CN101937035B - 电力电子元件测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子元件的测量装置，该测量装置包含充电电源、电容器组、电抗器、脉冲开关、至少一个元件夹具、电压/电流采样电路及微处理器单元，电容器组在充电完毕后通过电抗器和脉冲开关放电，形成强度足够大，但持续时间很短的电流脉冲，此电流脉冲流经元件夹具上的待测电力电子元件，电压/电流采样电路实时采样电力电子元件的电压和电流，并传输给微处理器单元，利用电流波形的非线性，一次测量即可获取足够多的数据，由微处理器计算出电力电子元件的各项电气参数并显示伏安关系曲线。

Description

电力电子元件测量装置

技术领域

    本发明涉及电力电子元件的测量装置，更具体地说，涉及大功率二极管、晶闸管、晶体管、绝缘栅双极晶体管、电容、母排等元件的伏安关系曲线、斜率电阻、分布电感、分布电容等参数的测量。

背景技术

    随着电力电子技术的发展，各种电力电子元元件的使用量在持续增长，相关的电源、整流器、变频器、逆变器等产品的研发、制造、维护环节需要对电力电子元件进行全面的测试测量。此外，现代大容量的电力设备依赖于电力电子元件的串并联，解决元件串并联的均流、均压等技术问题也依赖于对元件参数的精准测量和筛选，因此有必要研究电力电子元件的测量装置。

    对于中小功率的电力电子元件，可以采用晶体管图示仪进行检测，这类仪器基于阶梯波发生电路或者可程控的电流源进行元件伏安关系测量，测试电流不大，因此限制了其在大功率电力电子元件方面的应用。测试大功率电力电子元件，需要产生100—10000安培的电流，如果采取常规的变压、整流的措施制作测试电源，必然体积庞大，设备笨重，能耗极高，并且待测的元件承受持续的大电流，也将产生极大的能耗，必须采取良好的散热措施。

    鉴于此，可以考虑采用脉冲式的测量方法，产生一个电流足够大，但持续时间很短的脉冲进行测量。在国军标GJB128-86和国标GB/T 4587-94中也对脉冲测量方法作了规定，但目前市场提供的半导体测试设备即便采取脉冲式的测量方法，主要还集中在中小电流(100A以下)的应用上。

    在进行电力电子元件测量时，测量的目的在于获取伏安关系曲线，或者通过动态的伏安关系曲线计算出分布电容、分布电感、斜率电阻等参数。为了获取一条曲线，就必须有足够多的电压、电流测量数据，如果每测量一个数据都需要产生一个高强度的脉冲，那么测试设备和被测元件都将承受反复的脉冲冲击，这对设备和元件有一定的损伤，同时也会导致元件发热，偏离初始的测试环境，造成测试数据失真，并且测试效率也比较低。

    日本岩通公司研制的CS3000系列图示仪可将元件测量范围提高至1000安培，大电流测试采用的正是脉冲模式，但从其公开的资料来看，其产生的电流脉冲是近似方波，这就依赖于电源系统产生足够高的驱动能力，因此限制了其向更高电流强度的方向发展，而且单次测量仅能获取一个数据点，要想获取一条平滑曲线，就要反复测量多次。瑞典LEMSYS公司的TRs系列测试仪基于同样的原理，但其测量电流可达到6000安培，不过设备体积庞大，为2158mmx800mmx1235mm的柜体。LEMSYS公司的TDs系列测试仪用于测量电力电子元件的动态特征参数，其内部用开关元件和两只待测元件构成全桥，用电抗器做负载，能够通过导通时间控制电流脉冲的强度，但由于其主要目的在于获得开关波形的细节从而计算动态参数，所以其电源电压在测试期间不能有太大波动，而电流波形从零线性增长，也就是说其电源的驱动能力必须足够高，导致设备体积庞大，并且其设备内部的开关元件的额定电流必须远高于被测元件的额定电流，这限制了其向超大功率元件测量的场合发展。

