（电路与系统专业论文）智能功率模块测试技术若干关键问题研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

智能功率模块测试技术若干关键问题研究 摘要 智能功率模块i p m ( i n t e i l i g e n tp o w e rm o d u j e ) 是先进的混合集成功率器件， 具有高集成度、高可靠性、高开关速度、大功率、智能化的特点，因此，i p m 广 泛应用于变频设备的核心控制电路。作为关键部件，i p m 的性能好坏直接影响变 频产品的可靠性以及可维护性。由于i p m 中的功率器件在测试过程中易损坏等原 因，使得研究i p m 的测试技术成为当前电力电子技术的热点之一。本文对i p m 测 试技术的若干关键问题进行了较为深入的研究。 本文的主要工作及取得的成果如下： 深入研究了i p m 的器件特性及控制原理，以规则采样法为基础研究了基于 f p g a 离散特征的中心对准双极型s p w m 算法。 重点研究了i p m 的控制信号源，提出了基于f p g a 及l a b v i e w 的s p w m 波研究方法，实现了考虑死区时间的三相6 通道s p w m 波形，并分析了 信号谐波。利用此方法可以很方便地针对不同的算法进行实验评估，为 科研人员提供厂种研究s p w m 波的有效、快捷的途径。 研究了i p m 测试系统的测试参数及测试方法，设计了基于g p i b 总线的测试系 统框架，重点探讨了开关特性测试技术。 探讨了i p m 的可测试性设计，提出通过检测电压电流变化率预测故障的方法。 关键词：智能功率模块s p w mf p g al a b v i e w谐波 r e s e ar c ho nk e yp r o b l e m so ft e s tt e c h n o l o g yo f i n t e l i i g e n tp o w e rm o d u l e a b s t r a c t i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) i sak i n do fa d v a n c e di n t e g r a t e dd e v i c e b e i n g h i g hi n t e g r a t e d ，h i g hr e l i a b l e ，h i g hs w i t c h s p e e d ，h i g h p o w e ra n di n t d l i g e n t ，i p mi s w i d e l yu s e di nt h ei n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i t s a sa ni m p o n a n tp a r t s ，i p m sp e r f o r m a n c e a d e c t sr e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo fi n v e r t e r m l p r o p e rc o n t r 0 1c a nd e s t r o yi p m ，s o t h er e s e a r c ho nl e s tt e c h j l o l o g yo f 】p j b e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t so fe 】e c t r i c a 力d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y w er e s e a r c h e dk e yp r o b l e m so ft e s tt e c h n o l o g yo fi p m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ep u tf o r w a r dam e t h o du s e dt og e n e r a t ea n da n “y z es p w mw a v e s b a s e do nf p g aa n dl a b v i e w t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f i r s t l y ，w er e s e a r c h e dd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e o r yo fi p md e e p l y ， 、v cr e s e a r c h e dm ea l g o r i t h mo fs p w mw a v ew h i c hi sa m b i p o l a ra n da i m e da tc e n t e r s e c o n d l y ，w er e s e a r c h e dt h es i g n a ls o u r c eo fi p mm a i n l y am e t l l