电力电子元件的电压响应测试方法与流程

本发明涉及一种测试方法，尤其涉及一种电力电子元件的电压响应测试方法。

背景技术：

目前全球将近40％的初始能源以转换成电力的方式在使用，而最主要的发电方式仍以火力发电为主。随着燃料逐渐枯竭，能源价格日渐高涨，开发新能源，例如前阵子力推的离岸风力发电，或是提高电能的传输率与有效使用率成为重要的发展方向。

电能的传输率与有效使用率取决于半导体功率开关元件(电力电子元件)的性能，因此，学术界或是产业界都投入了大量资源致力于电力电子元件的开发与改良。而众多电力电子元件中，又以金属氧化半导体场效晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor；mosfet)与绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor；igbt)为最重要且最广泛应用的电力电子元件。

而使用者在使用电力电子元件时，会输入一方波以驱动电力电子元件，请参阅图1，图1是显示现有技术的电力电子元件进行测试的方块图。如图所示，一测试者(图未示出)利用一方波产生器pa1与一示波器pa4对一待测驱动电路pa2进行测试，待测驱动电路pa2电性连接一负载pa3。待测驱动电路pa2包含一栅极驱动电路pa21与一电力电子元件pa22，但不以此为限，电力电子元件pa22也可为多个。待测驱动电路pa2电性连接于方波产生器pa1与负载pa3，示波器pa4用以获取待测驱动电路pa2输出的电压电流波形，电性连接于待测驱动电路pa2，实际节点落在电力电子元件pa22与负载pa3之间。

测试者利用方波产生器pa1产生一方波，可以手动方式调整输出频率，但是方波的波形无法调整。当方波输入至栅极驱动电路pa21后，驱动电力电子元件pa22输出一电压与一电流至负载pa3。并利用示波器pa4获取电力电子元件pa22输出的电压电流波形，以供测试者观看，当测试者发现电压波形中的电压过冲(overshoot)峰值远高于一电压限制值或是远低于电压限制值时，便需要调整更换栅极驱动电路pa21上的栅极电阻，通常栅极电阻利用焊接的方式连结于栅极驱动电路pa21上。

因此，若要调整栅极电阻则需要解焊再重新焊接一个新的栅极电阻，若重新焊接后量测出的新的输出电压电流波形中，新的电压过冲峰值仍是远高于或远低于电压过冲峰值，则需要再一次更换栅极电阻。普遍来说，若输出的电压过冲峰值过高，有可能烧坏电力电子元件pa22，因此，一般测试者都会优先使用电阻值较大的栅极电阻，以减缓电压的上升斜率，延长电压的上升时间，进而输出较低的电压过冲峰值。确认电压过冲峰值并未超过电压限制值后，再逐步换上电阻值较小的栅极电阻，以提升电压的上升斜率，减少电压的上升时间，进而提升输出的电压过冲峰值，直到电压过冲峰值甫超过电压限制值，并纪录当时的栅极电阻。

然而，现有技术的方法测试者需要一直观察示波器pa4上的电压波形，并且一直更换栅极电阻，直到电压波形中的电压过冲峰值超过电压限制值时才停止，相当耗费人力精神、且解焊重焊栅极电阻的过程也可能误触栅极驱动电路pa21上的其他电子元件造成短路等问题。此外，电阻值较大的栅极电阻就会限制住电压的上升时间，进而限制住电力电子元件pa22的切换频率，电阻值较小的栅极电阻抑或是不使用栅极电阻，虽可减少电压的上升时间，提升电力电子元件pa22的切换频率，却也可能使得电压过冲峰值过大，导致电力电子元件pa22的损毁。

技术实现要素：

有鉴于在现有技术中，人力观察电压过冲峰值与手动更换栅极电阻所造成的问题。本发明的一主要目的是提供一种电力电子元件的电压响应测试方法，利用一脉冲命令产生模块、一滤波器与一输出电压量测模块，达到自动化测试的功效。