    综上所述，用于电力电子元件测试的装置，其产生的脉冲应当是低能量的，不会导致被测元件的损伤和明显发热，但其电流幅度应当足够大，足以满足5000安培以上的电力电子元件的测试需求，此外最好单个脉冲测试就能获取足够多的电压、电流数据，以绘制出元件的伏安关系曲线或者得到足够的数据求解相应的分布参数的方程。这就要求产生的电流脉冲的形状不能是简单的矩形波或三角波，必须具有变化的电流及电流斜率。而现有的晶体管图示仪及其他测量设备均不具备这样的能力。

发明内容

      本发明的目的在于提供一种电力电子元件测量的装置，通过窄脉冲的方式，将元件测量的范围扩展到100—10000安培，采取附加措施后，甚至可以扩展至10000安培以上，并且实现单脉冲测量就获取全部的参数和曲线。

    为达成目的，本发明采用如下技术方案：一种电力电子元件测量装置，包含充电电源(1)、电容器组(2)、电抗器(3)、脉冲开关(4)、至少一个元件夹具(5)、电压/电流采样电路(6)及微处理器单元(7)，其特征在于：所述充电电源(1)具有限流特性，充电电源(1)和电容器组(2)并联，然后其正、负极分别和电抗器(3)、脉冲开关(4)串联，所述电抗器(3)上至少具有一个第一绕组的线圈，在电抗器(3)的第一绕组与脉冲开关(4)之间，及电抗器(3)的其他各绕组端至少安装有一个元件夹具(5)，电压/电流采样电路(6)和元件夹具(5)上的电压测量点及元件电流测量点相连，电压/电流采样电路(6)通过数据总线和微处理器单元(7)相连。

    所述元件夹具(5)上有固定待测元件(54)的夹持机构(51)和一对电流母线(52)以及门极触发电路(53)，夹持机构(51)将待测元件(54)的电极可靠固定并连接到电流母线(52)上，门极触发电路(53)接收微处理器单元的指令并转换成三端电力电子元件所需的触发信号；所述电压/电流采样电路(6)包含两路模数转换器(61a)、(61b)，第一模数转换器(61a)的输入端连接元件夹具(5)上的待测元件(54)的电极，第二模数转换器(61b)的输入端连接元件的电流测量点(63)，两个模数转换器的输出数据总线(62a)、(62b)连接到微处理器单元；所述电流测量点(63)是和元件夹具(5)串联的电流传感器的输出端；所述电抗器(3)配备有能量回馈电路(31)，所述能量回馈电路(31)由一支二极管(32)和一个电抗器(33)串联之后并连在电容器组(2)两端构成；所述电抗器(3)还可以有另外一种能量回馈电路(34)，能量回馈电路(34)由一支二极管(35)并连在电抗器(3)第一绕组两端构成；所述脉冲开关(4)是一只大容量半导体开关元件，至少具有在正向偏置电压下开通和在反向偏置电压下截止的能力，例如绝缘栅双极晶体管、大功率双极型晶体管、场效应管、晶闸管；所述微处理器单元(7)通过信号线(71)连接脉冲开关(4)和元件夹具(5)上的门极触发电路。

    本发明的技术方案的工作过程是这样的：充电电源向电容器组(2)充电，并且充电电流限制在安全范围内，充电完毕之后，所述微处理器单元(7)打开脉冲开关(4)，同时控制元件夹具上的门极触发电路(53)，使元件夹具上的待测元件(54)导通。此后，电容器组(2)和电抗器(3)、测试夹具(5)构成闭合回路，电容器组(2)的能量向电抗器(3)释放。在此释放过程中，电抗器(3)的电流从零增长到某个最大值，电容器组(2)的能量完全转移到电抗器(3)上，随后电抗器(3)的电流开始下降并一直降到零，这是LC谐振的过程，如果忽略元件夹具(5)上待测元件(54)的阻抗及内部连线的电阻，那么形成的电流脉冲就是一个正弦波的正半周。正弦波的电流及电流斜率都不断在变化之中，利用电压/电流采样电路(6)采样被测元件(54)的端电压和电流，获取足够多数据就可以得到伏安关系曲线，微处理器单元(7)借助不断变化的电流斜率可以计算有关di/dt的参数，例如分布电感，将采样的数据带入非线性方程组，可以求解更加复杂的非线性参数。因此这一个电流脉冲就解决了很多参数的测试。电流一旦降到零，脉冲开关(4)就关闭，一个测试过程就完成了。

