基于LabVIEW的IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

IGBT模塊是變頻器最關(guān)鍵的部件，IGBT模塊的質(zhì)量是變頻器質(zhì)量的保證。目前因無測(cè)試系統(tǒng)，很多公司無法對(duì)采購的IGBT模塊進(jìn)行檢測(cè)篩選，導(dǎo)致有質(zhì)量隱患的IGBT模塊流入生產(chǎn)線，給變頻器質(zhì)量埋下隱患，同時(shí)還會(huì)造成返工浪費(fèi)等問題。為了解決此問題，筆者研究并設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的智能IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹了測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)方案、軟件設(shè)計(jì)方案等。

1 總體設(shè)計(jì)

IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理如圖1所示，模塊下橋臂為被測(cè)IGBT模塊，在上橋臂IGBT模塊的c、e并聯(lián)負(fù)載電感L，同時(shí)將上橋臂IGBT模塊的g與e間接負(fù)電壓使其處于關(guān)斷狀態(tài)，然后在下橋臂IGBT模塊的g與e間施加雙脈沖，如圖1中Vge波形所示，通過設(shè)置U、L、T1、T2、T3的大小可使流過下橋臂IGBT模塊的電流在第1個(gè)脈沖關(guān)斷時(shí)刻達(dá)到額定電流，在第2個(gè)脈沖關(guān)斷時(shí)刻達(dá)到2倍額定電流。可根據(jù)模塊在額定工作電壓下能否通過一倍和兩倍的電流來判斷其電氣性能是否正常。

IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)由差分探頭、數(shù)據(jù)采集模塊、接口板、平板電腦組成。

差分探頭將高電壓信號(hào)衰減，然后送入數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊將差分探頭輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后由高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，并通過USB端口發(fā)送給平板電腦。

接口板的RS232通信端口通過USB/RS232模塊與平板電腦連接，接收來自平板電腦的控制命令，依據(jù)控制命令完成以下任務(wù)：1)生成雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT開通關(guān)斷;2)發(fā)送接觸器控制指令，對(duì)門極電阻進(jìn)行配置;3)讀取接觸器輔助觸點(diǎn)及IGBT驅(qū)動(dòng)器輸出的IGBT狀態(tài)信息，然后通過RS232端口發(fā)送至平板電腦處理。

平板電腦是控制系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是人機(jī)交互界面。平板電腦采集操作員輸入的信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果生成測(cè)試所需的控制命令發(fā)送給接口板或打印、顯示測(cè)試記錄。測(cè)試過程中，平板電腦讀取數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行顯示記錄。收到接觸器的觸點(diǎn)狀態(tài)及IGBT狀態(tài)信息后進(jìn)行分析，如果異常則給出故障指示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 IGB碼區(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路是測(cè)試裝置非常重要的組成部分。可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能夠保證測(cè)試裝置正常工作。本次設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)器為Concept公司的2SC0535T。此驅(qū)動(dòng)器包括兩個(gè)通道，每個(gè)通道輸出功率達(dá)5W，輸出電流峰值達(dá)±35A，能夠驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的電流范圍為100～1600A，電壓范圍為600～3300V。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)與平板電腦進(jìn)行通信，生成雙脈沖波形，并對(duì)接觸器、門極電阻切換電路進(jìn)行控制，同時(shí)采集測(cè)試裝置的狀態(tài)信息發(fā)送給平板電腦。

此次設(shè)計(jì)我們采用的單片機(jī)為ST公司的STM32F103系列單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)的外圍接口示意圖如圖3所示。

(1)4路外部數(shù)字量輸入信號(hào)：分別為上橋接觸器返回點(diǎn)、下橋接觸器返回點(diǎn)、電感接觸器返回點(diǎn)及限位開關(guān)信號(hào)。

(2)多路數(shù)字量輸出信號(hào)：4路電壓選擇接觸器、6路門極電阻匹配繼電器、l路上橋接觸器、1路下橋接觸器、1路電感接觸器和1路高壓放電繼電器。

3 軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)軟件部分由主機(jī)部分和從機(jī)部分組成，其中主機(jī)選用平板電腦，應(yīng)用程序采用LabVIEW編寫，從機(jī)為自制的接口板，主機(jī)和從機(jī)之間通過串口、采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3.1 主機(jī)設(shè)計(jì)