本发明为解决现有技术的问题，所采用的必要技术手段为提供一种电力电子元件的电压响应测试方法，利用一脉冲命令产生模块、一滤波器与一输出电压量测模块对一待测驱动电路进行测试，并包含以下步骤：(a)利用该脉冲命令产生模块，依据一内建最长上升时间与一脉冲输出周期，计算出预定在一基准状态下输出的一基准脉冲信号的脉冲数量，藉以使该基准脉冲信号包含第1至第m个输出脉冲；(b)利用该脉冲命令产生模块，定义一消除基准值n，并消除该第1至第m个输出脉冲中的第n、第2n至第kn个输出脉冲以形成预定在一调变状态下输出的一调变脉冲信号，其中，kn小于或等于m的最大整数；(c)利用该脉冲命令产生模块，输出该调变脉冲信号；(d)利用该滤波器，接收该调变脉冲信号，加以滤波以产生一调变输出波，并将该调变输出波输出至该待测驱动电路；(e)利用该输出电压量测模块，量测该待测驱动电路的一电压过冲峰值；(f)利用该脉冲命令产生模块，接收该电压过冲峰值，并判断该电压过冲峰值是否大于一最佳化电压值；(g)在步骤(f)中的判断结果为否时，利用该脉冲命令产生模块在第kn、(k-1)n、(k-2)n、…、2n个被消除的输出脉冲中，每逐次叠加回一者至该调变脉冲信号而修改该调变脉冲信号后，在重复执行步骤(c)至(g)，直到其中一次叠加回输出脉冲修改而获得的该调变脉冲信号致使该电压过冲峰值首次大于该最佳化电压值时，将该次修改而获得的该调变脉冲信号定义为一最佳化调变脉冲信号；以及，(h)使该脉冲命令产生模块由该基准脉冲信号修改为以该最佳化调变脉冲信号输出。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使电力电子元件的电压响应测试方法中的步骤(a)、(b)、(c)、(f)、(g)、(h)中，脉冲命令产生模块包含一脉冲命令计算单元与一脉冲命令产生单元。脉冲命令计算单元，用以计算出基准脉冲信号与消除的第n、第2n至第kn个输出脉冲。脉冲命令产生单元，电性连接脉冲命令计算单元，用以接收基准脉冲信号与消除的第n、第2n至第kn个输出脉冲，以形成调变脉冲信号。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使电力电子元件的电压响应测试方法中的步骤(a)、(b)、(c)、(f)、(g)、(h)中，脉冲命令产生模块是一现场可程序化逻辑门阵列(fieldprogrammablegatearray；fpga)。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使电力电子元件的电压响应测试方法中的步骤(d)、(e)中，该待测驱动电路包含：一栅极驱动电路与一电力电子元件。栅极驱动电路是电性连接滤波器，用以接收该调变输出波，并具有一栅极电阻。电力电子元件电性连接栅极驱动电路与负载。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使电力电子元件的电压响应测试方法中的步骤(e)中，输出电压量测模块是一伏特计。

