CN103605072A - 一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，它包括：第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一驱动电路、第二驱动电路、第三功率开关管S₃、直流电源V_d、直流储能电容C_d、续流电抗器L_load。本发明还提供了该测试电路的测试方法。本发明中的待测功率开关管不参与负载电流的建立，因此在负载电流建立过程中产生的损耗不会对待测待测功率开关管的温度产生影响，可以确保待测功率开关管在动态测试时的环境温度稳定。

Description

一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路及其测试方法

技术领域

本发明属于电力电子器件应用领域，具体涉及一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路及其测试方法。

背景技术

大功率全控型开关器件被广泛应用于中大功率变流器，是中大功率变流器的核心基础部件之一，且整个变流器的性能与功率器件的动态开关特性密切相关。功率开关器件在开关瞬态会因为功率回路中的杂散参数产生电压尖峰、电流过冲和相应的开关损耗。功率器件的开关特性在一定程度上决定了变流器的功率密度、散热设计、最高开关频率、电磁兼容和系统绝缘设计等。在实际应用工况中，功率器件的开关特性主要与其工作环境包括驱动参数、电压等级、工作电流等级、主功率回路设计、模块寄生参数、线路杂散参数以及功率开关管的芯片结温等因素密切相关。因此研究功率开关管在不同工况下的开关特性对合理设计功率变流器、改善变流器性能、提高系统可靠性及其寿命有着重要的实际意义。

常规的功率开关器件开关特性的测试方案采用的测试电路为两电平变流器半桥拓扑结构，如图1所示；常规的测试方法为双脉冲测试法，其测试开关时序以及温升示意情况，如图5所示；对第一功率开关S₁管施加两个脉冲控制，第一个脉冲建立额定的测试电流，间隔一段时间，对开关管S₂施加第二个脉冲获得功率器件相应的开通与关断波形。另一种结构的常规功率开关管动态特性测试电路如图2所示。在对下管施加双脉冲之前，功率开关管会被恒温装置加热至一个固定温度后，再进行开关特性测试，其目的确保功率开关管的开关特性实验是在已知确定的环境温度下进行。该方案的不足在于：

第一功率开关管S₁即是控制额定电流大小的控制器件，同时也是待测试器件。在第一个脉冲阶段里，是测试电流从零上升到额定电流的过程，待测器件由于自身的损耗会产生自热效应，此时芯片温度会高于已知设定的芯片温度。因此，当功率器件在第二个脉冲进行开关特性测试时，功率器件是在一个未知的且高于之前设定的环境温度下进行。 因此在该温度下获得的开关特性测试数据并不准确，并且直接影响测试结果精确性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，可以消除常规方案中待测功率开关管在第一个脉冲器件产生的自热效应。为此，本发明采用以下技术方案：该电路包括第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一驱动电路、第二驱动电路、第三功率开关管S₃、直流电源V_d、直流储能电容C_d、续流电抗器L_load，其中：

所述第一功率开关管S₁自带反并联二极管D₁，第二功率开关管S₁自带反并联二极管D₂，第三功率开关管S₃自带反并联二极管D₃；

所述功率开关管S₃的控制输入端与关管S₃的输出端短接；

所述功率开关管S₁的输入端与功率开关管S₂的输入端、功率开关管S₃的输出端、和续流电抗器L_load的一端相连接；

所述续流电抗器L_load的一端与功率开关管S₃的输出端，另一端与功率开关管S₃的输入端相连接；

所述功率开关管S₃的输入端与直流储能电容C_d的正极和直流电源V_d的正极相连接；

所述功率开关管S₁的输出端与功率开关管S₂的输出端、直流储能电容C_d的负极和直流电源V_d的负极相连接；

所述第一驱动电路连接至第一功率开关管S₁的控制端，第二驱动电路连接至第二功率开关管S₂的控制端。

优选地，所述第一功率开关管S₁是待被测试的功率开关管；所述的第二功率开关管是辅助开关管；所述的开关管S₃中的反并联二极管D₃是续流二极管。

所述的带反并联二极管的功率开关管S₃可以采用独立的功率二极管，其连接方式与开关管S₃的反并联二极管D₃相同。

优选地，功率开关管S₂采用与待测功率开关管S₁同一型号的功率器件。

本发明还针对所述的具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，提出了一种相应的测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，在t₀至t₁时刻内，所述第二功率开关管S₂在t₀时刻开通，所述第一功率开关管S₁保持关断，所述直流电源V_d通过第二功率开关管S₂对所述续流电抗器L_load进行充电，通过对t₀至t₁时间段的控制，将流经第二功率开关管S₂的电流调节至第一额定负载电流，并在t₁时刻将第二功率开关管S₂关断；