    前面已经提及，为了达成本发明的目的，必须确保电流脉冲的幅度足够大，而能量不能太大，这就要求电流脉冲的持续时间足够小，在本方案中，电流脉冲的幅度、持续时间由电容器组(2)的电容值、电压值和电抗器(3)的电感量决定，因此可以比较灵活的确定。所述脉冲开关(4)可以是一只高速晶闸管或者大容量的IGBT，具有较高的开关速度和重复通过瞬间高强度电流脉冲的能力。

    所述的电压/电流采样电路(6)需要在电流脉冲持续期间采样足够多的数据，此外从采样的数据得到伏安关系曲线以及各种类型的电气参数的过程，依赖于微处理器单元(7)的计算和后处理。以晶闸管的导通压降、斜率电阻、引线电感三个参数为例，晶闸管道通后的总电压由导通压降、电流在斜率电阻上的压降、电流变化率在引线电感上形成的压降这三部分构成，因此可以列出一个三元方程，微处理器单元通过采样的数据求解该方程，就获取了这三个参数的值。

    所述的电抗器(3)可以具有多个绕组，其中和充电电源(1)连接的绕组是第一绕组，其他绕组为副边绕组，副边绕组可以具有比第一绕组更少的匝数，在这样的副边绕组上连接元件夹具时，可以按比例放大脉冲电流的幅度，将电流扩展至10000安培以上；副边绕组也可以具有比第一绕组更多的匝数，在这样的副边绕组上连接元件夹具时，可以按比例降低被测元件的电压或者阻抗，适合测量高阻抗的元件，可见引入电抗器的副边，可以扩展本方案的测量范围。

    当测量结束时，电抗器(3)的电流下降到零，脉冲开关(4)关断，此时电抗器的能量全部返回电容器组，不过此时电容器组(2)的电压极性已经完全反过来了，为了进行下次测量，必须让电容器(2)的电压重新恢复原来的极性并且将电压补充到足够高的水平。如果利用电阻放电或者利用充电电源直接对电容器组充电，就会消耗很多能量。本发明方案设置了一个能量回馈电路(31)解决这个问题，所述能量回馈电路(31)由一支二极管(32)和一个电抗器(33)构成，二极管(32)的正极和电容器组的负极连接，二极管(32)的负极和电抗器(33)的一端连接，电抗器(33)的另一端连接电容器组(2)的正极，电抗器(33)的电感量远大于电抗器(3)，这样一来，在电抗器(3)的电流从峰值下降的时刻起，尽管电容器组(2)的电压极性已经从正变负，能量回馈电路(31)的二极管(32)正向偏置，由于电抗器(33)的电感量很大，与电容器组(2)的LC时间常数很长，所以其放电的速度非常缓慢，并且电流很低，因此对电抗器(3)的放电过程基本不构成明显的影响。电抗器(3)放电完毕，能量回馈电路(31)缓慢的将电容器组(2)的反极性电压的能量吸收并反方向释放，直到电抗器(33)的电流回归到零，此时电容器组(2)的电压极性完全恢复，电压值也基本恢复到最初的水平，只需要启动充电电源(1)稍加补充即可进行下次测试。引入能量回馈支路(31)后，每次测量仅在线路电阻、被测元元件上有少量能量损失，绝大部分能量依然被回收利用，这带来两个好处，一方面使得被测元件本身吸收的能量小，因此被测元件相对安全，被烧毁、炸断的几率较小；另一方面，整个测量装置的能耗低，无需复杂的散热措施，所需的充电电源(1)也不需要很强的驱动能力，因此整个装置体积小、重量轻。