o dw a sp u t f o r w a r du s e dt og e n e r a t ea i l da n a l y z es p w mw a v e sb a s e do nf p g aa n dl a b v i ew s i xc h a n n e ls p w ms i g n a l so ft h r e ep h a s ew e r eg e n e r “e dt h r o u g hf p g a ，w h i c h h a r m o n i c sw e r ea n a l y z e dt h r o u 曲l a b v i e ws o f t w a r e w i 也t h i sm e t h o d ，w ec a n e v a l u a t ee a s i l yd i f f e r e n tm o d e so fs p w m t h em e t h o di sh i g he f 五c i e n c ya n ds h o r t c u t f o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h e r s t h i r d l y ，w ed e s i g n c dt h eb l u ep r i n to ft e s ts y s t e m w ed e s i g n e dt e s ts y s t e mf r a m e b a s e do ng p i bb u s ，w ea l s od i s c u s s e dh i g h s p e e dd a t ap r o c e s s i n go ns w i t c h i n gt e s t s p e c i a i i y f i n a l l y ，w ed i s c u s s e dt e s t a b i l i t yd e s i g nf o ri p m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep u t f o r w a r dam e t h o dt h a td e t e c t i n ga c c e l e r a t i o no fv o l t a g ea l l dc u r r e n t sm o v e m e n t ， p r e p r o t e c t i n gf a u l t sb ys t a t e m a c h i n e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tp o 、v e rm o d u l e s p w mf p g al a b v i e w h 姗o n i c 图表清单 图2 1i p m 外形图 图2 2i p m 6 m b p 2 0 i l 0 6 0 原理图 图2 3j p m 模块内部结构图 图2 4s p w m 波原理 图2 5 不同载波频率对s p w m 波的影响： 图2 6 单极式s p w m 波 图2 7 双极式s p w m 波 图2 - 8s p w m 波的模拟产生方法 图2 9 规则采样法原理图 图3 1r o m 空间分配 表3 1 三相脉宽数据规律性 图3 2f p g a 生成s p w m 波实现流程图一 图3 。3 顶层元件s p w m 综合逻辑图一 图3 4 底层元件r o m 综合逻辑图 图3 5 底层元件p w m 2 0 综合逻辑图 表3 2 顶层程序s p w m v h d 表3 3 底层程序r o m v h d 一 袁3 4 底层程序p w m 2 0 v h d 一 图3 6 文件命名规则 图3 75 叭k 0 5 仿真图一 图3 - 85 0 1 k 1 0 仿真图 图3 96 0 3 k 1 0 仿真图 图3 1 0 局部仿真图( 为显示三相死区) 图3 1 l5 0 2 k 0 8 波形图 图3 1 25 叭k 1 0 波形图 图3 一1 3 单相双通道波形图 图3 1 4 三相六通道波形图 图3 1 55 0 1 k 1 0 两通道差值波形图 图3 1 6 文献 4 3 】中的逆变器线电压幅值及相位波形图 图3 一1 7l a b v i e w 采集分析软件模块 表3 5p c i 一6 0 2 4 e 卡谐波测试精度验证实验报告 图3 1 85 0 1 k 1 0 频谱图 图3 1 95 0 l k 0 8 频谱图 图3 2 05 叭k 0 5 频谱图 图3 2 l5 0 2 k 1 0 频谱图j “_矗心一一加”m侉加甜甜鸵m m筋筋拍拍”勰凹如如砣弛 图3 2 25 0 2 k 0 8 频谱图 图3 2 35 0 2 k 0 5 频谱图 表3 6 刁i 同参数的中心对准s p w m 波的谐波比较 图4 1g p i b 设备的星型组合，j 图4 2i p m 测试系统原理框图 图4 3 信号预处理及高速数据采集电路原理框图 图4 4 丌关量定义j 图4 5 ，r 关特性测试时序控制原理图“ 图4 6 耐压测试原理图 图4 7 单管耐压电流饱和压降测试原理图 图4 - 8 续流二极管正向压降测试电路 