实时测试功率模块逆变工况下结温的装置、方法及系统与流程

1.本发明涉及功率模块监控与评估技术领域，尤其涉及一种实时测试功率模块逆变工况下结温的装置、方法及系统。


背景技术：

2.随着现代电力电子技术的发展及国家对新能源相关行业的大力扶持和推广，igbt功率模块在电驱动车辆动力系统逆变器中得到广泛使用。随着越来越多的功率器件投入使用，对于功率器件性能的可靠性问题的研究也愈发迫切，已有可靠研究表明：约60％的igbt器件失效是由于热的因素导致，且igbt芯片的实际工作温度每升高10℃，该芯片失效的可能性则会增加一倍，因此对igbt功率模块内部的结温探究是功率模块工程化应用中的重要关注点。
3.为获得igbt功率模块在相应功能组件工作过程中的结温，已有学者展开了相关研究，主要包括结温模拟和结温探测两类方式。由于结温模拟方式往往需要结合具体边界条件进行调整，且为较理想化、平均化的数值，无法精确直观地表征功率模块的实际结温数据；而在工程应用中，更希望以直观的方式获得igbt功率器件内部的实际结温情况，因此相对模拟类算法，技术人员更倾向于采用探测类的手段。
4.针对探测类的结温测试方法，国内外学者研究的成果基本都是针对单个igbt芯片或少数igbt芯片并联时的结温数据开展测试方法的实践，并未针对实际逆变运行工况下的复杂情况直接进行系统地观测，而获取逆变工况下的igbt功率模块内部的结温特性正是在具体应用中亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种实时测试功率模块逆变工况下结温的装置，在一个实施例中，所述装置包括：
6.装配有特制待测功率模块的被试电机控制器；
7.工况控制台架，其用于根据来自上位机的控制信号模拟多种设定工况的运行模式；以及
8.热成像仪，其用于采集所述特制待测功率模块发出的红外辐射能量数据，根据其生成对应的结温分布云图并输出；
9.所述被试电机控制器包括：
10.一个或多个功率模块，其中，至少一个功率模块为经设定方案处理后的特制待测功率模块；和
11.按照设定形式与特制待测功率模块的栅极引脚连接的驱动板；
12.以及控制板，其中所述控制板避开特制待测功率模块的对面上方设置。
13.优选地，在一个实施例中，所述工况控制台架包括：
14.与所述被试电机控制器连接的第一高压电源、第一低压电源、第一上位机和第一
散热系统；
15.陪试电机，其通过三相输出线与所述被试电机控制器连接；
16.与所述陪试电机连接的第二散热系统；
17.负载测功机，其通过机械连轴的方式与所述被试电机控制器连接；
18.与所述负载测功机连接的测功机控制器；
19.以及与所述测功机控制器连接的第二高压电源、第二低压电源和第二上位机。
20.在一个实施例中，所述特制待测功率模块的igbt芯片表面覆盖有满足设定要求的覆盖物。
21.在一个可选的实施例中，涂抹所述覆盖物以代替所述igbt芯片表面的硅凝胶。
22.进一步地，所述覆盖物采用发射率满足0.9～0.96其中某一固定值的带色涂料，以使igbt芯片散发红外辐射能量便于热成像仪观测，并针对覆盖物的发射率得到补偿修正后的结温云图数据。
23.具体地，在一个实施例中，所述驱动板采用贴装驱动板，在其竖立的条件下，将贴装驱动板的输出焊盘与对应的特制待测功率模块的栅极引脚或其他功率模块的栅极引脚连接。
24.在一个实施例中，所述第一高压电源通过高压直流输入线与所述被试电机控制器连接；
25.所述第一低压电源通过低压线束与所述被试电机控制器连接；
26.所述第一上位机通过can通信方式与所述被试电机控制器连接；
27.所述第一散热系统通过独立的水冷回路与所述被试电机控制器连接；
28.所述第二散热系统通过另一独立的水冷回路与所述陪试电机连接；
29.所述第二高压电源通过直流输入线与测功机控制器连接；
30.所述第二低压电源通过低压线束与测功机控制器连接；
31.所述第二上位机通过can通信方式与测功机控制器连接。
32.在一个实施例中，所述热成像仪通过以太网与第一上位机连接，将实时的观测数据传输至第一上位机。