步骤二，在t₁至t₂时刻内，所述第一额定负载电流在所述续流电抗器L_load和功率开关管S₃中的反并联二极管D₃组成的回路中续流，直至t₂时刻第一驱动电路开通第一功率开关管S₁；

步骤三，利用t₂时刻的开通过程，测量续流二极管D₃的反向恢复特性，以及第一功率开关管S₁的开通时刻的电压、开通延时和流经功率开关管S₁的电流；

步骤四，在t₂至t₃时刻内，依靠所述续流电抗器L_load的阻抗，将流经所述第一功率开关管S₁调节至第二额定负载电流，并在t₃时刻关断第一功率开关管S₁，同时保持第二功率开关管S₂为关断状态；

步骤五，利用t₃时刻功率开关管S₁的关断过程，测量功率开关管S₁的关断电压、关断延时和流经功率开关管S₁的电流。

由于采用了本发明的技术方案，本发明提供的测试电路在待测试功率开关管旁边并联一只功率开关管，控制并联的开关管建立额定负载电流，待测功率开关管做开关特性测试。本发明中的待测功率开关管不参与负载电流的建立，因此在负载电流建立过程中产生的热量不会对待测功率开关管的温度产生影响，可以确保待测功率开关管在动态测试时的起始环境温度确定。

附图说明

图1是常规的功率开关管动态特性测试电路。

图2是另一种常规的功率开关管动态特性测试电路。

图3是本发明具有热电解耦功能的功率开关管动态特性测试电路。

图4是本发明另一种具有热电解耦功能的功率开关管动态特性测试电路。

图5是常规的功率开关管动态特性测试电路测试时序图。

图6是本发明动态特性测试电路的测试时序图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

具体实施方式一：

如图3所示，本发明的具有热电解耦功能的功率开关管动态特性测试电路包括：第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一驱动电路、第二驱动电路、第三功率开关管S₃、直流电源V_d、直流储能电容C_d、续流电抗器L_load，其中：

功率开关管S₁自带反并联二极管D₁，功率开关管S₁自带反并联二极管D₂，功率开关管S₃自带反并联二极管D₃。功率开关管S₃的控制输入端与关管S₃的输出端短接，功率开关管S₃处于关断状态，其反并联二极管D₃作为续流二极管。

功率开关管S₁的输入端与功率开关管S₂的输入端、功率开关管S₃的输出端、和续流电抗器L_load的一端相连接；续流电抗器L_load的一端与功率开关管S₃的输出端，另一端与功率开关管S₃的输入端相连接，续流电抗器L_load与功率开关管S₃是并联关系；功率开关管S₃的输入端与直流储能电容C_d的正极和直流电源V_d的正极相连接，功率开关管S₁的输出端与功率开关管S₂的输出端、直流储能电容C_d的负极和直流电源V_d的负极相连接。

具体实施方式二：

作为另一种实施方式，如图4所示，续流二极管D_F为独立的功率二极管。

图5是常规的功率开关管动态特性测试电路测试时序图，图中附图标号1表示的是未知温度点。

针对本发明提出的具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，结合图3中的测试电路，提出了一种相应的热电解耦测试方法，其开关管测试时序图如图6所示：

步骤一，直流电源施加额定直流电压在直流储能电容上。功率开关管S₁为待测试器件。在t₀时刻开通功率开关管S₂，同时保持开关管S₁为关断状态。直流电源V_d通过第二功率开关管S₂对续流电抗器L_load进行充电，通过对t₀至t₁时间段的控制，将流经第二功率开关管S₂的电流调节至第一额定负载电流，并在t₁时刻将第二功率开关管S₂关断；

步骤二，在t₁至t₂时刻内，保持第一功率开关管S₁和开关管S₂为关断状态。在此时间段内，第一额定负载电流在续流电抗器L_load与反并联二极管D₃组成的回路中续流，直至t₂时刻开通第一功率开关管S₁，同时保持开关管S₂为关断状态。