图4 9 欠压保护测试电路 图4 1 0 过流保护测试电路一 图4 1 l 三相纯电阻负载测试原理图( 测相电压) 图4 1 2 三相纯电阻负载测试原理图( 测线电压) 图4 1 3 三相电机负荷( 感性负载) 测试原理图 图4 1 4 导通关断电压阈值测试一 图4 1 5 综合测试主电路 图4 1 6 开通关断闽值测试信号源波形 图4 1 7 软启动及软关断控制图 图5 1 可测试性设计原理框图 图5 2 预处理电路框图 图5 3 短路失效时间 图5 4 正常工作状态下电流 图5 5 异常工作状态下电流 表5 1 电流变化率与工作状态 图5 6m e a l v 状态机的工作原理图j 表5 2 故障状态编码 表5 3 控制动作编码 图5 7 状态机转换一 图5 _ 8 采用电流传感i g b t 的i p m 过流保护框图 ”弘弘弘”粥舶甜甜铊舵们钙甜钳钉挑钾钾如如儿”观 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究【作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确盼说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：南羿签字脚。妒年。6 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 壁工些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲解云导 签字目期：。午年。6 月7 日 签字日期 电话： 邮编： 致谢 本论文是在鲁昌华教授的指导和关怀下完成的。鲁老师渊博的学识、求实创 新的精神、严谨的治学态度和平易近人的工作作风，引导我在工作中不断进步。 没有他的悉心指导和无私帮助，就不会有今天的论文。 感谢鲁老师和刘春老师对我的关心和鼓励! 鲁老师和刘老师的忘我工作热情、 坦诚待人、爱护学生给我留下深刻印象，他们的言传身教使我终生受益。 感谢合肥工业大学智能测试研究室、电路与系统专业的各位同学，特别是曹源、 赵岩岭、许正荣、张晓峰、宋静、韩静等，你们给了我很多帮助和集体的温暖。 感谢安徽振兴科技股份有限公司的董事长徐家清先生、总经理徐佩先生，感 谢他们对我的信任。感谢曾经鼓励关心我的各位同事。 感谢从我上大学以来一直给予我关心、照顾的何辅云老师和姜芍老师，谢谢 你们亲人般的呵护。 特别感谢我非常尊敬、爱戴的一位老师一一薛芳老师，她和张老师对事业的 执著，是我永远的榜样。感谢她在我多次受挫之后对我的鼓励和关心。 最后感谢含辛茹苦地抚养、教育我成长的爸爸和妈妈，感谢这些年来为我分 忧的公公、婆婆，感谢爱护我的哥哥、姐姐、弟弟、妹妹。我的丈夫江朝晖是我 生活中的伴侣，也是事业上的同行，他在两方面都给予我极大的支持和关爱；我 的儿子江天是我的至爱，他时刻给我们带来快乐。我向他俩表示衷心的感谢! 高翠云 2 0 0 4 年5 月 第一章绪论 电力电子技术是现代电子学的重要分支，是一门研究如何利用电力电子器件 对电能进行控制、变换和传输的学科。电力电子器什是电力电子技术的物质基础 和技术关键。当前电力电子技术正向火功率化、模块化、高频化、智能化方向发 展，而智能功率模块i p m ( i n t e lj i g e n tp o w e rm o d u i e ) 被认为是最能适应这些要 求的新一代功率器件。 i p m 是功率集成电路( p i c ) ，它的智能主要表现在易实现控制功能、保护 功能和接口功能。i p m 将主开关器件、续流二极管、驱动电路、电流电压温度 监测元件及保护信号生成与传送电路，某些接口电路集成在一起，形成了所谓混 合电力式集成电路。选用智能功率模块，可以使系统硬件电路简单，减小尺、t ， 提高可靠性，并可以缩短系统的开发时间”刮。基于上述优点，i p m 广泛应用于 通用变频器的控制。 作为变频器的核心部件，j p m 的性能直接影响变频设备产品的可靠性以及可维 护性，因此研究即m 的测试技术具有重要的意义。 1 1 电力电子器件的发展概况 电力电子技术的发展史即为电力电子器件的发展史。1 9 5 8 年美国通用电气公 司生产的第一只晶闸管，标志着电力电子器件及其技术的诞生。电力电子技术的 发展史可分为四个阶段”1 。 f 1 ) 电力电子技术的开端 1 9 5 7 年以前，用于电力变换的电子技术已经存在，各种整流、逆变、周波变 流的电路和理论已经成熟并广泛应用。1 9 0 4 年出现了电子管，能在真空中对电子 流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河；后来出现了水 银整流器，其性能和晶闸管很相似。在1 9 3 0 年代到1 9 5 0 年代，是水银整流器 发展迅速并大量应用的时期。1 9 4 7 年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技 术的一场革命，最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。 f 2 1 晶闸管 1 9 5 8 1 9 7 0 年代，电力电子器件以晶闸管为主。