基于LabVIEW的IGBT模块测试系统设计与实现

 0 引言

IGBT模块是变频器最关键的部件，IGBT模块的质量是变频器质量的保证。目前因无测试系统，很多公司无法对采购的IGBT模块进行检测筛选，导致有质量隐患的IGBT模块流入生产线，给变频器质量埋下隐患，同时还会造成返工浪费等问题。为了解决此问题，笔者研究并设计了基于LabVIEW的智能IGBT模块测试系统。本文重点介绍了测试系统总体设计方案、硬件设计方案、软件设计方案等。

1 总体设计

IGBT模块测试系统的测试原理如图1所示，模块下桥臂为被测IGBT模块，在上桥臂IGBT模块的c、e并联负载电感L，同时将上桥臂IGBT模块的g与e间接负电压使其处于关断状态，然后在下桥臂IGBT模块的g与e间施加双脉冲，如图1中Vge波形所示，通过设置U、L、T1、T2、T3的大小可使流过下桥臂IGBT模块的电流在第1个脉冲关断时刻达到额定电流，在第2个脉冲关断时刻达到2倍额定电流。可根据模块在额定工作电压下能否通过一倍和两倍的电流来判断其电气性能是否正常。

IGBT模块测试系统组成如图2所示。系统由差分探头、数据采集模块、接口板、平板电脑组成。

差分探头将高电压信号衰减，然后送入数据采集模块。

数据采集模块将差分探头输入的模拟信号进行调理，然后由高速A/D转换器转换为数字信号储存在存储器中，并通过USB端口发送给平板电脑。

接口板的RS232通信端口通过USB/RS232模块与平板电脑连接，接收来自平板电脑的控制命令，依据控制命令完成以下任务：1)生成双脉冲触发信号，驱动IGBT开通关断;2)发送接触器控制指令，对门极电阻进行配置;3)读取接触器辅助触点及IGBT驱动器输出的IGBT状态信息，然后通过RS232端口发送至平板电脑处理。

平板电脑是控制系统的核心，同时也是人机交互界面。平板电脑采集操作员输入的信息，并对信息进行分析，依据分析结果生成测试所需的控制命令发送给接口板或打印、显示测试记录。测试过程中，平板电脑读取数据采集模块的数据，并对其进行显示记录。收到接触器的触点状态及IGBT状态信息后进行分析，如果异常则给出故障指示。

2 硬件设计

2.1 IGB码区动设计

IGBT驱动电路是测试装置非常重要的组成部分。可靠的IGBT驱动电路能够保证测试装置正常工作。本次设计采用的驱动器为Concept公司的2SC0535T。此驱动器包括两个通道，每个通道输出功率达5W，输出电流峰值达±35A，能够驱动IGBT模块的电流范围为100～1600A，电压范围为600～3300V。

2.2 单片机系统设计

单片机系统与平板电脑进行通信，生成双脉冲波形，并对接触器、门极电阻切换电路进行控制，同时采集测试装置的状态信息发送给平板电脑。

此次设计我们采用的单片机为ST公司的STM32F103系列单片机。单片机系统的外围接口示意图如图3所示。

(1)4路外部数字量输入信号：分别为上桥接触器返回点、下桥接触器返回点、电感接触器返回点及限位开关信号。

(2)多路数字量输出信号：4路电压选择接触器、6路门极电阻匹配继电器、l路上桥接触器、1路下桥接触器、1路电感接触器和1路高压放电继电器。

3 软件设计

此系统软件部分由主机部分和从机部分组成，其中主机选用平板电脑，应用程序采用LabVIEW编写，从机为自制的接口板，主机和从机之间通过串口、采用标准Modbus RTU协议进行数据传送。

3.1 主机设计

3.1.1 主机功能

主机开启后，画面如图4所示。能够完成整个测试过程的模块选择、参数显示、指令操作、故障报警、以及读取直流母线电压、Vce和Ic的波形等，直流母线电压、Vce和Ic的采集由示波器完成。在测试过程中如需保存主机画面参数，可通过“保存画面”按钮保存屏幕参数。

3.1.2 主机工作流程

主机上电后，系统进入检测画面。在此画面，我们可以选择被测模块的规格型号、测试电压、测试桥臂和修改测试脉冲宽度。设定完毕后通过点击屏幕上的“启动”按钮发送启动指令，通过USB端口发送命令控制从机开始工作，采集数据发送IGBT双触发脉冲;同时在检测画面还可以显示系统参数、故障信思、以及直流母线电压、Vce和Ic的波形等。测试完成后可以通过点击屏幕上的“放电”按钮进行系统放电，从而泄放检测系统各个高压元件上的残余电压，避免检测结束收工时的触电事故。在测试过程中还可通过点击屏幕上的“保存画面”按钮保存检测参数和Vce、Ic波形图。主机工作流程图如图5所示。

3.2 从机设计

3.2.1 从机功能

根据主机发送的相关参数和指令，完成接触器、继电器等的操作，发送相应宽度的双脉冲，并检测IGBT返回的故障信息，上报主机显示。系统设计以实时响应和执行效率高为原则，以管理执行多任务为目的，开发出一种实时多任务控制系统，共包含三部分子功能：1)核心功能：负责发送双脉冲。2)保护功能：负责监测上桥或下桥的故障信号，有故障时停发触发脉冲。3)用户功能：负责RS232通讯和DI、DO的数据采集工作。

3.2.2 从机工作流程

从机上电后首先进行系统寄存器、数据寄存器的初始化工作，然后根据主机发来的相关参数和指令执行各个功能模块的初始化操作，同时完成各接触器、继电器等的动作控制，最后启动定时器，开始执行系统保护功能、系统核心功能和用户功能管理。在系统保护功能模块，主要完成上桥臂和下桥臂的故障检测功能，有故障时通知系统核心功能模块停发触发脉冲;在系统核心功能模块主要完成双触发脉冲的产生及发送控制，从而控制IGBT的导通与关断;在用户功能管理模块，主要完成和平板电脑的RS232通讯和DI、DO的数据采集工作。从机工作流程图如图6所示。

4 结束语

基于LabVIEW设计的IGBT模块测试系统，平板电脑是系统的核心，实现了人机对话、逻辑控制、测试数据显示记录及保存等功能。通过对IGBT模块的实际测试证明，本IGBT模块测试系统的各项指标均达到了设计要求，能够对IGBT模块进行有效的检测筛选，防止有质量隐患的IGBT模块流入生产线，从而提高变频器质量，并极大的减少由此造成的返工浪费等问题。