CN104965136A - 一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，基于传统两电平拓扑变流器双脉冲测试的思想，将三电平变流器功率单元的上下桥臂进行合理的分解，可以对三电平变流器功率单元的各种换流工况、器件开关时间、吸收电路过电压吸收效果以及驱动短路保护进行全面的测试，为三电平变流器的研制提供了一种简单有效的测试方法。

Description

一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法

技术领域

本发明涉及一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

随着变流器容量越来越大，电压等级越来越高，二极管中点嵌位型（NPC）三电平电路以其优越的性能在工业传动、机车牵引等场合获得了广泛的应用。在NPC型三电平变流器的研制过程中，需要对电路的器件换流情况、吸收回路吸收效果、短路保护性能等进行测试，以便掌握变流器的工作性能。对于传统两电平拓扑变流器来说，通过双脉冲试验可以很好的测试器件的开关特性、过电压吸收情况、驱动保护性能等，双脉冲测试已成为两电平拓扑变流器设计中必须做的一个试验项目。但传统的两电平变流器双脉冲测试方法不适用于三电平变流器，很多学者也对三电平变流器的换流特性和吸收电路等测试进行了研究，主要是通过系统级的试验进行连续测试获得三电平拓扑电路的工作情况，测试方法复杂，针对性不强，对一些深层次的设计缺陷难以发现，并且在设计不合理的情况下存在烧毁电路的风险。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，三电平变流器功率单元包括上桥臂直流源、下桥臂直流源、第一支撑电容、第二支撑电容、第一放电电阻、第二放电电阻、箝位电阻、第一吸收电容、第二吸收电容、第一放电接触器、第二放电接触器、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第一箝位二极管、第二箝位二极管、第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，所述三电平变流器包括八种电平变换，所述八种电平变换为，第一种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成+1；第二种，电流从桥臂流向负载，电平从+1变换成0；第三种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成-1；第四种，电流从桥臂流向负载，电平从-1变换成0；第五种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成+1；第六种，电流从负载流向桥臂，电平从+1变换成0；第七种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成-1；第八种，电流从负载流向桥臂，电平从-1变换成0；定义第一种和第二种电平变换为第一类电平变换；所述第一类电平变化的测试方法如下，三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源断开，第二IGBT保持开通，第一IGBT输入双脉冲信号，第三IGBT和第四IGBT关断；通过第一IGBT的开通和关断实现0和+1之间的电平转换；定义第三种和第四种电平变换为第二类电平变换；所述第二类电平变化的测试方法如下，三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源断开，第二IGBT输入双脉冲信号，第一IGBT、第三IGBT和第四IGBT关断；通过第二IGBT的开通和关断实现0和-1之间的电平转换；定义第五种和第六种电平变换为第三类电平变换；所述第三类电平变化的测试方法如下，三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源断开，第三IGBT输入双脉冲信号，第一IGBT、第二IGBT和第四IGBT关断；通过第三IGBT的开通和关断实现0和+1之间的电平转换；定义第七种和第八种电平变换为第四类电平变换；所述第四类电平变化的测试方法如下，三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源断开，第三IGBT保持开通，第四IGBT输入双脉冲信号，第一IGBT和第二IGBT关断；通过第四IGBT的开通和关断实现0和-1之间的电平转换。

本发明所达到的有益效果：本发明基于传统两电平拓扑变流器双脉冲测试的思想，将三电平变流器功率单元的上下桥臂进行合理的分解，可以对三电平变流器功率单元的各种换流工况、器件开关时间、吸收电路过电压吸收效果以及驱动短路保护进行全面的测试，为三电平变流器的研制提供了一种简单有效的测试方法。

附图说明

图1为现有三电平变流器功率单元的电路图。

图2为+1电平电流路径。

图3为0电平电流路径。

图4为-1电平电流路径。

图5为第一类测试电路。

图6为第一类测试电路的测试脉冲。

图7为第二类测试电路。

图8为第二类测试电路的测试脉冲。

图9为第三类测试电路。

图10为第三类测试电路的测试脉冲。

图11为第四类测试电路。

图12为第四类测试电路的测试脉冲。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。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。

