一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，包括作为控制和待测模块的多个IGBT模块单元、用于组成测试回路的主电路系统、用于结温计算的小电流测试系统、包含多个独立工位的水冷散热系统、用于设置IGBT驱动及水冷散热系统通断的控制系统、用于监测电参数和热参数的数据采集系统。主电路系统采用特定的串并联电路，将待测IGBT模块进行连接。使同一主电路中多个待测IGBT模块的负载电流不同。数据采集系统自动采集小电流下待测IGBT模块的集射极电压Vce，并将其带入结温计算公式实时计算结温Tj。此实验装置在一次功率循环实验中同时对多个IGBT模块进行不同结温差的功率循环实验。满足了实验的多样性，提高了工作效率。

A Power Cycle Experimental Device for Automobile IGBT Multi-junction Temperature Difference Control

The invention discloses a power cycle experimental device for automobile-grade IGBT multi-junction temperature difference control, which includes multiple IGBT module units as control and test modules, main circuit system for constituting test circuit, small current test system for junction temperature calculation, water-cooled heat dissipation system containing multiple independent stations, control system for setting IGBT drive and water-cooled heat dissipation system on-off. A data acquisition system for monitoring electrical and thermal parameters. The main circuit system uses a specific series-parallel circuit to connect the IGBT module to be tested. The load current of several IGBT modules in the same main circuit is different. The data acquisition system automatically collects the collector voltage Vce of IGBT module under low current, and brings it into the junction temperature calculation formula to calculate the junction temperature Tj in real time. In one power cycle experiment, the power cycle experiment of different junction temperature difference was carried out on several IGBT modules simultaneously. It satisfies the diversity of the experiment and improves the work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置
本专利技术涉及一种功率循环实验装置，属于实验装置领域，特别涉及一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是能源转换与传输的核心器件，广泛应用于航空航天、风力发电、轨道交通、电动汽车等领域。在实际应用中，IGBT模块功率变化，引发功率损耗实时变化，致使模块的结温持续大范围波动。随着输出功率进一步提升，IGBT模块会出现严重的过热问题，IGBT模块可靠性降低，发生老化失效，最终导致整个功率转换系统的失效。因此，IGBT模块的可靠性分析对于大功率变流装置的可靠运行至关重要。分析IGBT模块的可靠性，需要对IGBT模块进行加速老化实验，以便在较短的时间内获得较多的样本数据。功率循环实验是目前常采用的加速老化实验。进行功率循环实验时，现有的实验方法一次只能对IGBT模块进行一种实验条件的功率循环实验。如需进行多种不同条件的功率循环实验，则需要依据实验条件，进行多次实验，实验效率较低。因此，需要提出一种新的功率循环实验装置，能够同时对多个IGBT模块进行功率循环实验。并且多个模块的电流，结温等实验条件不同，便于多个模块进行组间对比，此方法大大缩减了实验时间，提高了实验效率。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，能够同时对多个IGBT模块进行不同结温差的功率循环实验，不仅提高了工作效率，而且实验条件更加多样化。本专利技术提供一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，该装置包括：IGBT模块、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统。IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接。控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制。数据采集系统实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据。并且将测试电流下的Vce数据，自动带入K曲线，实时计算IGBT模块的结温Tj。所述的IGBT模块，如图1所示，包括五个不同型号的IGBT模块，分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和IGBT5。大额定功率的IGBT1模块作为主电路的开关，选取大额定功率是为了保证开关的可靠性。相同型号小额定功率的IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5作为待测器件，保证实验的可对比性。所述的主电路系统主要由由电源V1，电阻R1，IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4，IGBT5组成，如图1所示。电源V1的端1连接电阻R1的2端，电阻R1的3端连接IGBT1的4端。IGBT2和IGBT3并联后的两个输出端，一端与IGBT1的5端连接，另一端与IGBT4的10端连接，IGBT4的11端与IGBT5的12端连接，IGBT5的13端与电源V1的18端连接。此电路连接方法中多个待测IGBT模块采用不同的串并联连接电路，实现同一主电路中多个IGBT模块具有不同的负载电流。流经IGBT2和IGBT3的电流为主电路电流的一半，流经IGBT4和IGBT5的电流等于主电路中的电流。IGBT模块的导通功耗计算公式为Pcond＝D·Ic·Vce(Ic)＝D·Ic·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]}(1)其中，D为开关时间的占空比，Ic为IGBT模块的负载电流，Vce(Ic)为IGBT模块的集射极电压，Vce_25℃为IGBT模块在25℃时的集射极电压，rce_25℃为IGBT模块在25℃时的导通电阻，KV为电压温度系数，Kr为电阻温度系数。IGBT模块的结温Tj计算公式为Tj＝Rth·Vce(Ic)·Ic+Tc＝Rth·{[Vce_25℃+KV(Tj-25℃)]+Ic·[rce_25℃+Kr(Tj-25℃)]}·Ic+Tc(2)其中，Rth为IGBT的热阻，依据IGBT的数据手册获得不同实验条件模块的热阻，Tc为IGBT的壳温。由公式(2)可知，IGBT的结温与IGBT的功耗以及水冷散热系统中水冷板的壳温Tc有关。所述的小电流测试系统主要由电源V2，二极管D1组成，如图1所示。电源V2的正极输出端16与二极管D1的15端连接，二极管D1的14与IGBT1的5连接。电源的另一个输出端17与IGBT5的13端连接。小电流测试系统同时为四个待测IGBT模块提供测试电流。其中，流入IGBT2和IGBT3的测试电流是IGBT4和IGBT5测试电流的一半。进一步，所述的小电流测试系统，根据温箱实验中不同小电流下Tj与Vce的函数关系曲线，如图2所示。得到50mA小电流下IGBT的Tj的表达式100mA小电流下IGBT的Tj的表达式其中，IGBT2和IGBT3的Tj采用50mA测试电流下的Tj表达式计算。IGBT4和IGBT5的Tj采用100mA测试电流下Tj表达式计算。所述的水冷散热系统，如图3所示。能够为多个IGBT模块提供冷却液进行散热。冷却液(流体)在圆形管道内进行强制对流传热，其对流换热系数ɑ为其中，λ为导热率，d为管道直径，u为液体流速，ρ为液体密度，μ为液体粘度，cp为比热容，n在流体被加热时为0.4，冷却为0.3。依据对流换热系数公式可以判定，当其他参数一定时，α与u的0.8次方成正比，说明增大流速u有利于提高α。当其它参数一定时，α与d的0.2次方成反比，说明减小管道直径d有利于提高α。水冷散热系统的散热量Q公式为Q＝a·A·(Tc-Tw)(6)其中，Q为水冷板的散热量，单位W；a为对流换热系数，单位W/(m2.℃)；A为导热面积，单位m2；Tc为水冷板温度(IGBT的壳温)，即IGBT的壳温，单位℃；Tw为冷却液温度，单位℃。由水冷散热系统的散热量公式可得，当其他参数一定时，Q与a成正比。因此，通过改变水冷散热系统中水冷板的管道直径d、液体流速u，来调节对流传热系数a，进而控制水冷散热系统的散热量，从而控制IGBT的壳温Tc。进一步，所述的水冷散热系统，包含五个水冷工位。每个工位配备有独立的电磁阀，可以依据IGBT模块的散热需求，独立控制每个水冷工位电磁阀的通断，进而控制冷却液的通断时间。所述的控制系统，采用单片机进行控制，能够分别控制开关模块IGBT1和水冷散热系统电磁阀的通断。所述的数据采集系统，能够同时监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc等数据，并且将采集的数据实时存储于电脑。进一步，所述的数据采集系统，可以自动提取小电流下待测IGBT模块集射极电压Vce数据，并且依据IGBT模块的K曲线，计算IGBT模块的Tj变化。附图说明图1是本专利技术提供的功率循环实验装置电路图；图2是本专利技术提供的IGBT集射极电压Vce和结温Tj对应曲线图；图3是本专利技术提供的水冷散热工位图；图4是本专利技术提供的功率循环实验流程图；图5是本专利技术提供的功率循环实验参数确定图；图6是本专利技术提供的功率循环实验时序图；具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施步骤做详细的说明。本专利技术提供的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置。其特征在于，包括作为控制和待测器件的多个IGBT模块单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：该装置包括：IGBT模块、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统；IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接；控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制；数据采集系统实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据；并且将测试电流下的Vce数据，自动带入K曲线，实时计算IGBT模块的结温Tj。

