CN115598485B - 直流固态断路器的功率管老化测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及直流固态断路器的功率管老化测试装置及其测试方法，属于电力电子技术与电工技术领域。
背景技术
直流固态断路器（Solid-State Circuit Breakers,SSCB）是利用固态半导体功率器件组成的电子开关装置，具有无电弧、开关速度快（微秒级）、高可靠、可以将短路电流限制到较低水平等优势，是直流微电网故障保护技术的未来发展方向。
直流SSCB在处理短路故障而工作于典型短路限流工况时，功率管将受到极端复杂的电场、温度和机械应力的耦合冲击作用，引起功率管的退化和失效。直流SSCB短路限流工况下，直流母线电压、关断钳位电压、限流值、限流时间、线路电感以及功率管壳温等因素均具有较大变化空间。功率管在该极端条件应用下各层材料特性的演变规律和机理是什么，主要薄弱环节发生在什么部位，哪些因素是影响功率管可靠性的关键因素，目前仍缺乏理论依据，制约了直流SSCB技术的推广应用。
目前，针对功率管的老化测试方法，有秒级加速功率循环测试方法、重复短路测试方法以及重复雪崩测试方法，上述测试过程中功率管的工作状态与直流SSCB短路限流工况下的工作状态存在极大不同。秒级加速功率循环测试中，功率管高功率持续时间为数秒，驱动电压保持较高数值不变，工作于线性电阻区，功率较小；对于重复短路测试以及重复雪崩测试，功率管高功耗持续时间约数微秒，驱动电压保持较高数值不变，工作于线性放大区，功率极大。但是在直流SSCB短路限流工况下，功率管高功率持续时间约几十微秒至数毫秒，驱动电压因受控而降低，工作于线性放大区，功率较大，这会使功率管产生不一样的退化和失效机制。因此，目前的功率管老化测试方法以及对应的测试装置不适用于直流SSCB功率管的老化测试。
目前功率管老化过程中，在线监测的特征参数只适应秒级加速功率循环工况、重复短路工况以及重复雪崩工况，难以适用于直流SSCB的短路限流工况；此外，传统的秒级功率循环下功率管老化失效机制较明确，在老化实验中只需监测某一种老化特征参数即可，但是直流SSCB短路限流工况下的功率管老化机制不明，传统的只监测一种老化特征参数难以表征功率管真实的老化情况，无法准确控制老化实验的终止时刻，需要针对直流SSCB实际工况，在线监测可以全面反应功率管退化的多种老化特征参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供直流固态断路器的功率管老化测试装置及其测试方法。
为达到上述目的，本发明提供直流固态断路器的功率管老化测试装置，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Q 1、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Q 1的漏极连接B点，被测功率管Q 1的栅极连接G点，被测功率管Q 1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。
优先地，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S 3、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S 3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S 3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S 3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。
优先地，可控负载包括第一IGBT大功率器件S 2、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S 2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S 2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S 2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。
优先地，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。
直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，采用上述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Q 1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Q 1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Q 1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Q 1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。
优先地，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S 3和已知型号功率管Q 1处于开通状态，第一IGBT大功率器件S 2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。
优先地，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；
优先地，获取被测功率管Q 1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Q 1在额定导通阶段时的导通电阻阈值R dson-TH ，将被测功率管Q 1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Q 1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Q 1的导通电阻阈值R dson-TH ；
获取被测功率管Q 1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Q 1的初始驱动电压值V gs ，获取被测功率管Q 1的初始驱动电阻值R g ；
然后，将流入驱动电阻R g 的驱动电流I g 大于1mA认为是实际被测功率管Q 1失效的另一个标准，考虑到驱动电流I g 数值小，不方便测量，获取被测功率管Q 1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Q 1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Q 1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Q 1限流阶段的驱动电压上升阈值V gs-LTH 。
优先地，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。