    本发明还可以有另外一种能量回馈电路(34)，即在电抗器(3)的第一绕组上并联一个二极管(35)，二极管负极和充电电源(1)正极连接，其能量回馈的过程如下：充电电源向电容器组(2)充电完毕之后，所述微处理器单元(7)打开脉冲开关(4)，同时控制元件夹具上的门极触发电路，使元件夹具上的待测元件开启。此后，电容器组(2)和电抗器(3)、测试夹具(5)构成闭合回路，电容器组(2)的能量向电抗器(3)释放。在此释放过程中，电抗器(3)的电流从零增长，相应的，其副边绕组的电流也按比例增长，当电流增长到某个值时，微处理器单元(7)关闭脉冲开关(4)（此时，脉冲开关应当采用全控型半导体开关元件，如绝缘栅双极晶体管），电抗器(3)的感生电动势使二极管(35)导通，从而使电抗器的电流基本维持在关段时刻的值，并随着二极管(35)和)副边绕组元件夹具(5)上的被测元件的消耗而逐渐降低，最终降到零。这个过程也将产生变化的电流及电流斜率，同样可用于被测元件的伏安关系及分布参数的计算，单次测量即可完成所有数据采集。

    综上所述，本发明所采取的技术方案利用电容器组(2)和电抗器(3)的谐振，能够产生幅度足够高而持续时间足够窄的电流脉冲进行测试，从而摆脱了对电源驱动能力的依赖，一方面将装置的测量范围扩展至数千乃至数万安培，另一方面脉冲的能量足够低，不会损坏待测元元件；电流脉冲波形具有变化的电流和及斜率，单次脉冲所采集的数据即可完成所有电气参数、伏安关系曲线的测量；每次测量仅消耗少量能量，因此设备能耗低、体积小、成本低。 

附图说明

    图1：本发明的整体示意图。

    图2：本发明的夹具及电压电流采样电路具体实施例。

    图3：本发明的能量回馈电路的具体实施例。

    图4：本发明的具体实施例。

    图5：本发明另一具体实施例及其能量回馈电路。

具体实施方式

    以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

    参考附图1，本发明包含充电电源(1)、电容器组(2)、电抗器(3)、脉冲开关(4)、至少一个元件夹具(5)、电压/电流采样电路(6)及微处理器单元(7)，所述充电电源(1)具有限流特性，图中采用电阻作为限流元件，充电电源(1)和电容器组(2)并联，这样电容器可以被充至某个设定的 电压，充电电容的正、负极分别和电抗器(3)、脉冲开关(4)串联，电抗器(3)上可以具有副边绕组，在电抗器(3)的原边绕组与脉冲开关(4)之间安装的元件夹具I可直接利用流过电抗器(3)的电流脉冲对待测元件进行测试，安装在电抗器(3)副边绕组上的元件夹具II可利用互感器的绕组变比放大电流脉冲幅度或者对待测元件的阻抗进行变换，从而扩展测量的范围。电压/电流采样电路(6)和元件夹具(5)上的电压测量点及元件电流测量点相连，电压/电流采样电路(6)通过数据总线(71)和微处理器单元(7)相连。

    参考图2，这是元件夹具(5)及电压/电流采样电路的一种具体实施方式，电流母线(52)用于和主回路相连，夹持机构(51)利用弹簧的张力将待测元件(54)固定，并且使电流母线(52)及电压采样端的信号线和待测元件(54)的电极可靠的连接起来。在夹具上设置有门极触发电路(53)，测试晶闸管、绝缘栅双极晶体管、场效应管等三端元件时，用于控制待测元件导通。电压采样的模数转换器(61a)连接待测元件的电极两端，用于测量待测元件的端电压，电流采样的模数转换器(61b)连接电流测量点(63)，电流测量点(63)是串联在元件夹具(5)的电流母线(52)上的电阻两端，模数转换器(61a)、(61b)通过数据总线(62a)、(62b)和微处理器单元相连。