如图1所示，为现有三电平变流器功率单元的电路图，三电平变流器功率单元包括上桥臂直流源DC1、下桥臂直流源DC2、第一支撑电容C1、第二支撑电容C2、第一放电电阻R1、第二放电电阻R2、箝位电阻R3、第一吸收电容Cs1、第二吸收电容Cs2、第一放电接触器S1、第二放电接触器S2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第一箝位二极管D5、第二箝位二极管D6、第一IGBTT1、第二IGBTT2、第三IGBTT3和第四IGBTT4。

上述上桥臂直流源DC1和下桥臂直流源DC2串联，第一支撑电容C1的正极和负极分别与上桥臂直流源DC1的正极和负极连接，第一放电电阻R1的一端与上桥臂直流源DC1的正极连接，第一放电电阻R1的另一端与第一放电接触器S1的一端连接，第一放电接触器S1的另一端与上桥臂直流源DC1的负极连接，第一吸收电容Cs1的正极和负极分别与上桥臂直流源DC1的正极和负极连接，第二支撑电容C2的正极和负极分别与下桥臂直流源DC2的正极和负极连接，第二放电电阻R2的另一端与第二放电接触器S2的一端连接，第二放电接触器S2的另一端与下桥臂直流源DC2的负极连接，第二吸收电容Cs2的正极和负极分别与下桥臂直流源DC2的正极和负极连接，第一箝位二极管D5的正极与上桥臂直流源DC1的负极连接，第二箝位二极管D6的负极与上桥臂直流源DC1的负极连接，箝位电阻R3的两端分别与第一箝位二极管D5的负极和第二箝位二极管D6的正极连接，第一IGBTT1、第二IGBTT2、第三IGBTT3和第四IGBTT4串联，第一IGBTT1的集电极与上桥臂直流源DC1的正极连接，第四IGBTT4的发射极与下桥臂直流源DC2的负极连接，第二IGBTT2和第三IGBTT3之间外接负载，第一续流二极管D1与第一IGBTT1反向并联，第二续流二极管D2与第二IGBTT2反向并联，第三续流二极管D3与第三IGBTT3反向并联，第四续流二极管D4与第四IGBTT4反向并联，第一IGBTT1的发射极与第一箝位二极管D5的负极连接，第三IGBTT3的发射极与第二箝位二极管D6的正极连接。

现有三电平变流器共有以下三种输出电平：

（1）如图2所示，当第一IGBTT1和第二IGBTT2开通，第三IGBTT3和第四IGBTT4关断时，输出电平为+1。当电流i>0时，即电流从桥臂流向负载，电流通过第一IGBTT1和第二IGBTT2；当电流i<0时，即电流从负载流向桥臂，电流通过第一续流二极管D1和第二续流二极管D2。

（2）如图3所示，当第二IGBTT2和第三IGBTT3开通，第一IGBTT1和第四IGBTT4关断时，输出电平为0。当电流i>0时，电流通过第一箝位二极管D5和第二IGBTT2；当电流i<0时，电流通过第二箝位二极管D6和第三IGBTT3。

（3）如图4所示，当第三IGBTT3和第四IGBTT4开通，第一IGBTT1和第二IGBTT2 关断时，输出电平为-1。当电流i>0时，电流通过第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；当电流i<0时，电流通过第三IGBTT3和第四IGBTT4。

三电平变流器中为了减小开关损耗，一般选择开关次数最少的矢量作用顺序，因此电平变换只在+1和0、0和-1之间变换，共有八种电平变换，具体如下：

第一种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成+1；第二种，电流从桥臂流向负载，电平从+1变换成0；第三种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成-1；第四种，电流从桥臂流向负载，电平从-1变换成0；第五种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成+1；第六种，电流从负载流向桥臂，电平从+1变换成0；第七种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成-1；第八种，电流从负载流向桥臂，电平从-1变换成0。