步骤三，利用t₂时刻的开通过程，测量续流二极管D₃的反向恢复特性，以及第一功率开关管S₁的开通时刻的电压、开通延时和流经功率开关管S₁的电流；

步骤四，在t₂至t₃时刻内，依靠续流电抗器L_load的阻抗，将流经所述第一功率开关管S₁调节至第二额定负载电流，并在t₃时刻关断第一功率开关管S₁，同时保持第二功率开关管S₂为关断状态；

步骤五，利用t₃时刻功率开关管S₁的关断过程，测量功率开关管S₁的关断电压、关断延时和流经功率开关管S₁的电流；

在步骤一当中，开关管S₂在调整负载电流的过程中，在功率器件上S₂的损耗并不会影响待测开关管S₁的温度。这样开关管S₁在进行开关特性测试时的温度可以被确定。

Claims (5)

1.一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，其特征在于所述测试电路包括：第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第一驱动电路、第二驱动电路、第三功率开关管S₃、直流电源V_d、直流储能电容C_d、续流电抗器L_load，其中：

所述第一功率开关管S₁自带反并联二极管D₁，第二功率开关管S₁自带反并联二极管D₂，第三功率开关管S₃自带反并联二极管D₃；

所述功率开关管S₃的控制输入端与开关管S₃输出端短接；

所述功率开关管S₁的输入端与功率开关管S₂的输入端、功率开关管S₃的输出端、和续流电抗器L_load的一端相连接；

所述续流电抗器L_load的一端与功率开关管S₃的输出端，另一端与功率开关管S₃的输入端相连接；

所述功率开关管S₃的输入端与直流储能电容C_d的正极和直流电源V_d的正极相连接；

所述功率开关管S₁的输出端与功率开关管S₂的输出端、直流储能电容C_d的负极和直流电源V_d的负极相连接；

所述第一驱动电路连接至第一功率开关管S₁的控制端，第二驱动电路连接至第二功率开关管S₂的控制端。

2.根据权利要求1所述的一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，其特征在于所述第一功率开关管S₁是待被测试的功率开关管；所述的第二功率开关管是辅助开关管；所述的开关管S₃中的反并联二极管D₃是续流二极管。

3.根据权利要求2所述的一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，其特征在于所述的带反并联二极管的功率开关管S₃可以采用独立的功率二极管，其连接方式与开关管S₃的反并联二极管D₃相同。

4.根据权利要求1所述的一种具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路，其特征在于功率开关管S₂采用与待测功率开关管S₁同一型号的功率器件。

5.一种基于权利要求1所述的具有热电解耦功能的功率器件动态特性测试电路的测试方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一，所述动态特性测试电路的测试过程共有四个动作时间点t₀、t₁、t₂和t₃；所述第二驱动电路控制第二功率开关管在t₀时刻开通，t₁时刻关断，并在t₁时刻之后保持第二功率开关管为关断状态；所述第一驱动电路控制第一功率开关管在t₂时刻开通，t₃时刻关断，并在t₁时刻之后保持第二功率开关管为关断状态；

步骤二，在t₀至t₁时刻内，所述第二功率开关管S₂在t₀时刻开通，所述第一功率开关管S₁保持关断，所述直流电源V_d通过第二功率开关管S₂对所述续流电抗器L_load进行充电，通过对t₀至t₁时间段的控制，将流经第二功率开关管S₂的电流调节至第一额定负载电流，并在t₁时刻将第二功率开关管S₂关断；

步骤三，在t₁至t₂时刻内，所述第一额定负载电流在所述续流电抗器L_load和功率开关管S₃中的反并联二极管D₃组成的回路中续流，直至t₂时刻第一驱动电路驱动第一功率开关管S₁开通；

步骤四，利用t₂时刻的开通过程，测量续流二极管D₃的反向恢复特性，以及第一功率开关管S₁的开通时刻的电压、开通延时和流经功率开关管S₁的电流；

步骤五，在t₂至t₃时刻内，依靠所述续流电抗器L_load的阻抗，将流经所述第一功率开关管S₁调节至第二额定负载电流，并在t₃时刻关断第一功率开关管S₁，同时保持第二功率开关管S₂为关断状态；

步骤六，利用t₃时刻功率开关管S₁的关断过程，测量功率开关管S₁的关断电压、关断延时和流经功率开关管S₁的电流。

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