    参考图3，这里展示了能量回馈电路(31)的具体实施方式及其在主回路中的连接位置。充电电源(1)、电容器组(2)、电抗器(3)、脉冲开关(4)、元件夹具(5)在前面已经描述得比较清楚了，能量回馈电路由二极管(32)和电抗器(33)串联构成，并连在电容器组(2)两端。当电容器组(2)充电完成后，打开脉冲开关(4)，同时让元件夹具中的待测元件导通，那么电容器组(2)通过电抗器(3)、待测元件、脉冲开关(4)放电，回路中的电流不断增长，同时电容器组(2)的电压不断下降，当电容器组(2)的电压下降到0时，电容器的全部能量释放完毕，电抗器(3)的电流达到最大，在这个过程中，能量回馈电路(31)一直处于反向偏置状态，所以暂不影响主回路。此后电抗器(3)的电流从最大值下降，电容器组(2)被反向充电，其反向电压不断增加，能量回馈电路(31)正偏，开始有电流从电容器组(2)的负极流向正极，但由于电抗器(33)的电感量远大于电抗器(3)，所以，最初流过能量回馈电路(31)的电流非常小，对主回路的电流的影响可以忽略。当电抗器(3)的电流下降到0，待测元件和脉冲开关关断，电抗器(3)的能量完全释放，再次回到电容器组(2)，但电容器组(2)的电压极性反过来了，此时，因为主回路已经断路，电容器组(2)的反极性电压只能通过能量回馈电路(31)释放。经过一段时间后，电容器组(2)的极性再次翻转，回到起始状态，因为电路中的损耗，其电压比测试前稍低，通过充电电源稍加补充，即可进行下一次测试。因为电抗器(33)的电感量较大，能量回馈的时间常数相应的比较大，因此流经二极管(32)、电抗器(33)的电流比较小，因此能量回馈电路可以选用额定值较低的元件，有利于测量装置的低成本。

    参考图4，这展示了本发明的整机具体实施例，充电电源(1)、电容器组(2)、电抗器(3)、元件夹具(5)、电压/电流采样电路(6)、微处理器单元(7)、能量回馈电路(31)在前面已经描述清晰，这里脉冲开关(4)采用高速晶闸管，假设待测元件是一只晶闸管，在电容器组(2)充电完毕之后，微处理器单元(7)发出一控制信号(71)，该控制信号为高电平，可以让脉冲开关(4)的晶闸管导通，同时，该电平经过元件夹具上的门极触发电路让待测的晶闸管导通，此后电容器组(2)经由电抗器(3)、待测晶闸管、脉冲开关(4)放电，主回路形成一个脉冲电流，在此期间，电压/电流采样电路(6)分别采样待测晶闸管的端电压和流过主回路的电流，其中主回路的电流通过串联在其上的电阻作为检测点(63)进行检测，并把采样值通过数据总线传给微处理器单元(7)，微处理器单元可以利用采样数据绘制伏安关系曲线或者利用采样数据求解方程从而获取分布参数。因为主回路的电流脉冲自己存在归零的时刻，使用高速晶闸管作为脉冲开关时，主回路可自行关断。