33.基于上述任意一个或多个实施例的其他方面，本发明还提供一种实时测试功率模块逆变工况下结温的方法，在一个实施例中，该方法包括：
34.采用满足设定放射率要求的覆盖物对igbt芯片进行处理，得到用于结温测试试验的特制待测功率模块；
35.按照上述任意一个或多个实施例中所述的装置配置形式将所述特制待测功率模块装配至被试电机控制器的箱体内；
36.启动测试，由上位机根据设定的工况数据以及热成像仪采集的实时结温数据，控制被试电机控制器和工况控制台架中的负载测功机运行，以模拟设定的多种运行工况；
37.通过热成像仪采集所述特制待测功率模块散发的红外辐射能量数据，并基于其生成对应的结温分布云图。
38.基于上述实施例中所述的方法，本发明还提供一种实时测试功率模块逆变工况下结温的系统，该系统控制执行如上述实施例中所述的方法。
39.与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
40.本发明提供的一种实时测试功率模块逆变工况下结温的装置、方法及系统，所述装置包括：装配有特制待测功率模块的被试电机控制器、所述被试电机控制器中包括至少一个经设定方案处理后的特制待测功率模块；还包括根据设定形式装配的驱动板和控制板；本发明的装置中采用经设定方案处理后的特制功率模块作为待测功率模块，为实现在不影响功率模块正常工作的前提下直接观测其内部芯片结温打下基础，此外，在电机控制器中，驱动板和控制板在装配过程中遵循设定的形式，能够避免待测功率模块的观测结果被两者装配位置影响，一定程度上保障了观测结果的精确性；
41.进一步地，本发明的装置中还包括用于根据控制信号模拟多种工况运行的工况控制台架，以及用于根据实时的红外辐射能量数据生成对应结温分布云图的热成像仪，所述工况控制台架能够为待测功率模块提供多种不同的逆变工况环境，最大程度重现实际运行场景，保证直接观测到的结温数据是与其实际运行于各种逆变工况时一致的，为用户提供全面且精确的结温观测数据。
42.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
43.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
44.图1是本发明一实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的结构示意图；
45.图2是本发明实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的结构连接设计图；
46.图3是本发明另一实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的特制待测功率模块示例图；
47.图4是本发明实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的电机控制器中驱动板的装配方式示意图；
48.图5是本发明一实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的电机控制器中控制板的装配方式示意图；
49.图6是采用本发明实施例中实时测试功率模块逆变工况下结温的装置获得的结温分布云图示例。
具体实施方式
50.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
51.随着现代电力电子技术的发展及国家对新能源相关行业的大力扶持和推广，igbt(isolated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块在电驱动车辆动力
系统逆变器中得到广泛使用。随着越来越多的功率器件投入使用，对于功率器件性能的可靠性问题的研究也愈发迫切，已有可靠研究表明：约60％的igbt器件失效是由于热的因素导致，且igbt芯片的实际工作温度每升高10℃，该芯片失效的可能性则会增加一倍，因此对igbt功率模块内部的结温探究是功率模块工程化应用中的重要关注点。