晶闸管即s c r ( s i l ic o n c o n t r o l l e dr e c l if ie r ) ，可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属 于半控型器件。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的 发展而确立的。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。 ( 3 ) 全控型器件 1 9 7 0 年代后期，出现了全控型器件。全控型器件以门极关断晶闸管 g t o ( g a t et u r no f ft h ”i s t o r ) 、功率晶闸管g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、电力双极型 第一章绪论 电力电子技术是蚬代电子学的重要分支，是一门研究如何利用电力电子器件 对电能进行控制、变换和传输的学科。电力电子器什是电力电子技术的物质基础 和技术关键。当前电力电子技术正向大功率化、模块化、高频化、智能化方向发 展，而智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u i e ) 被认为是最能适应这些要 求的新一代功率器件。 i p m 是功率集成电路( p i c ) ，它的智能主要表现在易实现控制功能、保护 功能和接口功能。i p m 将主开关器件、续流二极管、驱动电路、电流电压温度 监测元件及保护信号生成与传送电路，某些接口电路集成在一起，形成了所谓混 合电力式集成电路。选用智能功率模块，可以使系统硬件电路简单，减小尺寸， 提高可靠性，并可以缩短系统的开发时间“午1 。基于上述优点，i p m 广泛应用于 通用变频器的控制。 作为变频器的核心部件，i p m 的性能直接影响变频设备产品的可靠性以及可维 护性，因此研究i p m 的测试技术具有重要的意义。 1 1 电力电子器件的发展概况 电力电子技术的发展史即为电力电子器件的发展史。1 9 5 8 年美国通用电气公 司生产的第一只晶闸管，标志着电力电了器件及其技术的诞生。电力电子技术的 发展史可分为四个阶段”1 。 电力电子技术的开端 1 9 5 7 年以前，用于电力变换的电子技术已经存在，各种整流、逆炱、周波变 流的电路和理论已经成熟并r 一泛应用。1 9 0 4 i 年出现了电子管，能在真空中对电子 流进行控制，并应用了二通信和无线电，从而开了电子技术之先河；后来出现了水 银整流器，其性能和晶闸管很相似。在1 9 3 0 年代到1 9 5 0 年代，是水银整流器 发展迅速并大量应用的时期。1 9 4 7 年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技 术的场革命，最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。 f 2 1 晶闸管 l9 5 8 19 7 0 年代，电力电子器件以晶闸管为主。晶闸管即s c r ( s i l ic o n c o n t r o l l e dr e c t i f ie r ) ，可通过门极控制开通，但通过门极不能拧制关断，属 于半控型器件。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的 发展而确立的。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。 ( 3 ) 全控型器件 1 9 7 0 年代后期，出现了全控型器件。全控型器件以门极关断晶闸管 g t o ( g a t et u r no f ft h y r j s t o r ) 、功率晶闸管g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 、电力双极型 g 丁0 ( g a r et u r no f ft h y s 幻r ) 、功率晶闸管g t r ( g j a n tt r a n s j s t o r ) 、电力双极型 晶体管、功率m o s f e t 为代表，这些器件可以通过门极( 或栅极、基极) 控制 丌通和天断。同时，这些器件可以达到的丌关频率均较高。全控型器件电路常使 用脉冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式进行控制。 ( 4 ) 复合型器件 1 9 8 0 年代后期，复合型器件技术成熟。复合型器件以绝缘栅双极型晶体管 i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a r r r a n s i s t o r ) 为代表。它集m o s f e t 的驱动功率 小、开关速度快的优点和b j t 通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分 优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。i g b t 的开关频率最高可达3 0 ， 4 0 k h z 。 