承上所述，本发明所提供的电力电子元件的电压响应测试方法，利用脉冲命令产生模块、滤波器与输出电压量测模块，逐次叠加回消除的输出脉冲，以达到自动化测试的功效。

附图说明

图1是显示现有技术的电力电子元件进行测试的方块图；

图2是显示本发明较佳实施例所提供的电力电子元件的电压响应测试方法的流程图；

图3是显示实施本发明较佳实施例的测试系统的方块图；

图4是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块计算消除输出脉冲的示意图；

图5是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块输出的调变脉冲信号的示意图；

图6是显示本发明较佳实施例中滤波器滤波产生调变输出波的波形示意图；

图7是显示本发明较佳实施例中输出电压量测模块量测的输出电压波形图；

图8是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块计算消除输出脉冲的另一示意图；

图9是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块输出的调变脉冲信号的另一示意图；

图10是显示本发明较佳实施例中滤波器滤波产生调变输出波的另一波形示意图；以及

图11是显示本发明较佳实施例中输出电压量测模块量测的另一输出电压波形图。

附图标记说明

pa1：方波产生器

pa2：待测驱动电路

pa21：栅极驱动电路

pa22：电力电子元件

pa3：负载

pa4：示波器

1：脉冲命令产生模块

11：脉冲命令计算单元

12：脉冲命令产生单元

2：滤波器

3：输出电压量测模块

4：待测驱动电路

41：栅极驱动电路

42：电力电子元件

5：负载

p3、p6、p9、p12、p15、p18、p21、p24、p27、p30：输出脉冲

具体实施方式

请参阅图2与图3，其中，图2是显示本发明较佳实施例所提供的电力电子元件的电压响应测试方法的流程图；以及，图3是显示实施本发明较佳实施例的测试系统的方块图。如图所示，一种电力电子元件的电压响应测试方法，利用一脉冲命令产生模块1、一滤波器2与一输出电压量测模块3加以实施，用以对一待测驱动电路4进行测试，其中，脉冲命令产生模块1包含一脉冲命令计算单元11与一脉冲命令产生单元12，待测驱动电路4包含一栅极驱动电路41与一电力电子元件42，并电性连接一负载5。在本实施例中，脉冲命令产生模块1是一现场可程序化逻辑门阵列(fieldprogrammablegatearray；fpga)，输出电压量测模块3是一伏特计。

电力电子元件的电压响应测试方法包含以下步骤s101至s108：

步骤s101：利用该脉冲命令产生模块1，计算出预定在一基准状态下输出的一基准脉冲信号的脉冲数量，该基准脉冲信号包含第1至第m个输出脉冲。

步骤s102：利用该脉冲命令产生模块1，定义一消除基准值n，并消除该基准脉冲信号中的第n、第2n至第kn个输出脉冲，以形成在一调变脉冲信号。

步骤s103：利用该脉冲命令产生模块1，输出该调变脉冲信号。

步骤s104：利用该滤波器2，接收该调变脉冲信号，加以滤波以产生一输出至该待测驱动电路4的调变输出波。

步骤s105：利用该输出电压量测模块3，量测该待测驱动电路4的一电压过冲峰值。

步骤s106：利用该脉冲命令产生模块1，判断该电压过冲峰值是否大于一最佳化电压值。

步骤s107：利用该脉冲命令产生模块1，在第kn、(k-1)n、(k-2)n、…、2n个被消除的输出脉冲中，每逐次叠加回一者至该调变脉冲信号而修改该调变脉冲信号。

步骤s108：利用该脉冲命令产生模块1，将该次修改而获得的该调变脉冲信号定义为一最佳化调变脉冲信号，并改以该最佳化调变脉冲信号输出。

请一并参阅图2至图7，其中，图4是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块计算消除输出脉冲的示意图；图5是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块输出的调变脉冲信号的示意图；图6是显示本发明较佳实施例中滤波器滤波产生调变输出波的波形示意图；以及，图7是显示本发明较佳实施例中输出电压量测模块量测的输出电压波形图。

步骤s101中，利用脉冲命令产生模块1，依据一内建最长上升时间与一脉冲输出周期，并将两者相除以计算出预定在一基准状态下输出的一基准脉冲信号的脉冲数量，藉以使基准脉冲信号包含第1个至第m个输出脉冲。更详细的说明，是利用脉冲命令产生模块1中的脉冲命令计算单元11计算。

在本实施例中，待测驱动电路4中的电力电子元件42的内建最长上升时间以0.45毫秒为例，而脉冲命令产生模块1的脉冲输出周期是0.015毫秒，脉冲命令产生模块1中的一脉冲命令计算单元11计算出基准脉冲信号的脉冲数量为30个。在此需说明的是，为了使附图更佳清楚明了，时间第0到0.09毫秒并未输出脉冲，故0.09毫秒才开始产生输出脉冲，而内建最长上升时间区间落在0.09毫秒至0.54毫秒，总共0.45毫秒，但不以此为限，实际上也可能直接从0秒就开始产生输出脉冲。

