IPM自动测试平台的研究及实现

摘 要： IPM测试需要测试多个参数，这些不同的参数需要不同的测试平台。本文通过对各种不同参数的测试方法进行研究，设计并实现了自动测试平台。

问题的提出
火车机车动力系统中普遍使用的智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)是电力集成电路的一种，集功率器件(IGBT)、驱动电路和保护功能于一体，内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT。实际使用过程中，由于没有简单的方法判断出IPM质量的好坏，一旦IPM出现了质疑问题就只能丢弃，造成了巨大的浪费。因此，对IPM器件的性能测试有着重要的实际意义。本测试中的IPM器件型号为PM300DSA120，根据测量出的各个参数值与参数标准进行比较来评定该器件的好坏。

图1 多测试平台的连接原理图

图2 IPM测试原理图

自动测试平台方案研究
信号源的输入
本测试中所需的信号源有三种：高电平直流5V电源，控制IPM截止；脉冲信号，控制IPM通断；低电平，控制IPM导通。其中直流5V电源由电源直接提供；低电平可直接接地；脉冲电源由AC4071芯片产生。AC4071芯片中包含3片8253，每片8253含有三个计数器。由于系统所要求的脉冲电源的特点是占空比为1：1000，周期为1s，这是普通电源无法满足的，所以我们在设计中利用8253的两个计数器的通道进行串联以产生频率、占空比可变的定时脉冲信号。
负载及其电压量、电流量的切换
在测试电路中，有两类负载：一类为高电压、小电流的情况，此时电压为600V，电流最大为300mA，电阻约为2KΩ，功率为180W；另一类为低电压、大电流的情况，此时电压为60V，电阻为0.2W，电流为300A，负载功率可达18KW。但这样的电阻很难制作，因此，在实际设计中，采用了180W的电阻，在控制端发出占空比为1:1000的脉冲，使负载的导通时间亦为0.1％, 这样，负载功率就不会超过180W。负载电阻根据需求选择其中之一接入。
电源分为两种，一为大电压、小电流，可在300~1200V范围内调节；一为小电压、大电流，输出电流可在0~300A范围内调节，可根据需求接入其中之一，并且可用手动方法调节电压、电流的大小。
连接电路控制器
该测试平台连接原理如图1所示，其连接控制器通过控制连接一、连接二和连接三来实现其测试IPM各项参数的目的。其中连接一可按需要切换各种信号源，还可将输入信号接入测量电路；连接二可按需要切换各种负载和用以测量电压、电流传感器；连接三可按需要切换不同的可调输入电源。
连接电路控制器为中间继电器，由24V直流电源供电，每个继电器带有4路常开触点和4路常闭触点。其控制信号由AC4071上16路输出信号加以控制。AC4071板上的输出的信号可编程。连接电路控制器仅起静态连接作用，即在组建一种测试平台前，由工控机经AC4071板发出输出控制信号，控制继电器进行连接。为确保连接正确，将反馈信号输入，以检测连接是否成功。一旦进入测试状态后，这种连接平台就不再改变，直至测试结束。这种静态的平台连接方法，可以保证在测试过程中，测试工作的安全可靠。

问题的处理
测试中，有一些特殊参数须加注意，如：ton，是指在输入一个脉冲信号时，IPM的响应时间与下降沿之间的时间关系，该参数一般是由操作人员现场使用双踪示波器观看。而在本课题中，笔者通过计算机连接两个独立的数据通道，用数据采集的办法，采集两条曲线，并对两曲线进行比较分析，得到时间参(常)数。由于ton、toff等参数为0.1ms的数量级，因此，该测试系统中的数据采集速率可达30MHz。
由于系统需测试的参数，如ton、trr、toff等，均定义在两条相关曲线的相互位置上，因此，在研制过程中，对于这些参数的处理都给予了特殊的重视。这些相关的曲线，并非理想曲线，因此，这里采用了两项关键的处理技术。其一，是在两条曲线的对齐上(即两条曲线在时间上的ns级同步)，采用ns级的触发上升沿，同时启动两个A/D通道来采集，使它们可在ns级的误差范围内同时工作；其二，是抗干扰技术。由于所采集的曲线干扰较大，我们采用数字滤波技术来滤掉干扰。
自动测试平台设计
我们所设计的自动测试平台的原理图如图2所示。
根据测试功能的不同将图2分为四个区。其中(I)区为信号源输入控制区，可按需要切换各种信号源，并可将输入信号接入测量电路；(II)区为供电源及负载选择区，可按需要切换各种负载和测量电压、电流传感器，并可用来切换不同的可调输入电源；(III)区为三级驱动的继电器区，由计算机ISA总线插槽中的AC4071 I/O信号来控制继电器(J1A，J1B，J2A，J2B，J3......J7)闭合从而确定输入不同的电源信号和输出到A/D板中的不同信号测试点。(Ⅳ)区为数据采集区，从电压、电流传感器接收的数据通过A/D0、A/D1两个端口采集到计算机ISA总线插槽中的AC1030板(A/D转换板)上，并以表格、图象等方式加以显示。

结语
本测试平台是以继电器为主要控制器件的可编程静态自动测试平台，一旦系统进入测试状态后，连接平台将不再改变，直至测试结束。从而保证了测试工作的安全可靠。此外，本测试平台可以进一步发展成为动态测试平台。动态测试平台是在静态测试平台的基础上组建的一种多功能平台，可以根据工作需要而改变，以满足更高的需求。具体做法是在火车机车中直接用传感器对IPM进行参数测试，然后通过软件将测试结果传送到控制平台中，控制平台根据传送的参数用和静态测试平台相同的方法进行判断，从而得出器件的好坏。此做法的好处是可以动态的了解器件的性能，能够实时的反应器件的好坏。此IPM器件测试系统受北京铁路局有关部门委托开发，现已投入实际使用。