52.为获得igbt功率模块在开关工作过程中的结温，已有很多学者展开了相关研究，主要为结温模拟和探测两类方式。由于结温模拟方式往往需要结合具体边界条件进行调整，且为较理想化、平均化的数值；在工程应用中，更希望以直观的方式获得igbt功率器件内部的实际结温情况，因而较多采用探测类的手段。
53.针对探测类的结温测试方法，国内外有许多学者展开了研究，但基本针对单个igbt芯片或少数igbt芯片并联时的结温测试方法的实践，并未针对实际逆变运行工况下的复杂情况进行直接观测。而获取逆变工况下的igbt功率模块内部的结温特性正是在具体应用中亟待解决的问题。
54.具体地，申请号为2018112755138的专利文件涉及一种igbt结温监控方法，其中，通过获取与待测igbt器件的集电极电流对应的饱和导通压降；基于结温和饱和导通压降拟合曲面，获取对应饱和导通压降的当前结温；在当前结温小于设定结温时，增大输入待测igbt器件的集电极的加热大电流；在当前结温大于设定结温，且未到达预设加热工作时间时，减小输入待测igbt器件的集电极的加热大电流；在当前结温大于设定结温，且到达预设加热工作时间时，向待测igbt器件的集电极输入恒定小电流，并冷却待测igbt器件，以实现对待测igbt器件结温的实时监控。需要说明的是，上述现有技术虽然能够实现单个待测igbt器件的结温测量，但是其旨在根据结温的实时状况实现对当前igbt器件的调控，并未针对在实际全桥逆变运行工况下的igbt(功率器件)的结温实时观测手段进行说明，而在全桥逆变工况下比针对单器件的测试复杂度较高，采用上述技术手段和结构无法有效得到精确的观测结果。
55.为解决上述问题，本发明提供一种实时测试功率模块逆变工况下结温的装置、方法及系统，本发明采用红外热成像法并设计相关的试验装置，通过非接触式的测量，在尽量避免影响igbt功率模块正常工作的前提下获得逆变特定工况下的内部igbt芯片结温。下面参考附图对本发明各个实施例进行说明。
56.实施例一
57.图1示出了本发明实施例一提供的实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的结构示意图，参照图1可知，该装置包括：
58.装配有特制待测功率模块的被试电机控制器1；
59.工况控制台架2，其用于根据来自上位机的控制信号模拟多种设定逆变工况的运行模式；以及
60.热成像仪3，其用于采集所述特制待测功率模块发出的红外辐射能量数据，根据其生成对应的结温分布云图并输出；
61.所述被试电机控制器1包括：
62.一个或多个功率模块，其中，至少一个功率模块为经设定方案处理后的特制待测功率模块101；和
63.按照设定形式与特制待测功率模块的栅极引脚连接的驱动板102；
64.以及控制板103，其中所述控制板避开特制待测功率模块的对面上方设置。
65.具体地，本发明中提供了工况控制台的具体结构设计方案，以及其与被试电机控制器的连接结构，图2中示出了本发明实施中提供的实时测试功率模块逆变工况下结温的装置的结构连接设计图，如图2中所示，在一个实施例中，本发明的所述工况控制台架2包括：
66.与所述被试电机控制器连接的第一高压电源、第一低压电源、第一上位机和第一散热系统；
67.陪试电机，其通过三相输出线与所述被试电机控制器连接；
68.与所述陪试电机连接的第二散热系统；
69.负载测功机，其通过机械连轴的方式与所述被试电机控制器连接；
70.与所述负载测功机连接的测功机控制器；
71.以及与所述测功机控制器连接的第二高压电源、第二低压电源和第二上位机。
72.进一步地，在一个实施例中，所述特制待测功率模块的igbt芯片表面覆盖有满足设定要求的覆盖物。
73.具体地，在一个可选的实施例中，所述覆盖物采用发射率满足0.9～0.96其中某一固定值的带色涂料，以使igbt芯片散发红外辐射能量便于热成像仪观测，并针对覆盖物的发射率得到补偿修正后的结温云图数据。