功率集成电路把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起。i p m 作为 p i c 的代表，不仅把功率开关和驱动电路集成在一起，而且还封装有过电压、过 电流、过热等故障监测电路，并将监测信号送给c p u 。通常i p l 采用高速低功耗 的i g b t 作为功率开关器件，并封装电流传感器及驱动电路的集成电路。i p m 以 其高可靠性、使用方便等优点占有越来越大韵市场份额，尤其适合作驱动电动机 控制的变频器。 2 l 世纪电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、小 体积( 高芯片利用率) 、模块化。新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的 开关损耗，如软开关技术：通过谐振电路使得器件在零电压( z v s ) 或零电流 ( z c s ) 的状态下进行开关。电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能 化的方向发展。 1 2 变频器技术简介 把交流变为直流称为整流，把直流变为交流称为逆变，用于逆变的装置称为 逆变器。变频器由主回路和控制回路构成。主回路就是由整流器、滤波器和逆变 器三个主要部件构成。控制回路由微处理器、驱动电路和光电隔离电路构成。变 频器所实现的功能就是可以将输入的5 0 h z 或者6 0 h z 的工频交流电变换成所需 要的任意频率的交流电压。逆变器可由不同器件做成，如高频用功率m o s 晶体 管，大容量变频器用g t o 晶闸管，中小型变频器用i g b t 管。 随着电力电子器件及微处理器技术的发展，近2 0 年来，以功率晶体管g t r 为逆变器功率器件、8 位微处理器为控制核心、按压频控制比u f 控制原理实现 异步及调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，g t r 基本 上为绝缘栅双极晶体管i g b t 所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模 块i p m ，使得变频器的容量和电压等级不断扩大和提高。其二，8 位微处理器基 本为1 6 位微处理器所替代，也育部分采用功能更强的3 2 位微处理器( 如d s p ) 或双c p u ，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制 的综合功能。其三，控制方式上，在改善压频比控制性能的同时，推m 能实现矢 量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仪能实现宽调速( 宽变频) ，还 f 玎进行伺服控制。 1 3p w m 技术简介 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1 9 6 4 年a s c h o n u n 2 和 j is t e m m l e r 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广 应用丌辟了新的局面”。 从最初采用模拟电路产生正弦脉宽调制s p w m ( s i n e p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 信号丌始，发展到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输 出。可以说直到现在，p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的 热点。 由于p l l | m 可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其 他能量变换系统中得到广泛应用。p w m 控制技术大致可以分为三类：s p w m ( 包 括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此 类) 、优化p w m 及随机p w m 。s p w m 己为人们所熟知，而旨在改善输出电 压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特 的优势( 如a b ba c s l o o o 系列和美国r o b l c 0 n 公司的完美无谐波系列等) ： 而优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率最小、电压利用率最高、效率最优 及转矩脉动最小以及其他特定优化目标。 1 4 可测试性技术 测试性是指产品能及时准确地确定其状态( 可工作、不可工作、性能下降等) 和隔离其内部故障的设计特性。以提高产品测试性为目的进行的设计称为测试性 设计( d f t ) 。 测试性作为产品的一种重要性能为人们所认识是在2 0 世纪7 0 年代中期。 1 9 7 6 年，f l i o u r 等人在设备自动测试性设计一文中首次提出r 测试性的 概念。随后，测试性相继用于故障诊断电路的设计及其他各个领域。 