    参考图5，这里展现了本发明的整机另一种具体实施例，其中电容器组(2)、电压/电流采样电路(6)、微处理器单元(7)电路和前述实施例相同，充电电源(1)的限流特性是通过串连的恒流源实现的，这比简单的电阻限流的性能更稳定，而且利用开关模式的恒流源，可以提高能效。电抗器(3)具有副边绕组，并且元件夹具(5)连接在电抗器(3)的副边绕组上，一个二极管并连在电抗器的原边绕组上作为能量回馈电路(31)，脉冲开关(4)由绝缘栅双极晶体管构成。仍然假设待测元件是一只晶闸管，在电容器组(2)充电完毕之后，微处理器单元(7)发出一控制信号(71)，该控制信号为高电平，可以让脉冲开关(4)的绝缘栅双极晶体管导通，同时，该电平经过元件夹具(5)上的门极触发电路让待测的晶闸管导通，此后电容器组(2)经由电抗器(3)、脉冲开关(4)放电，放电电流不断增长，而同时，电抗器(3)的副边也按比例感应出一个电流，这个电流流经待测晶闸管。当主回路的电流增大到足够高的水平时，关断脉冲开关(4)，则电抗器(3)原边的电流不能突变，因此产生反向的感生电动势，能量回馈电路(31)的二极管导通续流，电抗器(3)副边的电流也按比例变化。因为待测元件的消耗，这个电流不断下降，最终归零。电压/电流采样电路(6)分别采样待测晶闸管的端电压和流过主回路的电流，其中主回路的电流通过设置在其上的电流互感器作为检测点(63)进行检测，并把采样值通过数据总线传给微处理器单元(7)，微处理器单元(7)可以利用采样数据绘制伏安关系曲线或者利用采样数据求解方程从而获取分布参数。因为电抗器(3)可以具有一定的电流放大作用，因此主回路的电流可以比较小，因此可以选用绝缘栅双极晶体管，这就实现了用较小容量的开关元件测试较大容量的元件。和现有技术方案相比，这将有利于将测试电流提高到10000安培以上。

Claims (8)

1.一种电力电子元件测量装置，包含充电电源(1)、电容器组(2)、电抗器(3)、脉冲开关(4)、至少一个元件夹具(5)、电压/电流采样电路(6)及微处理器单元(7)，其特征在于：所述充电电源(1)具有限流特性，充电电源(1)和电容器组(2)并联，然后其正、负极分别和电抗器(3)、脉冲开关(4)串联，所述电抗器(3)上至少具有一个第一绕组的线圈，在电抗器(3)的第一绕组与脉冲开关(4)之间，及电抗器(3)的其他各绕组端至少安装有一个元件夹具(5)，电压/电流采样电路(6)和元件夹具(5)上的电压测量点及元件电流测量点相连，电压/电流采样电路(6)通过数据总线和微处理器单元(7)相连，所述微处理器单元(7)在电容器组(2)充电完毕之后，打开脉冲开关(4)，之后启动电压/电流采样电路(6)并记录采样数据，根据采样数据绘制出伏安关系曲线并计算待测电气参数的值。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述元件夹具(5)上有固定待测元件(54)的夹持机构(51)和一对电流母线(52)以及门极触发电路(53)，夹持机构(51)将待测元件(54)的电极可靠固定并连接到电流母线(52)上，门极触发电路(53)接收微处理器单元的指令并转换成三端电力电子元件所需的触发信号。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述电压/电流采样电路(6)包含第一模数转换器(61a)和第二模数转换器(61b)，第一模数转换器(61a)的输入端连接元件夹具(5)上的待测元件(54)的电极，第二模数转换器(61b)的输入端连接电流测量点(63)，两个模数转换器的输出数据总线(62a)、(62b)连接到微处理器单元。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述电流测量点(63)是和元件夹具(5)串联的电流传感器的输出端。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述电抗器(3)配备有能量回馈电路(31)，所述能量回馈电路(31)由一支二极管(32)和一个电抗器(33)串联之后并连在电容器组(2)两端构成。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述电抗器(3)配备有能量回馈电路(34)，能量回馈电路(34)由一支二极管(35)并连在电抗器(3)第一绕组两端构成。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述脉冲开关(4)是一只大容量半导体开关元件，至少具有在正向偏置电压下开通和在反向偏置电压下截止的能力。

8.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述微处理器单元(7)通过信号线(71)连接脉冲开关(4)和元件夹具(5)上的门极触发电路。

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