直流固态断路器的功率管老化测试装置及其测试方法

技术特征：
1.直流固态断路器的功率管老化测试装置，其特征在于，包括直流功率保护电源、直流sscb、数据监测和可控负载，直流功率保护电源电连接直流sscb，直流sscb电连接数据监测和可控负载；所述直流sscb包括被测功率管q1、压敏电阻mov、驱动电路一、驱动电阻r
g
、铜散热器、水冷排、恒温水浴装置、检测电阻r
sense
、电流检测电路、线路电感l
line
、隔离电路二、隔离电路三和 fpga控制板；被测功率管q1的漏极连接b点，被测功率管q1的栅极连接g点，被测功率管q1的源极连接d点；压敏电阻mov的一端连接b点，压敏电阻mov的另一端连接d点；驱动电路一通过驱动电阻r
g
与g点相连，驱动电路一的电路地和电流检测电路的电路地均连接d点，d点连接控制地一；恒温水浴装置的出水口连通铜散热器的进水口，铜散热器的出水口通过水冷排连通恒温水浴装置的进水口；fpga控制板通过隔离电路三连接驱动电路一，fpga控制板通过隔离电路二连通电流检测电路，电流检测电路的一端和检测电阻r
sense
的一端均与d点连接，电流检测电路的另一端和检测电阻r
sense
的另一端均与e点连接；e点与线路电感l
line
的一端连接，线路电感l
line
另一端与f点连接。2.根据权利要求1所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置，其特征在于，所述直流功率保护电源包括直流电压源、第二igbt大功率器件s3、驱动电路三和隔离电路四；所述直流电压源的正极和第二igbt大功率器件s3的集电极均连接a点，直流电压源的负极与h点相连接，h点电连接功率地；第二igbt大功率器件s3的发射极与b点连接，b点与控制地二连接，第二igbt大功率器件s3的栅极和驱动电路三均连接c点；驱动电路三以控制地二为电路参考地，驱动电路三通过隔离电路四连接fpga控制板。3.根据权利要求2所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置，其特征在于，可控负载包括第一igbt大功率器件s2、驱动电路二、负载电阻r
l
和隔离电路一；第一igbt大功率器件s2的集电极和负载电阻r
l
一端均与f点连接，第一igbt大功率器件s2的发射极、负载电阻r
l
的另一端和h点相互连接，h点连接功率地；第一igbt大功率器件s2的栅极、驱动电路二与i点连接，驱动电路二与h点连接；驱动电路二通过隔离电路一连接fpga控制板。4.根据权利要求3所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置，其特征在于，数据监测包括导通电压在线测量电路、驱动电压在线测量电路、电流检测电路和数据采集模块，导通电压在线测量电路的输入端、b点和d点连接，导通电压在线测量电路的输出端与数据采集模块连接；驱动电压在线测量电路的输入端、g点和d点连接，驱动电压在线测量电路的输出端与数据采集模块连接；电流检测电路的输入端、e点和d点连接，电流检测电路的输出端与数据采集模块连接。5.直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，采用权利要求1-4所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置作为执行主体，实现以下步骤：获取不同组合的直流sscb短路限流工况下的实际直流电压源电压v
dc
、已知型号功率管的壳温、已知型号功率管的限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值；
基于不同组合的直流sscb短路限流工况下的实际直流电压源电压v
dc
、已知型号功率管的壳温、已知型号功率管限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值，获取对应的限流电流值与最大限流时间的关系曲线；获取被测功率管q1的导通电阻阈值、驱动电压的下降阈值和驱动电压平均值的上升阈值；根据限流电流值与最大限流时间的关系曲线，设置不同组合下的直流固态断路器的功率管老化测试装置在直流sscb短路限流工况下的限流电流值、限流时间、壳温、被测功率管q1限流关断时漏源极间的电压值和线路电感值，已知型号功率管和被测功率管q1型号相同；数据采集模块采集直流固态断路器的功率管老化测试装置的数据；获取被测功率管q1因老化而失效时导通电阻阈值、驱动电压的下降阈值和驱动电压平均值的上升阈值；根据数据采集模块采集直流固态断路器的功率管老化测试装置的数据、导通电阻阈值、驱动电压的下降阈值和驱动电压平均值的上升阈值，判定是否停止直流固态断路器的功率管老化测试装置工作。6.根据权利要求5所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，基于不同组合的直流sscb短路限流工况下的实际直流电压源电压v
dc
、已知型号功率管的壳温、已知型号功率管的限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值，获取对应的限流电流值与最大限流时间的关系曲线，通过以下步骤实现：步骤1，保持直流固态断路器的功率管老化测试装置中的直流电压源以及维持直流固态断路器的功率管老化测试装置工作的供电电源均处于关断状态，利用万用表测量已知型号功率管的栅源极电阻和漏源极电阻，获取第a只已知型号功率管的初始栅源极电阻和第a只已知型号功率管的初始漏源极电阻；步骤2，利用所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置中的恒温水浴装置为已知型号功率管设定壳温；利用fpga控制板保持所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置中的第二igbt大功率器件s3和已知型号功率管q1处于开通状态，第一igbt大功率器件s2处于关断状态，设定直流电压源电压v
dc
和负载电阻r
l
使得导通电流达到设定的导通电流值，电流检测电路测量获得导通电流；通过导通电压在线测量电路测量被测功率管漏源极电压v
ds
