IPM自動測試平臺的研究及實現(xiàn)

關(guān)鍵詞：智能功率模塊；IGBT；自動測試平臺

問題的提出
火車機車動力系統(tǒng)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(qū)動電路和保護(hù)功能于一體，內(nèi)部含有門極驅(qū)動控制、故障檢測和多種保護(hù)電路，其核心器件是IGBT。實際使用過程中，由于沒有簡單的方法判斷出IPM質(zhì)量的好壞，一旦IPM出現(xiàn)了質(zhì)疑問題就只能丟棄，造成了巨大的浪費。因此，對IPM器件的性能測試有著重要的實際意義。本測試中的IPM器件型號為PM300DSA120，根據(jù)測量出的各個參數(shù)值與參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來評定該器件的好壞。

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(dǎo)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含有三個計數(shù)器。由于系統(tǒng)所要求的脈沖電源的特點是占空比為1：1000，周期為1s，這是普通電源無法滿足的，所以我們在設(shè)計中利用8253的兩個計數(shù)器的通道進(jìn)行串聯(lián)以產(chǎn)生頻率、占空比可變的定時脈沖信號。
負(fù)載及其電壓量、電流量的切換
在測試電路中，有兩類負(fù)載：一類為高電壓、小電流的情況，此時電壓為600V，電流最大為300mA，電阻約為2KΩ，功率為180W；另一類為低電壓、大電流的情況，此時電壓為60V，電阻為0.2W，電流為300A，負(fù)載功率可達(dá)18KW。但這樣的電阻很難制作，因此，在實際設(shè)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(fù)載的導(dǎo)通時間亦為0.1％, 這樣，負(fù)載功率就不會超過180W。負(fù)載電阻根據(jù)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(nèi)調(diào)節(jié)；一為小電壓、大電流，輸出電流可在0~300A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可根據(jù)需求接入其中之一，并且可用手動方法調(diào)節(jié)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，其連接控制器通過控制連接一、連接二和連接三來實現(xiàn)其測試IPM各項參數(shù)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(fù)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(diào)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，每個繼電器帶有4路常開觸點和4路常閉觸點。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(jié)束。這種靜態(tài)的平臺連接方法，可以保證在測試過程中，測試工作的安全可靠。

問題的處理
測試中，有一些特殊參數(shù)須加注意，如：ton，是指在輸入一個脈沖信號時，IPM的響應(yīng)時間與下降沿之間的時間關(guān)系，該參數(shù)一般是由操作人員現(xiàn)場使用雙蹤示波器觀看。而在本課題中，筆者通過計算機連接兩個獨立的數(shù)據(jù)通道，用數(shù)據(jù)采集的辦法，采集兩條曲線，并對兩曲線進(jìn)行比較分析，得到時間參(常)數(shù)。由于ton、toff等參數(shù)為0.1ms的數(shù)量級，因此，該測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)30MHz。
由于系統(tǒng)需測試的參數(shù)，如ton、trr、toff等，均定義在兩條相關(guān)曲線的相互位置上，因此，在研制過程中，對于這些參數(shù)的處理都給予了特殊的重視。這些相關(guān)的曲線，并非理想曲線，因此，這里采用了兩項關(guān)鍵的處理技術(shù)。其一，是在兩條曲線的對齊上(即兩條曲線在時間上的ns級同步)，采用ns級的觸發(fā)上升沿，同時啟動兩個A/D通道來采集，使它們可在ns級的誤差范圍內(nèi)同時工作；其二，是抗干擾技術(shù)。由于所采集的曲線干擾較大，我們采用數(shù)字濾波技術(shù)來濾掉干擾。
自動測試平臺設(shè)計
我們所設(shè)計的自動測試平臺的原理圖如圖2所示。
根據(jù)測試功能的不同將圖2分為四個區(qū)。其中(I)區(qū)為信號源輸入控制區(qū)，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(qū)為供電源及負(fù)載選擇區(qū)，可按需要切換各種負(fù)載和測量電壓、電流傳感器，并可用來切換不同的可調(diào)輸入電源；(III)區(qū)為三級驅(qū)動的繼電器區(qū)，由計算機ISA總線插槽中的AC4071 I/O信號來控制繼電器(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。(Ⅳ)區(qū)為數(shù)據(jù)采集區(qū)，從電壓、電流傳感器接收的數(shù)據(jù)通過A/D0、A/D1兩個端口采集到計算機ISA總線插槽中的AC1030板(A/D轉(zhuǎn)換板)上，并以表格、圖象等方式加以顯示。

結(jié)語
本測試平臺是以繼電器為主要控制器件的可編程靜態(tài)自動測試平臺，一旦系統(tǒng)進(jìn)入測試狀態(tài)后，連接平臺將不再改變，直至測試結(jié)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)展成為動態(tài)測試平臺。動態(tài)測試平臺是在靜態(tài)測試平臺的基礎(chǔ)上組建的一種多功能平臺，可以根據(jù)工作需要而改變，以滿足更高的需求。具體做法是在火車機車中直接用傳感器對IPM進(jìn)行參數(shù)測試，然后通過軟件將測試結(jié)果傳送到控制平臺中，控制平臺根據(jù)傳送的參數(shù)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態(tài)的了解器件的性能，能夠?qū)崟r的反應(yīng)器件的好壞。此IPM器件測試系統(tǒng)受北京鐵路局有關(guān)部門委托開發(fā)，現(xiàn)已投入實際使用?！?BR>
參考文獻(xiàn)
1 國家技術(shù)監(jiān)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(biāo)準(zhǔn).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