74.实际应用时，功率模块中igbt芯片上附有硅凝胶，其是灌注在igbt模块内、芯片上方的空间以起到防尘、避免内部绝缘被外来物破坏的作用，在试验过程中注意试验环境，避免落入灰尘时，igbt功率模块可以在不覆盖硅凝胶的情况下正常使用。因此，在一个实施例中，涂抹所述覆盖物以代替所述igbt芯片表面的硅凝胶。例如，对igbt功率模块进行处理，将顶盖打开，洗去覆盖在igbt芯片外的硅凝胶，涂上发射率约为0.95的深色涂料，便于红外热成像仪进行观测，如附图3所示，提供了以中车时代半导体公司的m1型半桥封装模块tg600hf12m1为例进行处理后得到的特制待测功率模块示意图。
75.进而将处理过的特制igbt功率模块装配在电机控制器箱体内，在一个实施例中，所述驱动板采用贴装驱动板，在其竖立的条件下，使用双绞延长线的方式将贴装驱动板的输出焊盘与对应的特制待测功率模块的栅极引脚或其他功率模块的栅极引脚连接，即使用双绞延长线的方式，在贴装驱动板竖立的条件下连接igbt功率模块的栅极引脚和驱动板的对应输出焊盘，此时保证igbt芯片上方无大面积的遮挡，能够暴露在空气中，本发明中一实施例中针对3个半桥igbt功率模块中的1个igbt功率模块进行相关处理及观测，其驱动板设置方式示意图如附图4所示。
76.进一步地，搭建模拟各种逆变工况的工况控制台架时，设置被测电机控制器通过三相输出线连接陪试电机，通过高压直流输入线连接高压电源，通过低压线束连接低压电源，通过can通信方式连接上位机，通过单独的水冷回路连接散热系统；陪试电机通过另一路单独水冷回路连接散热系统，通过机械连轴的方式连接负载测功机；测功机通过三相线的方式与测功机控制器相连；测功机控制器通过直流输入线连接另一路高压电源，通过低压线束连接另一路低压电源，通过can通信连接另一台控制上位机；热成像仪直接对被测电机控制器进行红外观测，因此，在一个实施例中，所述第一高压电源通过高压直流输入线与所述被试电机控制器连接；
77.所述第一低压电源通过低压线束与所述被试电机控制器连接；
78.所述第一上位机通过can通信方式与所述被试电机控制器连接；
79.所述第一散热系统通过独立的水冷回路与所述被试电机控制器连接；
80.所述第二散热系统通过另一独立的水冷回路与所述陪试电机连接；
81.所述第二高压电源通过直流输入线与测功机控制器连接；
82.所述第二低压电源通过低压线束与测功机控制器连接；
83.所述第二上位机通过can通信方式与测功机控制器连接。
84.需要说明的是，本发明中被试电机控制器的其他部件按照控制器正常的接线进行处理，此为业内常识，不在此赘述。如果被试电机控制器中包含多个功率模块，除特制待测功率模块外的其他功率模块按照与特制待测功率模块相同的连接方式与被试电机控制器以及工况控制台架中的上述部件或其他部件连接。其中，本发明上述实施例是以水冷为冷却条件，实际应用时，也可以可针对风冷条件或其他电机控制器结构形式进行。
85.且在本发明上述实施例中是针对1相半桥模块进行测试，也可针对3相半桥模块同时进行测试，或针对1个全桥模块进行测试，对于此本发明不予限定。
86.在一个实施例中，本发明所述特制待测功率模块上方的控制板也侧移开一段距离，保证下方的待测(被测)igbt功率模块上方无遮挡物，便于红外成像设备观测，如附图5所示。
87.进一步地，热成像仪直接对被测电机控制器进行红外观测后，还通过网线的方式将数据实时送至上位机，为上位机发出控制指令提供数据支持；因此有所述热成像仪通过以太网与第一上位机连接，以将实时的观测数据传输至第一上位机。
88.基于本发明上述实施例中的装置实施测试时，启动工况控制台架后，通过两台上位机调整测功机控制器及被测电机控制器，使工况控制台架以多种特定的逆变工况运行，此时电机控制器是工作在特定工况下的逆变模式的，通过红外成像设备的实时采集，获得特制待测功率模块内部的精确结温分布云图，如附图6所示。
89.本发明实施例提供的实时测试功率模块逆变工况下结温的装置中，各个模块或单元结构可以根据实际试验需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
90.采用本发明设计的上述装置，能够令搭建的工况控制台架模拟各种不同的逆变工况运行，为待测的功率模块创造需求的不同测试工况环境，从而在非接触的前提下实现对不同工况运行下待测功率模块的内部结温数据测试，提升了结温数据测试的全面性和精确性，能够重现处于复杂逆变工况下功率模块的运行实际情况，实现对相应工况下igbt功率模块内部芯片结温获取，实用性更佳。