、电流检测电路测量的导通电流以及设定的壳温，获取第a只已知型号功率管的初始导通电阻值，a为正整数；步骤3，将获取的第a只已知型号功率管的初始栅源极电阻值的0.001倍的数值作为设定的第a只已知型号功率管栅源极电阻阈值，将获取的第a只已知型号功率管的初始漏源极电阻的0.001倍的数值作为设定的第a只已知型号功率管漏源极电阻阈值，将获取的第a只已知型号功率管的初始导通电阻值的1.2倍的数值作为设定的第a只已知型号功率管导通电阻阈值；步骤4，根据某一组合的直流sscb短路限流工况下的实际直流电压源电压v
dc
、实际第a只已知型号功率管的壳温、实际第a只已知型号功率管限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值，首先利用fpga控制板设置第a个限流电流值和限流时间，进行单次短路限流
测试；获取第a只已知型号功率管的实际栅源极电阻、第a只已知型号功率管的实际漏源极电阻和第a只已知型号功率管的实际导通电阻；步骤5，若第a只已知型号功率管的实际栅源极电阻小于第a只已知型号功率管栅源极电阻阈值、第a只已知型号功率管的实际漏源极电阻小于第a只已知型号功率管漏源极电阻阈值或第a只已知型号功率管的实际导通电阻大于设定的第a只已知型号功率管漏源极电阻阈值，则停止测试，直流电压源停止供电，记录该组合下的第a只已知型号功率管的在该设定的限流电流值下的最大限流时间，进入步骤6，否则保持该组合和限流电流值不变，增大限流时间，并执行步骤4；步骤6，采用第a 1只已知型号功率管更换掉步骤1-5中第a只已知型号功率管，并更改限流电流值为第a 1个限流电流值，再次执行步骤1-5，获得该组合下的被测功率管的第a 1个限流电流值下的最大限流时间；步骤7，重复执行步骤6，直至a 1达到设定的数值b，获得b个限流电流值下的最大限流时间，最终基于该组合的直流sscb短路限流工况下的实际直流电压源电压v
dc
、已知型号功率管的壳温、已知型号功率管的限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值，获得该组合的限流电流值与最大限流时间的第一条关系曲线；步骤8，对步骤1-7重复n次（n≥6），总共获得某一组合下的限流电流值与最大限流时间的n条关系曲线，对获得的n条某一组合下的限流电流值与最大限流时间的关系曲线进行最小二乘法处理，最终获得该组合的限流电流值与最大限流时间的关系曲线；步骤9，判断是否获得所有组合下的限流电流值与最大限流时间的关系曲线，若否则更换其他组合的实际直流电压源电压v
dc
、已知型号功率管的壳温、已知型号功率管限流关断时漏源极间的电压值和实际线路电感值，执行步骤1，若是则结束运行。7.根据权利要求6所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，根据步骤9获得的所有组合下的限流电流值与最大限流时间的关系曲线，设置直流电压源电压v
dc
、被测功率管的壳温、被测功率管限流关断时漏源极间的电压值、实际线路电感值，限流电流值和限流时间，然后进行功率管老化测试；根据权利要求6所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，获取被测功率管q1因老化而失效时导通电阻阈值，通过以下步骤实现：获取被测功率管q1在额定导通阶段时的导通电阻阈值r
dson-th
，将被测功率管q1额定导通阶段的壳温、导通电流按照步骤3中的设定；利用导通电压在线测量电路获取被测功率管q1的初始导通电阻值r
dson-ini
；将初始导通电阻值的1.2倍作为被测功率管q1的导通电阻阈值r
dson-th
；获取被测功率管q1因老化而失效时的驱动电压的下降阈值v
gs—hth
，通过以下步骤实现：利用驱动电压在线测量电路获取被测功率管q1的初始驱动电压值v
gs
，获取被测功率管q1的初始驱动电阻值r
g
；获取被测功率管q1的驱动电压的下降阈值v
gs—hth
：v
gs—hth
=v
gs-i
gmax
*r
g
；
其中i
gmax
=1ma；获取被测功率管q1因老化而失效时的驱动电压平均值的上升阈值v
gs—lth
，通过以下步骤实现：获取实际被测功率管q1限流阶段的驱动电压平均值的初始值v
glimit-ini
；将v
glimit-ini
的1.2倍作为被测功率管q1限流阶段的驱动电压上升阈值v
gs-lth
。8.根据权利要求5所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，限流时间小于最大限流时间，额定导通阶段和关断阶段的时间达到秒级。9.根据权利要求5所述的直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，其特征在于，根据数据采集模块采集直流固态断路器的功率管老化测试装置的数据、导通电阻阈值、驱动电压的下降阈值和驱动电压平均值的上升阈值，判定是否停止直流固态断路器的功率管老化测试装置工作，通过以下步骤实现：采集直流固态断路器的功率管老化测试装置的数据包括额定导通阶段的导通电阻、额定导通阶段的驱动电压超和限流阶段的驱动电压平均值；若数据采集模块采集的额定导通阶段的导通电阻超过导通电阻阈值，数据采集模块采集的额定导通阶段的驱动电压超过驱动电压的下降阈值，或数据采集模块采集的限流阶段的驱动电压平均值超过驱动电压平均值的上升阈值，则直流固态断路器的功率管老化测试装置停止工作。

技术总结
本发明公开了直流固态断路器的功率管老化测试装置及其测试方法，针对直流固态断路器短路限流工况，提出功率管老化测试装置和测试方法，本发明利用实际工况下功率管额定导通阶段的导通电阻和驱动电压，以及限流阶段的驱动电压平均值全面在线原位监测功率管老化程度。本发明相比其他功率管的老化测试装置和测试方法，具有老化测试效率高、可以全面在线原位表征功率管老化程度、特别适合直流固态断路器短路限流工况下的功率管老化测试的特点。短路限流工况下的功率管老化测试的特点。短路限流工况下的功率管老化测试的特点。


技术研发人员：余彬 周旺平 蔡骏 曹一涵 连静
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2022.10.08
技术公布日：2023/1/13