1 5ip m 测试技术现状 国际上知名的变频器供应商主要有：曰r 本富士电机、国际整流器公司、三菱 电机、东芝电机、德国西门子电器、a b b 公司等。基于他们自身是大功率器件 i g b t 的制造商，所以他们生产的i p m 质量可靠，在国际变频器市场占绝对优 势，这一切都是出可靠的测试技术和测试设备来保障的。 在国内，尚无一家i p m 制造商，更无l p m 的测试系统制造商。国家也尚未 建立i p m 相关的测试标准。因此，目前国内i p m 制造以及测试系统为空白状态。 变频电器生产厂家一般直接选用国外生产的i p m ，相应地对于i p m 的研究也主要 在应用层次。在逆变电源行业、变频器行业以及家用电器行业，许多厂商已经成 功地掌握了i p m 的控制技术。代表的有：中国成都佳灵电气制造有限公司、广州 电器科学研究院机电设备公司、佛山市正大自动化设备有限公司、深圳市通本电 气技术有限公司、海尔集团、合肥阳光电源等。广州电器科学研究院生产的 t d s 3 0 0 0 系列产品，利用d s p 与c p l d 相结合，实现了有速度矢量控制最新技 术。海尔公司生产的变频空调一直是业界的领头军。各公司，高等院校、研究所 在ip m 的应用领域研究比较深入，从上世纪9 0 年代至今，在学术刊物上发表了 相关文献数百篇。对于l p m 的测试系统尚处于理论研究阶段，公开发表的文献很 少，尚未形成产品。 1 6 课题来源及意义 本课题受到厦门宏发电声有限公司和安徽省教育厅自然科学基金资助。 对于i p m 测试技术研究，涉及的学科领域非常多，诸如：测控技术、电力电 子技术、传感器技术、e d a 技术、d s p 技术等等。电力电子技术的发展取决于电 力电子器件的发展，i p m 作为目前最新型的高度集成电力电子器件，代表了电力 电子技术的发展方向。想佳国内的电力电子技术水平与国际相媲美，必须要研究 i p m ，制造i p m ，实现i p m 的国产化。规模化生产必须具备完善的测试方法及相 关的测试系统。可是，究竟如何检测i p m ，如何提高i p m 的可测试性。这是大家 面临的一个共同的关键性技术问题。首先，可测试性决定了产品的可诊断性、可 维护性和降低总体成本费用。其次，对i p m 模块检测需要外部自加控制信号 ( p w m 波形) ，不恰当的控制会造成器件的损坏。另外，电机负荷的干扰较大，加 上开关频率本身的干扰，使精确测试某些功能参数( 如压频特性) 非常困难，这些 都要求对i p m 的检测进行深入的理论探讨。 我国变频器行业具有巨大的市场需求潜力，而变频电器的市场决定i p m 的市 场。以变频空调为例，目前中国家用空调器行业的年生产能力为2 6 0 0 万台3 3 0 0 万台，按其】门0 来估计，空调专用i p m 模块的年需求量将近3 0 0 万块。据1 9 9 3 年统计，全国现有各类电动机装机容量大约为3 5 亿k w ( 估计现在超过4 亿 k w ) ，其耗电量约占全国总发电量的6 0 。其中大多数电动机处于轻载运行状 态。特别是其中装机容量占总装机容量一半以上的拖动风机、泵类负载的电动 机，7 0 采用风挡或阀门调节流量，运行状态更差。这些电动机占全国用电量的 3 1 ，占工业用电的5 0 。因此在目前，对现有风机泵类负载进行节能技术改造具 有重要意义。从销售额看：1 9 9 5 年销售变频器约为1 0 亿人民币，1 9 9 6 年约为 1 2 1 5 亿人民币，而且还要以每年l5 2 5 的速度递增。所以我国的变频器市场 潜力是非常巨大的。但目前在我国市场上销售的变频器，进口产品占了9 5 以 上，而国产的变频器产品，无论在外观还是在性能上，与国外产品相比都有 l o 15 年的差距”1 。 因此，研究i p m 的测试技术具有迫切的现实意义。本课题有很好的研究价值 和较好的经济前景。 1 7 主要研究内容 由于i p m 中i g b t 元件的死区效应，以及丌启、关断时易产生损坏器件的浪 涌电压和电流，所以在设汁i p m 的控制信号时必须考虑死区时问，以避免上、下 桥臂的对管直通短路。同时，采取软开启及软关断技术，确保i p m 安全可靠工作 ”。检测l p m 的各项电气参数是保证产品质量、延长全寿命周期的必备条件。 ip m 模块需要检测的电气参数很多，譬如：1 ) 集电极一发射极问饱和压降；2 ) i p m 导通、关断特性即时间特性”；3 ) 耐高压、绝缘性能：4 ) 窄载及带载输出电压 电流谐波含量、功率因数；5 ) 保护功能，包括过流保护功能、欠压保护功能、 过热保护功能、短路保护等。其中最关键的测试参数为开关特性即时间特性的测 量。由于i p m 的开通、关断时间极短( u s 级) ，属于暂态瞬变信号，难以准确捕 捉“。基于上述原因，本文主要研究i p m 的控制信号源以及高速数据采集处理 两个关键技术。 由于s p w m 波十分平滑，具有谐波小的优点，成为变频器中常用的控制波 形。本文提出了一种研究s p w m 波的方法，即基于f p g a 及l a b v i e w 的 s p w m 波的研究。首先离线计算脉宽数据，生成的数据报表存储到f p g a 的 r o m 中，f p g a 通过查表法生成s p w m 波，采集s p w m 信号并进行频谱分析， 预测系统的谐波特性。该方法提供了一种研究s p w m 波的有效途径。