优先地，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。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明针对直流SSCB实际工况，对实际工况下的被测功率管进行循环重复的老化测试，克服了传统功率管老化测试装置和测试方法难以适用直流SSCB实际工况的缺点。
（2）本发明充分考虑直流SSCB短路限流工况，全面反映功率管老化情况，利用导通电阻监测量在线表征功率管的封装（如键合线和焊料层）老化程度，利用驱动电压（额定导通阶段驱动电压和限流阶段驱动电压平均值）在线表征被测功率管的芯片（如栅极氧化层）老化程度。老化测试中，只要上述任一监测量超过设定的阈值，停止老化实验，解决了直流SSCB短路限流工况下功率管老化特征参数在线原位监测难且不能全面反映功率管老化情况的问题，提高了功率管老化测试效率。
（3）本发明测试装置与测试方法适用于直流固态断路器的各种类型功率管的老化测试，如常规的Si-MOSFET、Si-IGBT以及新型半导体功率管，如SiC-MOSFET、SiC-IGBT、SiC-IGBT以及GaN-HEMT。
（4）本发明在功率管老化测试过程中，原位在线监测功率管的老化特征参数，从而实现自动循环测试，提高了老化测试效率；
本发明实现了直流SSCB短路限流工况下的功率管老化测试，并能够在线原位提取功率管的老化特征，以揭示实际工况下的功率管老化机理；
开展直流SSCB短路限流工况下的功率管老化测试装置与测试方法的研究，有助于揭示功率管老化机制，从初始设计角度提高了直流SSCB可靠性，对直流微电网的发展起到推动和促进作用。
附图说明
图1是本装置的电路图；
图2是本装置工作时序波形图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本发明提供直流固态断路器的功率管老化测试装置，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Q 1、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Q 1的漏极连接B点，被测功率管Q 1的栅极连接G点，被测功率管Q 1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。
进一步地，本实施例中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S 3、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S 3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S 3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S 3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。
进一步地，本实施例中可控负载包括第一IGBT大功率器件S 2、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S 2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S 2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S 2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。
进一步地，本实施例中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。
直流固态断路器的功率管老化测试装置的测试方法，采用上述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Q 1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Q 1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Q 1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Q 1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。
进一步地，本实施例中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S 3和已知型号功率管Q 1处于开通状态，第一IGBT大功率器件S 2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。
进一步地，本实施例中根据步骤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；
进一步地，本实施例中获取被测功率管Q 1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Q 1在额定导通阶段时的导通电阻阈值R dson-TH ，将被测功率管Q 1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Q 1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Q 1的导通电阻阈值R dson-TH ；
获取被测功率管Q 1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Q 1的初始驱动电压值V gs ，获取被测功率管Q 1的初始驱动电阻值R g ；
然后，将流入驱动电阻R g 的驱动电流I g 大于1mA认为是实际被测功率管Q 1失效的另一个标准，考虑到驱动电流I g 数值小，不方便测量，获取被测功率管Q 1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Q 1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Q 1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Q 1限流阶段的驱动电压上升阈值V gs-LTH 。
进一步地，本实施例中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。
进一步地，本实施例中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。
实施例二
一种直流固态断路器的功率管老化测试装置，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。
