CN103134994A - 基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路及方法 - Google Patents

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宋小亮
尹正兵
吴竞之
陈国栋
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Abstract

本发明公开了一种基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路及方法，电路包括：叠层母排、第一IGBT、第二IGBT、直流支撑电容、直流电源以及续流电抗器。方法包括：第二IGBT保持关断，第一IGBT t0时刻开通、t1时刻关断、t2时刻再开通、t3时刻再关断；利用t3时刻关断过程中第一IGBT集电极和第二IGBT发射极的峰值电压与稳态电压的差值ΔVce，结合关断过程中流经第一IGBT集电极的电流Ic的下降率ΔIc/Δt，通过电感的动态特性Lσ=ΔVce/（ΔIc/Δt）获得叠层母排杂感Lσ精确的数值。本发明对测试条件的要求宽松，便于实际操作，测试结果精确度高。

Description

基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路及方法
技术领域
本发明涉及电力电子应用领域，具体涉及一种基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路及方法。
背景技术
叠层母排的主要作用是连接功率器件和直流支撑电容，是电力电子功率变换系统重要的组成部分。随着功率变换系统功率等级的提升以及电力电子技术的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块的功率密度越来越高，开通关断性能越来越好，这就意味着关断电流及其斜率越来越大。此时将在叠层母排的杂散电感上感生出电压，该电压连同直流母线电压直接附加在关断的IGBT两端，进而有可能超越IGBT的额定电压而导致器件的损坏。因此确切掌握叠层母排杂散电感的数值，有助于检验和改善叠层母排的设计效果，进一步地可以有效推断不同功率等级下IGBT关断过电压的水平，有利于系统保护方案的设计以保证暂态过程中系统安全稳定的运行。
现有的两电平叠层母排杂感的双脉冲测试方法，利用第二个脉冲开通时，单只IGBT端电压的变化值与电流上升率进行测量。该方法要求IGBT端电压的变化值在一定时间阶段内保持稳定，需要外加直流电源、续流电感及脉冲开通时长的协调配合，对实验条件的要求高。并且所获得的结果包含回路内所有元器件的杂感——IGBT的杂感及其与续流电感的并联等效杂感，因为IGBT的等效杂感通常小于30nH，与叠层母排的杂感数值相差在一个数量级以内，因此该方法有较大的误差并不能反映叠成母排杂感的真实数值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路及方法，可以方便、精确地测量出两电平叠层母排的杂散电感数值。
实现上述目的的技术方案是：
本发明之一的一种基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路，包括叠层母排、第一IGBT、第二IGBT、直流支撑电容、直流电源以及续流电抗器，其中：
所述叠层母排的正端分别连接所述第一IGBT的集电极、所述直流支撑电容的正极以及所述直流电源的正极；
所述叠层母排的负端分别连接所述第二IGBT的发射极、所述直流支撑电容的负极以及所述直流电源的负极；
所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极；
所述续流电抗器的一端连接所述第二IGBT的集电极，另一端连接所述第二IGBT的发射极。
本发明之二的基于本发明之一所述测试电路的两电平叠层母排杂感的测试方法，包括下列步骤：
步骤一，所述第二IGBT保持关断，所述第一IGBT在t0时刻开通，t1时刻关断，t2时刻再开通，t3时刻再关断；
步骤二，在t3时刻的关断过程中，得到第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射极的峰值电压与稳态电压的差值ΔVce，以及流过第一IGBT集电极的电流Ic的下降率ΔIc/Δt，通过Lσ=ΔVce/（ΔIc/Δt）获得叠层母排杂感Lσ，其中，Δt表示时间段，ΔIc表示Δt时间内Ic下降的幅度。
上述的两电平叠层母排杂感的测试方法，其中，所述ΔVce=Vce-DCs，其中，DCs表示直流电源的电压，即所述稳态电压；Vce表示t3时刻第一IGBT集电极与第二IGBT发射极之间的电压，即所述峰值电压。
本发明的有益效果是：
本发明的利用关断过电压测试两电平叠层母排杂感，完全排除了电路中IGBT杂散电感和实验用续流电感引起的误差，同时降低了对测试电路的要求，可以快捷、精确地测出叠层母排的杂散电感，以验证叠层母排的设计效果，指导其优化设计，同时帮助准确把握运行过程中IGBT承受的过电压水平，保证系统的稳定运行。本发明对实验条件要求宽松，便于实际操作，测试结果精度高。
附图说明
图1为本发明的基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路的电路图；
图2为本发明的实验波形图；
图3为传统测试方法第二个脉冲开通过程的实验波形图；
图4为本发明的第二个脉冲关断过程的实验波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明之一的基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路，包括叠层母排（图中未示）、第一IGBT S1、第二IGBT S2、直流支撑电容C、直流电源DCs以及续流电抗器L，其中：
叠层母排的正端DC+分别连接第一IGBT S1的集电极、直流支撑电容C的正极以及直流电源DCs的正极；