参照此方 法可以很方便地针对不同的算法进行实验评估，结合系统带负荷运行情况，从而 获得一种较优化的s p w m 波控制模式。 对于测试系统的研究，我们参照国外i p m 的电气特性指标，制定相应的测试 项目，并因此确定了系统的组成框架，即基于总线技术( 以g p i b 总线为主) 的 综合测试系统。根据并行处理的思想，制定了测试方法及测试流程设计原则，设 计了预处理电路框架。简要介绍了软件设计风格及其组成部分、完成的功能。 对于开关特性的测试，属于高速数据处理技术，文中进行了详细探讨。我们在文 中提出了两种实现方案：第一种是利用f p g a 控制高速a d 芯片，转换后得到的 数据经f i f o 缓存，通过数字口传送给p c 机的c p u ；第二种是借助高速数字示 波器捕捉波形，p c 机通过g p i b 总线获取数据。这两种方式实现的关键为时序控 制，即如何将高速问题转化为局部高速问题，利用同步机制来保证。 过压、过流、过热及短路，都是造成j g b t 损坏的原因。因此，对于i p m 的 可测试性设计，我们将重点放在模块的自保护即隔离其内部故障的功能上。本文 尝试提出基于电压电流变化率检测原理，利用c p l d 的状态机实现保护的可测试 性设计思想。 第二章i p m 控制信号原理及分析方法 2 1 引言 研究i p m 的测试系统及可测试性，所涉及的学科领域很多：如电力电子器件、 电机学、传感器技术、e d a 技术、智能检测、故障诊断学等等。首先必须深入了 解i p m 的内部工作原理，变频调速的基本原理，从而选择合适的信号源作为i p m 的 控制信号。对于信号源或者说控制模式的优劣如何评价，又要求我们对控制信号以 及负载电压、电流进行频谱分析，频谱分析采用f f t 快速傅立叶变换。但是对于以 i p m 为核心的变频调速系统，频率变换很大，不能以简单的f f t 进行分析，必须采 取频率跟踪的方法，降低频谱泄漏，准确计算系统的频谱特性。 2 2i p m 内部原理 图2 一li p m 外形图 图2 2i p m 一6 m b p 2 0 r h 0 6 0 原理图 曙二5； 5 ；i 三 我们以富十电机的i p m 一6 m b p 2 0 r h 0 6 0 为例介绍t p m 的原理 ”j 。这是一款d l p 封装的小功率i p m ，外形如图2 一l 所示。从图2 2 中我们可以清楚得知，i p m 主要包含 三大部分：输入控制信号驱动、大功率开关器件和续流二极管( f w d ) 、保护电 路。本i p m 是六单元i p m 。即为= 三相变频器的控制模块。该模块上桥臂的三只i g b t ( i g b t l 、i g b t 2 、i g b t 3 ) 是独立供电的；而下桥臂的三只i g b t ( i g b t 4 、 i g b t 5 、i g b t 6 ) 是共用一组电源的。对于用户，只需对模块输入适当的控制信号， 通过经脉冲变压器或光耦隔离输入到每相驱动口，并且能够及时响应故障报警信 号，关断i g b t ，i p m 就叮以正常工作了。共需三对驱动信号，每一对驱动信号均为 极性相反的一对驱动信号。例如，对u 相，i g b t l 与i g b t 4 为开关器件，而对应的驱 动信号分别为u p 、u n 。 i p m 中的i g b t 容易受损，损坏原因主要有”：驱动电路供电电压过低、高 压电源欠压或过压、过电流、负荷短路、j 二下对管直通等等。这些都有可能造成 器件失效，表现为器件击穿或者擎住、甚至器件三结短路、外表爆裂等。因此， 作为i p m 制造商也充分考虑到这些因素，在芯片内部一般均有自保护功能，即对 欠压、过压、过流的保护，一旦检测故障信号，立即切断驱动信号，同时向用户 发出故障信号。但是，这种保护只是辅助性质的，如果连续多次故障报警后，用 户均未采取相应的控制措施，器件依然会失效。因此，只有可靠的控制策略，加 上高速的响应及保护机制才能保证i p m 正常工作，如图2 3 所示。 图2 3l p m 模块内部结构图 2 3s p w m 波概念及中心对准双极型s p w m 波算法 由于s p w m 波具有谐波较小的优点，所以成为较常用的变频控制波形“1 。 我们在此选择中心对准的双极型s p w m 波作为测试i p m 变频功能的信号源。 2 3 1s p w m 波概念 s p w m 波即正弦脉宽调制波“3 ，其波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的 矩形脉冲波形，如图2 4 所示。等效的原则是每区间的面积相等。如果把一个正弦 波几等分，然后把每+ 个等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相 等的矩形脉冲来代替。这样几个一等幅的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效， 称为s p w m 波。 心豳豳l 。 。f ij ；l ；j ；j 图24s p w m 波原理 图2 5 不同载波频率对s p w m 波的影响 2 3 2 单极式s p w m 与双极式s p w m 目前，s p w m 脉冲的宽度可通过计算方法求出，进行计算机定时控制。