所述直流功率保护电源包括直流电压源、第二IGBT大功率器件S 3、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S 3的集电极均连接到A点，直流电压源的负极与功率地H点相连接；第二IGBT大功率器件S 3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S 3的栅极与驱动电路三在C点处相连接；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。
所述直流SSCB包括被测功率管Q 1、压敏电阻MOV、驱动电路一、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Q 1的漏极连接B点，被测功率管Q 1的栅极连接G点，被测功率管Q 1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。
所述可控负载包括第一IGBT大功率器件S 2、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S 2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S 2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S 2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。
驱动电路三通过隔离电路四接受来自FPGA控制板的信号，FPGA控制板通过隔离电路三为驱动电路一发出控制信号，进而驱动电路一控制I d 和I SSCB 的数值以及持续时间；驱动电路二通过隔离电路一接受来自FPGA控制板的信号，导通电压在线测量电路在线测量并采集Q 1 的导通电压，驱动电压在线测量电路在线测量并采集Q 1 的驱动电压，电流检测电路在线测量并采集Q 1 的漏极电流；
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与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与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与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。
所述的直流功率保护电源部分为待测功率管老化组件提供大功率直流电压，并通过第二IGBT大功率器件S 3为待测功率管老化组件提供必要的故障保护。当正常工作时，第二IGBT大功率器件S 3保持导通，但是当发生不可控的大电流短路故障时，第二IGBT大功率器件S 3立即关断，保护本发明的功率管老化测试系统。
所述的直流SSCB和可控负载相互配合，FPGA控制板向可控负载发出控制信号，使可控负载在额定状态和短路状态周期性的重复切换；FPGA控制板通过电流检测电路连接可控负载，FPGA控制板控制被测功率管Q 1的驱动电压、被测功率管Q 1漏极电流I d 和对应的持续时间，循环测试被测功率管老化状态；
所述铜散热器、水冷排和恒温水浴装置为被测功率管Q 1提供恒定的壳温，即恒温水浴装置中的水加热到恒定温度，并泵送到铜散热器中（内部含有水道），铜散热器通过热界面材料与被测功率管Q 1散热外壳接触，恒定温度的水通过铜散热器后流入水冷排，水冷排外部有散热风扇，将被测功率管Q 1的热量带走，水冷却；
冷却的水再次进入恒温水浴装置，加热到恒定温度后再次泵送到铜散热器，保证被测功率管Q 1壳温的恒定。
电流检测电路与直流SSCB的电流检测电路共用一套电路，数据采集模块具有电气隔离功能，用于在线监测被测功率管Q 1的导通电阻和被测功率管Q 1的驱动电压。
图2是本发明的工作时序波形图，本发明的具体工作原理：
t 0-t 1阶段，FPGA控制板发出多路控制信号，使得第一IGBT大功率器件S 2以及被测功率管Q 1均处于关断状态，第二IGBT大功率器件S 3处于开通状态，其中V S3 、V gs 、V ge 分别代表第二IGBT大功率器件S 3、第一IGBT大功率器件S 2以及被测功率管Q 1的驱动电压，高电平代表开通，低电平代表关断。该阶段，电压V DC 、壳温T C 、钳位电压V op 、线路电感L line 等均按照一种组合设定，通常V DC 约数百伏特（V），如270V，400V或800V；T C 在环境温度至100℃范围内变化，V op 是V DC 的数倍，如1.5倍、2倍或3倍；线路电感L line 代表线路寄生电感，数值较小，数量级在微亨级。
t 1-t 2阶段，t 1时刻，FPGA控制板发出控制信号，使得被测功率管Q 1的驱动电压值较高，记为V gson ，处于开通状态。设置负载电阻R L 的数值，使得被测功率管Q 1处于额定导通阶段，额定电流为I N ，导通电压为V dson ，对应的导通电阻为R dson =V dson /I N 。该阶段第二IGBT大功率器件S 3仍然保持开通状态，第一IGBT大功率器件S 2仍然保持关断状态。需要注意的是该阶段I N 和V dson 数值应较小，使得功率管功耗（即，P=I N* V dson ）较小，不至于引起较大的结温变化，即t 1时刻功率管结温与t 2时刻功率管结温差应不超过5℃，以模拟直流固态断路器实际工作情况，也便于后续利用该阶段的导通电阻、驱动电压评估被测功率管Q 1的老化程度。同时持续时间t on 较长，数量级是秒级。该阶段数据监测部分对I N ，V dson 和V gson 实时在线精确采集并存储，同时，实时与被测功率管失效时额定导通阶段的导通电阻阈值和驱动电压的下降阈值进行比较，判断是否结束老化测试。
t 2-t 3阶段,该阶段第二IGBT大功率器件S 3仍然保持开通状态，但是t 2时刻，FPGA控制板发出控制信号，第一IGBT大功率器件S 2开始导通，被测功率管Q 1漏极电流I d （或直流SSCB输入电流I SSCB ）电流突然增大，此时，电流检测电路检测到该电流值后，FPGA控制板立即响应，通过降低被测功率管Q 1的V gs 来限制I d 的增加，最终通过电流闭环的形式将I d 限制到期望的数值，即I Limit ，这个过程中V gs 值逐渐降低，平均值记为V gLimit 。该阶段持续时间t sc1数值较小，在几十微秒至数毫秒范围内变化。但是I Limit 数值较大，根据t sc1数值的不同，I Limit 数值是额定导通电流I N 的数倍，约1.5至10倍范围内变化，V gLimit 数值在功率管开启电压附近变化，小于额定导通阶段的驱动电压V gson 。该阶段数据监测部分对I Limit 和V gLimit 实时在线精确采集并存储，该阶段被测功率管漏源极电压V ds 数值较大，与直流母线电压V DC 数值相近，由于导通电压在线测量电路的作用，该电压值可以钳位到较低数值如数伏特，保证了额定导通阶段V dson 的在线精确测量；该阶段V gLimit 值数值则经过驱动电压在线测量电路精确测量，并最终被数据采集模块采集和存储，同时，实时与被测功率管失效时限流阶段的驱动电压平均值的上升阈值进行比较，判断是否结束老化测试。