3.1.1 主機(jī)功能

主機(jī)開啟后，畫面如圖4所示。能夠完成整個(gè)測(cè)試過程的模塊選擇、參數(shù)顯示、指令操作、故障報(bào)警、以及讀取直流母線電壓、Vce和Ic的波形等，直流母線電壓、Vce和Ic的采集由示波器完成。在測(cè)試過程中如需保存主機(jī)畫面參數(shù)，可通過“保存畫面”按鈕保存屏幕參數(shù)。

3.1.2 主機(jī)工作流程

主機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)畫面。在此畫面，我們可以選擇被測(cè)模塊的規(guī)格型號(hào)、測(cè)試電壓、測(cè)試橋臂和修改測(cè)試脈沖寬度。設(shè)定完畢后通過點(diǎn)擊屏幕上的“啟動(dòng)”按鈕發(fā)送啟動(dòng)指令，通過USB端口發(fā)送命令控制從機(jī)開始工作，采集數(shù)據(jù)發(fā)送IGBT雙觸發(fā)脈沖;同時(shí)在檢測(cè)畫面還可以顯示系統(tǒng)參數(shù)、故障信思、以及直流母線電壓、Vce和Ic的波形等。測(cè)試完成后可以通過點(diǎn)擊屏幕上的“放電”按鈕進(jìn)行系統(tǒng)放電，從而泄放檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)高壓元件上的殘余電壓，避免檢測(cè)結(jié)束收工時(shí)的觸電事故。在測(cè)試過程中還可通過點(diǎn)擊屏幕上的“保存畫面”按鈕保存檢測(cè)參數(shù)和Vce、Ic波形圖。主機(jī)工作流程圖如圖5所示。

3.2 從機(jī)設(shè)計(jì)

3.2.1 從機(jī)功能

根據(jù)主機(jī)發(fā)送的相關(guān)參數(shù)和指令，完成接觸器、繼電器等的操作，發(fā)送相應(yīng)寬度的雙脈沖，并檢測(cè)IGBT返回的故障信息，上報(bào)主機(jī)顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行效率高為原則，以管理執(zhí)行多任務(wù)為目的，開發(fā)出一種實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)，共包含三部分子功能：1)核心功能：負(fù)責(zé)發(fā)送雙脈沖。2)保護(hù)功能：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)上橋或下橋的故障信號(hào)，有故障時(shí)停發(fā)觸發(fā)脈沖。3)用戶功能：負(fù)責(zé)RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。

3.2.2 從機(jī)工作流程

從機(jī)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的初始化工作，然后根據(jù)主機(jī)發(fā)來的相關(guān)參數(shù)和指令執(zhí)行各個(gè)功能模塊的初始化操作，同時(shí)完成各接觸器、繼電器等的動(dòng)作控制，最后啟動(dòng)定時(shí)器，開始執(zhí)行系統(tǒng)保護(hù)功能、系統(tǒng)核心功能和用戶功能管理。在系統(tǒng)保護(hù)功能模塊，主要完成上橋臂和下橋臂的故障檢測(cè)功能，有故障時(shí)通知系統(tǒng)核心功能模塊停發(fā)觸發(fā)脈沖;在系統(tǒng)核心功能模塊主要完成雙觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生及發(fā)送控制，從而控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷;在用戶功能管理模塊，主要完成和平板電腦的RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。從機(jī)工作流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)，平板電腦是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話、邏輯控制、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示記錄及保存等功能。通過對(duì)IGBT模塊的實(shí)際測(cè)試證明，本IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)GBT模塊進(jìn)行有效的檢測(cè)篩選，防止有質(zhì)量隱患的IGBT模塊流入生產(chǎn)線，從而提高變頻器質(zhì)量，并極大的減少由此造成的返工浪費(fèi)等問題。