智能功率模块测试系统的设计及其若干问题的研究

摘要

IPM(IntelligentPowerModule)即智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT(Insulated-GateBipolarTransistor)芯片和优选的门极驱动及保护电路构成。与其它功率模块相比，选用IPM可以使系统硬件电路简单，尺寸减小，可靠性提高，开发周期缩短。基于上述优点，IPM广泛应用于变频领域。 IPM性能参数是衡量产品变频性能的主要指标，因此，对其性能进行测试就显得非常重要；但由于IPM所要测试的参数种类较多且部分参数难以捕捉，因此，目前针对IPM测试方面的相关研究很少。我们就此立项并依据国家技术监督局发布的国标《绝缘栅双极型晶体管测试方法》[1]对IPM的一些主要参数的测试进行研究。对于此项研究，涉及到的学科领域较多，在技术上具有较大的挑战性。 本文所做的主要工作如下：(1)本文首先对变频技术及IPM相关理论知识做了介绍；在分析生成控制信号源的几种常用算法基础上，基于实时控制以及有利于DSP的实现这二点的考虑，选择了对称规则采样法产生SPWM(SinePulseWidthModulation)，然后通过分析各参数(载波比、基频、调制系数)对SPWM谐波的影响来选择适合的波形作为控制信号源，使输出谐波尽量小。这样有利于输出电压、电流等参数的实时检测。 (2)在介绍数字信号处理器结构特点及其开发环境的基础上采用数字信号处理器TMS320F240生成控制信号源来驱动IPM，然后利用DSP高速的运算能力，采用混合查表插值法来实时计算产生SPWM，实现用很小的存储空间产生输出频率和调制比可任意改变的SPWM波，且方便在线调试。文中对TMS320F240与IPM的接口及保护电路的设计也做了详细的阐述。 (3)数据采集系统是本文论述的重点之一。本文采集系统分二步：对三相电压、电流以及IPM的温度等参数进行数据采集是由DSP内部的A/D转换模块实现；而开关特性的采集则采用超高速数据采集卡AC1030来完成。然后在此基础上，设计一个IPM检测系统并对其主要参数的测试进行了探讨。 (4)本文最后对测试系统的改进和可持续研究从以下四个方面做了简单介绍：不同控制信号源的比较、测试平台的拓宽、结合电机特性的研究、系统的实时性和高速性。

目录

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致谢

第一章绪论

1.1变频器技术简介

1.2课题来源及意义

1.3本文的主要研究内容

第二章IPM及其控制信号

2.1 IPM的结构及特点

2.1.1结构

2.1.2特点

2.3 IPM常用的控制信号源

2.3.1脉宽调制技术概述

2.3.2单极式PWM与双极式PWM

2.3.3正弦脉宽调制原理

2.3.4 SPWM的常用算法分析

2.4信号的频谱分析

2.4.1谐波

2.4.2谐波分析

2.5载波比、基频、调制系数对SPWM频谱的影响

第三章DSP芯片及其应用

3.1 TMS320F240简介

3.2基于EV的SPWM硬件实现

3.2.1事件管理器PWM输出的产生

3.2.2各个相关寄存器的设置

3.2.3对称SPWM波形的生成

3.3 SPWM的软件实现

3.4 TMS320F240软件开发

3.4.1 TMS320F240软件编程的特点

3.4.2提高DSP计算精度及程序执行效率的方法

3.5 DSP的仿真

3.5.1仿真接口简介

3.5.2仿真环境下的程序开发过程

3.6 TMS320F240与IPM的接口设计

3.6.1保护电路的设计

3.6.2 IPM故障保护软件设计

3.6.3电压电流变化趋势的检测

第四章数据采集系统设计

4.1采样原理

4.2数据采集系统的发展及设计要点

4.3数据采集和A/D转换处理电路

4.4本测试系统数据采集的设计

4.4.1信号获取

4.4.2信号调理

4.4.3 A/D转换

第五章IPM测试系统的设计方案

5.1系统测试参数

5.2开关特性测试

5.2.1 AC1030板主要特点、性能

5.2.2 AC1030结构及工作原理

5.3系统组成及原理

5.3.1 EISA总线

5.3.2 F240与PC通讯设计

5.3.3测试系统框图

5.4控制电源投入和关闭时序

5.5不同测试参数的激励信号设计

5.6测试流程设计原则

5.7波形采集的处理方法

5.7.1保证曲线对齐和完整波形采集

5.7.2上升下降沿的确定

5.7.3各种干扰的处理

5.7.4器件异常时数据的处理

5.7.5提高精度的进一步措施

5.8系统软件平台

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2展望

参考文献

硕士研究生在读期间发表的论文