載電路，并通過電壓變速器、電流變速器傳入高速數(shù)據(jù)采集卡；表面溫度傳感器貼于被測元件表面，其輸出電信號送入高速數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)采集卡完成實時的數(shù)據(jù)采樣，并送往工控機進行數(shù)據(jù)處理；控制電路與計算機采用全雙工通信，控制電路包含驅(qū)動電路以及測試電路，控制被測器件的測試環(huán)境以及設(shè)定參數(shù)，并對被測元件進行測試，測試單元主要包括柵極特性測試單元、截止電流測試單元、飽和電壓測試單元、開關(guān)時間測試單元、恢復(fù)時間測試單元等.大部分測試參

16、數(shù)通過信號調(diào)理電路后直接經(jīng)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C。計算機完成測試系統(tǒng)的自檢、各種參數(shù)測試、相關(guān)智能儀表的通信、故障診斷與報警、數(shù)據(jù)分析與處理、測試報告等，并通過顯示器與打印機輸出數(shù)據(jù)。在電力電子器件的測試中,有些參數(shù)的測試是損壞性的,但多數(shù)參數(shù)的測試是無損的。如本系統(tǒng)中的開通速度、關(guān)斷速度、開通損耗、關(guān)斷損耗、反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流等參數(shù)的測試都是非損壞性的,所以系統(tǒng)中的測試波形都是周期性可重復(fù)的。基于上述理由我們以測試信號的周期為間隔（不是以采樣周期為間隔）。在每個測試周期內(nèi),多路開關(guān)始終接通同一個模擬輸入信號,A/D卡將該模擬量在此周期內(nèi)的數(shù)據(jù)全部采集下來,直到下一測試周期才將多路開關(guān)切換

17、到下一個模擬輸入信號。這樣的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相當簡單 ,硬件價格低；且完全滿足了電力電子器件測試的要求；同時最大限度的發(fā)揮了高速數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率,沒有因為通道的擴展而犧牲采集卡的實際采樣速率，該工作的流程圖如圖3所示。圖3 模擬量的輸入通道的工作流程框圖五、設(shè)備價格序號名稱規(guī)格單價（萬元）數(shù)量合計（萬元）備注1工控機研華IPC-610L515臺灣研華科技2打印機HP 5200Lx0.710.7惠普3串口通信卡UT-768，8口工業(yè)級RS-232PCI多串口卡0.510.5深圳市宇泰科技有限公司4高數(shù)數(shù)據(jù)采集卡研華PCI-1716L 16位，采樣頻率250 ks/s0.710.7臺灣研華科技5電壓變送器STM/SO1T_V25V6（電壓傳感器）0.140.4北京世特美測控技術(shù)有限公司6控制電路313自制7電流變送器STM /SD1T_C4V60.120.2北京世特美測控技術(shù)有限公司8表面溫度傳感器表面一體化溫度變送器 SBWZ-48010