步骤s102中，利用脉冲命令产生模块1，定义岀消除基准值n为3，并消除基准脉冲信号中的第n、第2n至第kn个输出脉冲，其中kn小于或等于m的最大正整数。更详细的说明，是利用脉冲命令产生模块1中的脉冲命令计算单元11计算。在本实施例中，脉冲命令产生模块1应消除第3、6、9、12、15、…、30个输出脉冲，即附图标示输出脉冲p3、p6、p9、…、p30，以形成调变脉冲信号，并通过脉冲命令产生模块1中的脉冲命令产生单元12输出调变脉冲信号(步骤s103)。但在本实施例中，直接从消除到第3、6、9、12、15个脉冲说明，如图3与图4所示，即附图标示的输出脉冲p3、p6、p9、p12与p15，并利用虚线表示被消除。该调变脉冲信号与基准脉冲信号的差别在于，在调变脉冲信号中，第3、6、9、12、15个输出脉冲被消除而没有输出，因此，调变脉冲信号的脉冲数量为25个。

步骤s104中，利用滤波器2，接收调变脉冲信号，加以滤波以产生调变输出波，如图5所示，并将调变输出波输出至待测驱动电路4中的栅极驱动电路41，栅极驱动电路41会驱动电力电子元件42，并输出一输出电压与一输出电流。其中，栅极驱动电路41具有一栅极电阻。

步骤s105中，利用输出电压量测模块3，量测待测驱动电路4的电力电子元件42的输出电压波形图，如图6所示。因电力电子元件42的特性，会产生步阶响应(阶跃响应)，在步阶响应中，初始值与趋于稳态后的最终值之间，会视情况而有所振荡，振荡中的最高值称之为“电压过冲峰值(overshoot)”。

电压过冲峰值若过高有可能造成电力电子元件42损坏，就是俗称的烧毁。举例来说，一个额定600伏特的绝缘栅双极晶体管(以下以igbt作为代称)，给予一300伏特的输入电压，若电压过冲峰值超过300伏特，此igbt就会因为电压超过额定600伏特而烧坏。因此，使用电力电子元件42不能只端看输入电压与电力电子元件稳态后的最终电压值，还需将中间振荡的电压过冲峰值列入考虑。

故，测试者可依照使用状况，先行定义岀最佳化电压值，并利用脉冲命令产生模块1判断电压过冲峰值是否大于最佳化电压值(步骤s106)。最佳化电压值测试者自行定义，可依照使用状况、电力电子元件42内建的最佳化电压值等进行定义。以上述例子继续说明，最普遍的方式会将最佳化电压值定义为额定600伏特与输入电压300伏特的中间值，即450伏特。此最佳化电压值与额定600伏特具有一安全距离，因为无法确保电压过冲峰值首次超过最佳化电压值时是否会超过额定600伏特，故最佳化电压值与额定600伏特不能太过接近。且电压过冲峰值若过大，也会使得电磁干扰(electromagneticinterference；emi)过大。

如图6所示，电压过冲峰值并未超过最佳化电压值，故进入步骤s107。利用脉冲命令产生模块1从第kn、(k-1)n、(k-2)n、…、2n个被消除的输出脉冲中，每逐次叠加一者至调变脉冲信号而修改调变脉冲信号，并重复步骤s103至s106。即脉冲命令产生模块1会从第15、12、9、6个输出脉冲逐次叠加回调变脉冲信号并修改，即逐次加回附图中的输出脉冲p15、p12、p6、p6，每加回一个输出脉冲就重新进行步骤s103至s106。

更详细的说明，脉冲命令产生模块1先将输出脉冲p15加回调变脉冲信号，并修改调变脉冲信号而加以输出，重复步骤s103至s106。当重复至步骤s106时，若脉冲命令产生模块1判断电压过冲峰值仍未大于最佳化电压值，则脉冲命令产生模块1会再将输出脉冲p12加回调变脉冲信号，再重复进行步骤s103至s106。若电压过冲峰值仍未大于最佳化电压值，脉冲命令产生模块1会再将输出脉冲p9加回，继续重复步骤s103至s106，直到电压过冲峰值首次大于最佳化电压值。