91.实施例二
92.基于上述任意一个或多个实施例中所述的装置，本发明还提供一种实时测试功率模块逆变工况下结温的方法，该方法包括以下操作：
93.采用满足设定放射率要求的覆盖物对igbt芯片进行处理，得到用于结温测试试验的特制待测功率模块；
94.按照上述装置的配置形式将所述特制待测功率模块装配至被试电机控制器的箱体内；
95.启动测试，由上位机根据设定的工况数据以及热成像仪采集的实时结温数据，控
制被试电机控制器和工况控制台架中的负载测功机运行，以模拟设定的多种运行工况；
96.通过热成像仪采集所述特制待测功率模块散发的红外辐射能量数据，并基于其生成对应的结温分布云图。
97.在一个实施例中，对igbt功率模块进行处理时，将功率模块的顶盖打开，洗去覆盖在igbt芯片外的硅凝胶，涂上发射率约为0.95的深色涂料，便于红外热成像的观测。
98.进而将处理过的特制待测igbt功率模块装配在被试电机控制器的箱体内，使用双绞延长线的方式，在贴装驱动板竖立的条件下连接igbt功率模块的栅极引脚和驱动板的对应输出焊盘，此时保证igbt芯片上方无大面积的遮挡，能够暴露在空气中，本发明中提供针对3个半桥igbt功率模块中的1个进行相关处理及观测的示例。
99.需要说明的是被试电机控制器的其他部件按照控制器正常的接线进行处理，此为业内常识，不在此赘述。所述控制板若位于待测功率模块的上方，也侧移开一段距离，保证下方的被测igbt功率模块上方无遮挡物，便于红外成像设备观测。
100.对于工况控制台架，设计其被试(被测)电机控制器通过三相输出线连接陪试电机，通过高压直流输入线连接第一高压电源，通过低压线束连接第一低压电源，通过can通信方式连接第一上位机，通过单独的水冷回路连接第一散热系统；陪试电机通过另一路单独水冷回路连接第二散热系统，通过机械连轴的方式连接负载测功机；负载测功机通过三相线的方式与对应的测功机控制器相连；测功机控制器通过直流输入线连接另一路高压电源(第二高压电源)，通过低压线束连接另一路低压电源(第二低压电源)，通过can通信连接另一台控制上位机(第二上位机)；热成像仪直接对被测电机控制器进行红外观测，并通过网线的方式将数据实时送至上位机。
101.测试过程中，启动工况控制台架后，通过两台上位机调整测功机及被测电机控制器，使台架以多种特定的工况运行，此时电机控制器工作在特定工况下的逆变模式，通过红外成像设备实时采集待测功率模块的实际结温数据，并生成对应的结温分布云图。
102.补充说明
103.为了有效实现上述实施例中的实时测试功率模块逆变工况下结温的方法，本发明还提供一种控制测试的系统，其特征在于，所述系统控制执行上述实施例二中所述的方法和操作。
104.在一个实施例中，所述控制测试的系统包括：
105.待测芯片生成模块，其配置为采用满足设定放射率要求的覆盖物对igbt芯片进行处理，得到用于结温测试试验的特制待测功率模块；
106.待测芯片装配模块，其配置为按照上述装置的配置形式将所述特制待测功率模块装配至被试电机控制器的箱体内；
107.测试控制模块，其配置为启动测试后由上位机根据设定的工况数据以及热成像仪采集的实时结温数据，控制被试电机控制器和工况控制台架中的负载测功机运行，以模拟设定的多种运行工况；
108.测试结果获取模块，其配置为通过热成像仪采集所述特制待测功率模块散发的红外辐射能量数据，并基于其生成对应的结温分布云图。
109.本发明实施例提供的控制测试的系统中，各个模块或单元结构可以根据实际试验需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
110.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
111.说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
112.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。