基于LabVIEW的IGBT模塊測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

IGBT模塊是變頻器最關鍵的部件，IGBT模塊的質量是變頻器質量的保證。目前因無測試系統(tǒng)，很多公司無法對采購的IGBT模塊進行檢測篩選，導致有質量隱患的IGBT模塊流入生產線，給變頻器質量埋下隱患，同時還會造成返工浪費等問題。為了解決此問題，筆者研究并設計了基于LabVIEW的智能IGBT模塊測試系統(tǒng)。本文重點介紹了測試系統(tǒng)總體設計方案、硬件設計方案、軟件設計方案等。

1 總體設計

IGBT模塊測試系統(tǒng)的測試原理如圖1所示，模塊下橋臂為被測IGBT模塊，在上橋臂IGBT模塊的c、e并聯(lián)負載電感L，同時將上橋臂IGBT模塊的g與e間接負電壓使其處于關斷狀態(tài)，然后在下橋臂IGBT模塊的g與e間施加雙脈沖，如圖1中Vge波形所示，通過設置U、L、T1、T2、T3的大小可使流過下橋臂IGBT模塊的電流在第1個脈沖關斷時刻達到額定電流，在第2個脈沖關斷時刻達到2倍額定電流?？筛鶕?jù)模塊在額定工作電壓下能否通過一倍和兩倍的電流來判斷其電氣性能是否正常。

IGBT模塊測試系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)由差分探頭、數(shù)據(jù)采集模塊、接口板、平板電腦組成。

差分探頭將高電壓信號衰減，然后送入數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊將差分探頭輸入的模擬信號進行調理，然后由高速A/D轉換器轉換為數(shù)字信號儲存在存儲器中，并通過USB端口發(fā)送給平板電腦。

接口板的RS232通信端口通過USB/RS232模塊與平板電腦連接，接收來自平板電腦的控制命令，依據(jù)控制命令完成以下任務：1)生成雙脈沖觸發(fā)信號，驅動IGBT開通關斷;2)發(fā)送接觸器控制指令，對門極電阻進行配置;3)讀取接觸器輔助觸點及IGBT驅動器輸出的IGBT狀態(tài)信息，然后通過RS232端口發(fā)送至平板電腦處理。

平板電腦是控制系統(tǒng)的核心，同時也是人機交互界面。平板電腦采集操作員輸入的信息，并對信息進行分析，依據(jù)分析結果生成測試所需的控制命令發(fā)送給接口板或打印、顯示測試記錄。測試過程中，平板電腦讀取數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并對其進行顯示記錄。收到接觸器的觸點狀態(tài)及IGBT狀態(tài)信息后進行分析，如果異常則給出故障指示。

2 硬件設計

2.1 IGB碼區(qū)動設計

IGBT驅動電路是測試裝置非常重要的組成部分?？煽康腎GBT驅動電路能夠保證測試裝置正常工作。本次設計采用的驅動器為Concept公司的2SC0535T。此驅動器包括兩個通道，每個通道輸出功率達5W，輸出電流峰值達±35A，能夠驅動IGBT模塊的電流范圍為100～1600A，電壓范圍為600～3300V。

2.2 單片機系統(tǒng)設計

單片機系統(tǒng)與平板電腦進行通信，生成雙脈沖波形，并對接觸器、門極電阻切換電路進行控制，同時采集測試裝置的狀態(tài)信息發(fā)送給平板電腦。

此次設計我們采用的單片機為ST公司的STM32F103系列單片機。單片機系統(tǒng)的外圍接口示意圖如圖3所示。

(1)4路外部數(shù)字量輸入信號：分別為上橋接觸器返回點、下橋接觸器返回點、電感接觸器返回點及限位開關信號。

(2)多路數(shù)字量輸出信號：4路電壓選擇接觸器、6路門極電阻匹配繼電器、l路上橋接觸器、1路下橋接觸器、1路電感接觸器和1路高壓放電繼電器。

3 軟件設計

此系統(tǒng)軟件部分由主機部分和從機部分組成，其中主機選用平板電腦，應用程序采用LabVIEW編寫，從機為自制的接口板，主機和從機之間通過串口、采用標準Modbus RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳送。

3.1 主機設計

3.1.1 主機功能

主機開啟后，畫面如圖4所示。能夠完成整個測試過程的模塊選擇、參數(shù)顯示、指令操作、故障報警、以及讀取直流母線電壓、Vce和Ic的波形等，直流母線電壓、Vce和Ic的采集由示波器完成。在測試過程中如需保存主機畫面參數(shù)，可通過“保存畫面”按鈕保存屏幕參數(shù)。

3.1.2 主機工作流程

主機上電后，系統(tǒng)進入檢測畫面。在此畫面，我們可以選擇被測模塊的規(guī)格型號、測試電壓、測試橋臂和修改測試脈沖寬度。設定完畢后通過點擊屏幕上的“啟動”按鈕發(fā)送啟動指令，通過USB端口發(fā)送命令控制從機開始工作，采集數(shù)據(jù)發(fā)送IGBT雙觸發(fā)脈沖;同時在檢測畫面還可以顯示系統(tǒng)參數(shù)、故障信思、以及直流母線電壓、Vce和Ic的波形等。測試完成后可以通過點擊屏幕上的“放電”按鈕進行系統(tǒng)放電，從而泄放檢測系統(tǒng)各個高壓元件上的殘余電壓，避免檢測結束收工時的觸電事故。在測試過程中還可通過點擊屏幕上的“保存畫面”按鈕保存檢測參數(shù)和Vce、Ic波形圖。主機工作流程圖如圖5所示。

3.2 從機設計

3.2.1 從機功能

根據(jù)主機發(fā)送的相關參數(shù)和指令，完成接觸器、繼電器等的操作，發(fā)送相應寬度的雙脈沖，并檢測IGBT返回的故障信息，上報主機顯示。系統(tǒng)設計以實時響應和執(zhí)行效率高為原則，以管理執(zhí)行多任務為目的，開發(fā)出一種實時多任務控制系統(tǒng)，共包含三部分子功能：1)核心功能：負責發(fā)送雙脈沖。2)保護功能：負責監(jiān)測上橋或下橋的故障信號，有故障時停發(fā)觸發(fā)脈沖。3)用戶功能：負責RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。

3.2.2 從機工作流程

從機上電后首先進行系統(tǒng)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的初始化工作，然后根據(jù)主機發(fā)來的相關參數(shù)和指令執(zhí)行各個功能模塊的初始化操作，同時完成各接觸器、繼電器等的動作控制，最后啟動定時器，開始執(zhí)行系統(tǒng)保護功能、系統(tǒng)核心功能和用戶功能管理。在系統(tǒng)保護功能模塊，主要完成上橋臂和下橋臂的故障檢測功能，有故障時通知系統(tǒng)核心功能模塊停發(fā)觸發(fā)脈沖;在系統(tǒng)核心功能模塊主要完成雙觸發(fā)脈沖的產生及發(fā)送控制，從而控制IGBT的導通與關斷;在用戶功能管理模塊，主要完成和平板電腦的RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。從機工作流程圖如圖6所示。

4 結束語

基于LabVIEW設計的IGBT模塊測試系統(tǒng)，平板電腦是系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了人機對話、邏輯控制、測試數(shù)據(jù)顯示記錄及保存等功能。通過對IGBT模塊的實際測試證明，本IGBT模塊測試系統(tǒng)的各項指標均達到了設計要求，能夠對IGBT模塊進行有效的檢測篩選，防止有質量隱患的IGBT模塊流入生產線，從而提高變頻器質量，并極大的減少由此造成的返工浪費等問題。