t 3-t 4阶段,该阶段S 3仍然保持开通状态，但是t 3时刻，限流结束，FPGA控制板发出控制信号，被测功率管Q 1的驱动电压降低到负值，处于关断状态，但是由于限流电感L line 中仍存在较大能量，需要通过MOV消耗掉，并在被测功率管Q 1的漏源极两端产生高于V DC 的钳位电压V op 。该阶段的持续时间t sc2由L line 和I Limit 的数值决定，通常数量级也在微秒级。
t 4-t 5阶段,该阶段S 3仍然保持开通状态。t 4时刻L line 中的能量全部被MOV消耗掉，FPGA控制板发出控制信号，使第一IGBT大功率器件S 2关断，负载恢复初始状态，等待下一个老化周期的开始。该阶段持续时间t off 数量级也在秒级，保证被测功率管Q 1在t 2-t 3阶段产生的高热量能够在本阶段消耗掉，即，T C 恢复初始状态。
此后，电路重复t 1-t 5阶段的工作状态，不在赘述。
综上所述，针对直流固态断路器短路限流工况，本发明利用实际工况下功率管额定导通阶段的导通电阻、驱动电压以及限流阶段的驱动电压平均值，全面在线原位监测被测功率管老化程度。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。
直流电压源、第二IGBT大功率器件S 3、驱动电路三、隔离电路四、被测功率管Q 1、压敏电阻MOV、驱动电路一、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、 FPGA控制板、第一IGBT大功率器件S 2、驱动电路二、负载电阻R L 、隔离电路一、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上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
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Q 1、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Q 1的漏极连接B点，被测功率管Q 1的栅极连接G点，被测功率管Q 1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第一端，电流检测电路的第二端和检测电阻R Sense 的一端均与D点连接，电流检测电路的第三端和检测电阻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；
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S 3、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S 3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S 3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S 3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；
可控负载包括第一IGBT大功率器件S 2、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S 2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S 2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S 2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；
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一个输入端与B点连接，导通电压在线测量电路的另一输入端与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一个输入端与G点连接，驱动电压在线测量电路的另一个输入端与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；电流检测电路的第二端与E点连接，电流检测电路的第三端与D点连接，电流检测电路的第四端与数据采集模块连接。
2.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Q 1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Q 1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Q 1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Q 1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。
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S 3和已知型号功率管Q2处于开通状态，第一IGBT大功率器件S 2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，其中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。
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。
5.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的测试方法，其特征在于，
获取被测功率管Q 1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Q 1在额定导通阶段时的导通电阻阈值R dson-TH ，将被测功率管Q 1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Q 1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Q 1的导通电阻阈值R dson-TH ；
获取被测功率管Q 1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Q 1的初始驱动电压值V gs ，获取被测功率管Q 1的初始驱动电阻值R g ；
获取被测功率管Q 1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Q 1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Q 1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Q 1限流阶段的驱动电压上升阈值V gs-LTH 。
6.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。
7.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。
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