而实际上要执行到图4，表示脉冲命令产生模块1已经重复步骤s103至s106将输出脉冲p30、p27、p24、p21、p18逐次叠加回一者至调变脉冲信号。

请一并参阅图2至图11，其中，图8是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块计算消除输出脉冲的另一示意图；图9是显示本发明较佳实施例中脉冲命令产生模块输出的调变脉冲信号的另一示意图；图10是显示本发明较佳实施例中滤波器滤波产生调变输出波的另一波形示意图；以及，图11是显示本发明较佳实施例中输出电压量测模块量测的另一输出电压波形图。

图8是与图4相对应，只是在图8中，脉冲命令产生模块1将输出脉冲p15加回至调变脉冲信号(步骤s107)。图9是与图5相对应，脉冲命令产生模块1输出调变脉冲信号，图9产生的调变脉冲信号与图5相比，更接近于一完整的方波。

图10是对应到图6，滤波器2接收调变脉冲信号，加以滤波产生调变输出波，图10的调变输出波，因调变脉冲信号更接近于一完整的方波，故滤波后产生的调变输出波也会更趋近于一完整的方波。如图所示，图6有五个类似锯齿状的振荡，而图10减为四个锯齿状的振荡，因此，图10的调变输出波从0到1的上升时间会较图6的上升时间来的短。而上升时间缩短，可等同于将栅极驱动电路41的栅极电阻的电阻值变小。因此，在本实施例中，测试者不需用肉眼观察电压过冲峰值，并且用手动更换栅极电阻，解决了现有技术中，测试者利用人力观察电压过冲峰值与手动更换栅极电阻所衍生出的问题。

图11是与图7相对应，利用脉冲命令产生模块1，判断电压过冲峰值若大于最佳化电压值，便改以最佳化调变脉冲信号输出(步骤s108)。因为脉冲命令产生模块1逐次将消除的输出脉冲加回至调变脉冲信号。因此，上升时间会逐步缩短，进而使电压过冲峰值逐次升高，直到电压过冲峰值首次超过最佳化电压值，定义此次修改而获得的调变脉冲信号定义为最佳化调变脉冲信号。因为，电压过冲峰值过高有可能会烧坏电力电子元件42，就算没烧坏电力电子元件42，也会造成emi噪声过大。故，脉冲命令产生模块1在电压过冲峰值首次超过最佳化电压值后，便以该次的最佳化调变脉冲信号输出，不会再重复步骤s107，将消除的输出脉冲加回。

此外，也因为上升时间缩短，故上升频率(切换频率)会提高。举例来说，当电力电子元件42电性连接到的一电力转换器，若电力电子元件42的切换频率提高，就可以使电力转换器中的被动元件体积减少，进而提升电力转换器内的能量密度。

综上所述，本发明所提供的电力电子元件的电压响应测试方法，利用输出电压量测模块确认电压过冲峰值是否大于最佳化电压值，若未大于最佳化电压值，利用脉冲命令产生模块将消除的输出脉冲每逐次叠加回一者，进而缩短上升时间，使电压过冲峰值逐步升高至首次超过最佳化电压值，并改以最佳化调变脉冲信号输出。

相较于现有技术，本发明不用利用人力观察电压过冲峰值与手动自行更换栅极电阻，利用脉冲命令产生模块自动将消除的输出脉冲每逐次叠加回一者，缩短上升时间，等同于达到缩小栅极电阻的电阻值的功效。且本发明因为可以利用消除输出脉冲以拉长上升时间，避免电压过冲峰值过高，因此，本发明的栅极电阻的电阻值甚至可以比现有技术中利用手动更换到栅极电阻的最小电阻值还要小。而栅极电阻的电阻值变小，就等同于缩小上升时间，因此，更可以达到提升电力电子元件的切换频率的功效。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求的范畴内。