叠层母排的负端DC-分别连接第二IGBTS2的发射极、直流支撑电容C的负极以及直流电源DCs的负极；
第一IGBT S1的发射极连接第二IGBT S2的集电极；
续流电抗器L的一端连接第二IGBT S2的集电极，另一端连接第二IGBT S2的发射极。
图1中，Lσ1、Lσ2为叠层母排的等效杂散电感，Ls1、Ls2为第一IGBT S1、第二IGBTS2的等效杂散电感，Vce为第一IGBT S1集电极与第二IGBTS2发射极之间的电压，Ic、Ic1为流过第一IGBT S1集电极的电流;AC表示交流输出。
本发明之一的测试电路的工作原理，即本发明之二的两电平叠层母排杂感的测试方法（基于本发明之一的测试电路），如下：
直流电源DCs施加额定电压于直流叠层母排的正端DC+和负端DC-；第二IGBT S2保持关断状态，给第一IGBT S1施加双脉冲，即使得第一IGBT S1在t0时刻开通、t1时刻关断、t2时刻再开通、t3时刻再关断。
请参阅图2，为本发明的实验波形图；图中Vpulse为驱动电压。Vge为第一IGBT S1门极和发射极之间的电压，从图中可以看出由于驱动电路的延时Vge略微滞后Vpulse；
请参阅图3，为采用传统测试方法在t2时刻第一IGBT S1开通时的测试波形；根据楞次定律，叠层母排的等效杂散电感Lσ1、Lσ2中会感生出左正右负的电压VLσ11、VLσ21；第一IGBT S1、第二IGBT S2的等效杂散电感Ls1、Ls2中会产生上正下负的电压VLs11、VLs21。此时第一IGBT S1的端电压Vce1＝DCs-VLσ11-VLσ21-VLs21，较直流母线电压DCs（直流电源的电压）会有所降低，该电压差既为叠层母排杂感Lσ1、Lσ2以及第二IGBT S2等效杂感Ls2上的压降ΔVce1。并根据ΔVce1稳定时间内电流的变化率ΔIc1/Δt1，Δt1表示ΔVce1保持稳定的时间段，ΔIc1表示Δt1内第一IGBTS1集电极电流Ic1的变化量；依据电感的动态特性得出杂感数值，L’σ=Lσ1+Lσ2+Ls2=ΔVce1/（ΔIc1/Δt1）；由此分析可知，该压降不仅仅包括叠成母排Lσ1、Lσ2上的压降还包括第二IGBT S2的等效杂散电感Ls2与续流电抗器L的并联杂感，而不是通常所认为的叠层母排的杂散电感；在该方法中为了获得精确的杂感数值，必须保证t20至t21时间内Vce获得一个稳定的电压，就要求续流电抗器L中的电流足够大，势必要提高直流电源DCs的供电电压或者大幅度减小续流电抗器L的电感数值，这就要求IGBT在测试过程中需要承受过高的电压和电流，进而有可能造成测试器件的损坏。
请参阅图4，图4为图2中1区域的放大波形，即本发明的第二个脉冲关断过程的实验波形图。t3时刻第一IGBT S1关断时，叠层母排的等效杂散电感Lσ1、Lσ2中感生出左负右正的电压VL’σ1、VL’σ2；第一IGBT S1、第二IGBT S2的等效杂散电感Ls1、Ls2中会产生上负下正的电压VL’s1、VL’s2。此时IGBT桥臂的端电压，即第一IGBT S1的集电极与第二IGBT S2的发射极电压为Vce=DCs+VL’σ1+VL’σ2，较直流母线电压DCs会有所升高，该电压差即为叠层母排杂感Lσ1、Lσ2压降ΔVce。本发明根据该关断过程中的电感特性计算两电平叠层母排的杂散电感，该方法只需要测出Vce的峰值和稳定直流母线电压DCs的差值，以及t30、t31时间内的电流下降率ΔIc/Δt，Δt=t31-t30，ΔIc表示Δt内Ic下降的幅度；并不需要保证一个稳定的电压阶梯，然后根据Lσ=Lσ1+Lσ2=ΔVce/（ΔIc/Δt）得出叠层母排杂感Lσ的精确数值。
根据图4中本发明的测试方法所得出的杂感数值为155nH，与图3中所述的测试结果为181nH，这是因为图3中的传统测试方法包含了16nH的IGBT与续流电抗器L的并联杂散电感，与测试ABB IGBT5SNA1600N170100数据表中提供的15nH的杂散电感值吻合。本发明利用关断过电压测试两电平叠层母排杂感，完全排除了电路中IGBT杂散电感和实验用续流电感引起的误差，同时降低了对测试电路的要求，可以快捷、精确地测出叠层母排的杂散电感，以验证叠层母排的设计效果，指导其优化设计，同时帮助准确把握运行过程中IGBT承受的过电压水平，保证系统的稳定运行。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种基于关断过电压的两电平叠层母排杂感的测试电路，其特征在于，包括叠层母排、第一IGBT、第二IGBT、直流支撑电容、直流电源以及续流电抗器，其中：
所述叠层母排的正端分别连接所述第一IGBT的集电极、所述直流支撑电容的正极以及所述直流电源的正极；
所述叠层母排的负端分别连接所述第二IGBT的发射极、所述直流支撑电容的负极以及所述直流电源的负极；
所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极；
所述续流电抗器的一端连接所述第二IGBT的集电极，另一端连接所述第二IGBT的发射极。
2.一种基于权利要求1所述测试电路的两电平叠层母排杂感的测试方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，所述第二IGBT保持关断，所述第一IGBT在t0时刻开通，t1时刻关断，t2时刻再开通，t3时刻再关断；
步骤二，在t3时刻的关断过程中，得到第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射极的峰值电压与稳态电压的差值ΔVce，以及流过第一IGBT集电极的电流Ic的下降率ΔIc/Δt，通过Lσ=ΔVce/（ΔIc/Δt）获得叠层母排杂感Lσ，其中，Δt表示时间段，ΔIc表示Δt时间内Ic下降的幅度。
3.根据权利要求2所述的两电平叠层母排杂感的测试方法，其特征在于，所述ΔVce=Vce-DCs，其中，DCs表示直流电源的电压，即所述稳态电压；Vce表示t3时刻第一IGBT集电极与第二IGBT发射极之间的电压，即所述峰值电压。
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