但原 始的脉宽调制方法( 如图2 8 所示) 是利用正弦波作为基准，称为信号“r ，受其 调制的信号称为载波，在s p w m 中常用三角波作为载波，记为“f 。当调制波和 载波相交时由其交点确定逆变器开关的通断时刻。一般甜为低频信号，其频率 与电机工作频率相应：载波频率为高频信号，根据元件的不同可达到几k 几十 k h z 。当载波频率提高，两种波形的交点增多，以及一个周期内的脉冲数增加， 此时电动机输出波形更接近丁| 正弦。图2 5 给出载波频率对电动机影响的实测波 形。当“一l5 k h z 时，波形有很多纹波：当f i = 1 2 k h z 时，已获得较为理想的正弦 曲线。 。峪一 。阻：扫：日门日r 臼门韭二：二三， t b l 图2 6 单极式s p w m 波 图2 7 双极式s p w m 波 图2 6 显示单极式s p w m 波形的形成。当a 相的信号瞬时值u r a ) u i 时，上 桥臂导通，输出正的脉冲电压：而当u r a u i 时，输出电压为零。在u r a 的负半周 亦可用类似方法控制下桥臂输出负的脉冲列。改变信号波u r a 的频率时，输出电 压基波的频率也随之改变；降低信号波的幅值为ur a ，时，各段脉冲的宽度都将 变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。 单极式s p w m 波在半周内的脉冲电压只在正和零( 或负和零) 电平之间变 化，主电路每相只有一个开关器件反复通断。因此，元件的利用率不高，且正负 信号的交替控制有一定复杂性。故三相逆变器中已很少用单极式s p w m 波，而用 双极式s p w m 来代替。 双极式s p w m 波的信号u r a 与u i 均有正负极性，它输出的脉冲可让同一桥臂 上、下两只开关管交替导通和关断，输出脉冲只有正、负电平而无零电平。图2 9 7 绘出两相双极式s p w m 波形，其调制方式和单极式相似，只是输出脉冲的极性 不同，即在同一个周波内同时存在正极性和负极性的信号。 2 3 3s p w m 波形成的方法 早期的s p w m 波信号是由模拟方式来实现的( 如图2 8 所示) ，但现在一般 是数字控制的方法。可以采用查表法，即预先计算并存放好s p w m 数据表格， 控制时按照一定的时序读出数据，并且经过相应的处理电路产生s p w m 波：或 通过利用高速处理器实时计算脉宽数据，并生成s p w m 波形；也可采用大规模 集成电路专用芯片生成s p w m 波信号。本文采用a 1 t e r a 公司的大规模可编程器 件来实现s p w m 波，由于系统时钟可高达2 0 0 m h z ，具有高速实时性，从而保证 输出的脉冲沿十分陡峭。 下面介绍一下本文采用的算法一中心对准的双极型s p w m 波。 驱 动 逆 变 器 的 开 关 兀 件 图2 8s p w m 波的模拟产生方法 2 3 4 中心对准双极型s p w m 波算法 以规则采样法为基础实现中心对准双极型s p w m 波算法。中心对准表示每个 脉宽的发生以三角波的波谷时刻为中心对称，如图2 9 所示。 图2 9 规则采样法原理图 t 脉宽按下式计算： t 2 ( t c 2 ) + ( 1 + m s i n ( 1 ) t e ) ( 2 1 ) 式中：t c 为三角波周期，m 为调制比，u 为正弦波角速度，t e 为三角波波谷时 刻。实际计算是按照离散的方法，根据f p g a 的系统时钟周期与三角波周期之比， 确定对应的t c 、t e l 2 “，因此式( 2 1 ) 变化为： t = ( n 2 ) + 1 + m s i n 2 丌，n + ( i l 2 + n + k ) 】)( 2 - 2 ) 式中：n 为三角波的周期数( 以系统时钟周期为单位) ； n 为正弦波的周期数( 以系统时钟周期为单位) ； k 仁n n ，k f ( 载频比) 即三角波频率与正弦波频率比； k = o ，l ，2 k f 一1 。 若为三相s p w m 波形，则a 、b 、c 三相之间任意两相的夹角为1 2 0 。，脉宽 计算公式为： t ( a ) = ( n 2 ) + 1 + m s i n 2 n + ( n 2 + n ) + 2 3 )( 2 3 ) t ( b ) 2 ( n 2 ) 4 1 + m s i n 2 n + ( d 2 + n + k ) 】)( 2 4 ) t ( c ) 2 ( n 2 ) + l + m s i n 2 ，n 4 ( n 2 + n + k ) 2 3 】( 2 - 5 ) 由以上各式计算得到的t 通常不为整数，而时钟周期为整数，所以要取整。 我们以一个具体的例子说明此算法。设f p g a 的系统时钟为1 0 m h z ，系统时钟周 期表示为t c l k ，三角波周期为1 k h z ，正弦波周期为5 0 h z ，则t c 2 = 5 0 0 0 t c l k 。 三相中三只上管或下管的脉宽分别为： t ( a ) = 5 0 0 0t c l k + 5 0 0 0 m s i n ( 2 0 + 2 3 + n 1o + k ) t c l k ，( 2 6 ) t ( b ) = 5 0 0 0 t c l k + 5 0 0 0 m s i n (