【技术特征摘要】
1.一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：该装置包括：IGBT模块、主电路系统、小电流测试系统、水冷散热系统、控制系统、数据采集系统；IGBT模块置于水冷散热系统上，分别将主电路系统和小电流测试系统与IGBT模块进行连接；控制系统对IGBT1模块的栅极，以及水冷散热系统的电磁阀进行控制；数据采集系统实时的监测主电路的电流Ic、待测IGBT模块集射极电压Vce、待测IGBT模块壳温Tc数据；并且将测试电流下的Vce数据，自动带入K曲线，实时计算IGBT模块的结温Tj。2.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：所述的IGBT模块，包括五个不同型号的IGBT模块，分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和IGBT5；大额定功率的IGBT1模块作为主电路的开关，选取大额定功率是为了保证开关的可靠性；相同型号小额定功率的IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5作为待测器件，保证实验的可对比性。3.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：所述的主电路系统由由电源V1，电阻R1，IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4，IGBT5组成；电源V1的端1连接电阻R1的2端，电阻R1的3端连接IGBT1的4端；IGBT2和IGBT3并联后的两个输出端，一端与IGBT1的5端连接，另一端与IGBT4的10端连接，IGBT4的11端与IGBT5的12端连接，IGBT5的13端与电源V1的18端连接；此电路连接方法中多个待测IGBT模块采用不同的串并联连接电路，实现同一主电路中多个IGBT模块具有不同的负载电流；流经IGBT2和IGBT3的电流为主电路电流的一半，流经IGBT4和IGBT5的电流等于主电路中的电流；IGBT模块的导通功耗计算公式为其中，D为开关时间的占空比，Ic为IGBT模块的负载电流，Vce(Ic)为IGBT模块的集射极电压，Vce_25℃为IGBT模块在25℃时的集射极电压，rce_25℃为IGBT模块在25℃时的导通电阻，KV为电压温度系数，Kr为电阻温度系数；IGBT模块的结温Tj计算公式为其中，Rth为IGBT的热阻，依据IGBT的数据手册获得不同实验条件模块的热阻，Tc为IGBT的壳温；由公式(2)可知，IGBT的结温与IGBT的功耗以及水冷散热系统中水冷板的壳温Tc有关。4.根据权利要求1所述的一种汽车级IGBT多结温差控制的功率循环实验装置，其特征在于：所述的小电流测试系统主要由电源V2，二极管D1组成；电源V2的正极输出端16与二极管D1的15端连接，二极管D1的14与IGBT1的5连接；电源的另一个输出端17与IGBT5的13端连接。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：安彤，赵静毅，秦飞，别晓锐，方超，袁雪泉，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11