针对以上八种电平变换，基于传统两电平拓扑变流器双脉冲测试的思想，将三电平变流器功率单元的上下桥臂进行合理的分解，提出一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，具体如下：

定义第一种和第二种电平变换为第一类电平变换；

第一类电平变化的测试方法如下：

如图5所示，三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源DC2断开，第二IGBTT2保持开通，第一IGBTT1输入双脉冲信号，第三IGBTT3和第四IGBTT4关断；通过第一IGBTT1的开通和关断实现0和+1之间的电平转换。

当第一IGBTT1开通时，电流路径由第一箝位二极管D5、第二IGBTT2变为第一IGBTT1、第二IGBTT2，电平由0变为+1；当第一IGBTT1关断时，电流路径由第一IGBTT1、第二IGBTT2变为第一箝位二极管D5、第二IGBTT2，电平由+1变为0；测试脉冲如图6所示。

定义第三种和第四种电平变换为第二类电平变换；

第二类电平变化的测试方法如下：

如图7所示，三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源DC1断开，第二IGBTT2输入双脉冲信号，第一IGBTT1、第三IGBTT3和第四IGBTT4关断；通过第二IGBTT2的开通和关断实现0和-1之间的电平转换。

当第二IGBTT2开通时，电流路径由第三续流二极管D3、第四续流二极管D4变为第二IGBTT2、第一箝位二极管D5，电平由-1变为0；当第一IGBTT1关断时，电流路径由第二IGBTT2、第一箝位二极管D5变为第三续流二极管D3、第四续流二极管D4，电平由0变为-1；测试脉冲如图8所示。

定义第五种和第六种电平变换为第三类电平变换；

第三类电平变化的测试方法如下：

如图9所示，三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源DC2断开，第三IGBTT3输入双脉冲信号，第一IGBTT1、第二IGBTT2和第四IGBTT4关断；通过第三IGBTT3的开通和关断实现0和+1之间的电平转换。

当第三IGBTT3开通时，电流路径由第一续流二极管D1、第二续流二极管D2变为第三IGBTT3、第二箝位二极管D6，电平由+1变为0；当第一IGBTT1关断时，电流路径由第三IGBTT3、第二箝位二极管D6变为第一续流二极管D1、第二续流二极管D2，电平由0变为+1；测试脉冲如图10所示。

定义第七种和第八种电平变换为第四类电平变换；

第四类电平变化的测试方法如下：

如图11所示，三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源DC1断开，第三IGBTT3保持开通，第四IGBTT4输入双脉冲信号，第一IGBTT1和第二IGBTT2关断；通过第四IGBTT4的开通和关断实现0和-1之间的电平转换。

当第四IGBTT4开通时，电流路径由第三IGBTT3、第二箝位二极管D6变为第三IGBTT3、第四IGBTT4，电平由0变为-1；当第四IGBTT4关断时，电流路径由第三IGBTT3、第四IGBTT4变为第三IGBTT3、第二箝位二极管D6，电平由-1变为0；测试脉冲如图12所示。

综上所述，上述的三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，分别设计四种双脉冲测试电路，可以对三电平变流器功率单元的各种换流工况、器件开关时间、吸收电路过电压吸收效果以及驱动短路保护进行全面的测试，为三电平变流器的研制提供了一种简单有效的测试方法。

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 (1)

1.一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法，三电平变流器功率单元包括上桥臂直流源（DC1）、下桥臂直流源（DC2）、第一支撑电容（C1）、第二支撑电容（C2）、第一放电电阻（R1）、第二放电电阻（R2）、箝位电阻（R3）、第一吸收电容（Cs1）、第二吸收电容（Cs2）、第一放电接触器（S1）、第二放电接触器（S2）、第一续流二极管（D1）、第二续流二极管（D2）、第三续流二极管（D3）、第四续流二极管（D4）、第一箝位二极管（D5）、第二箝位二极管（D6）、第一IGBT（T1）、第二IGBT（T2）、第三IGBT（T3）和第四IGBT（T4），所述三电平变流器包括八种电平变换，所述八种电平变换为，第一种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成+1；第二种，电流从桥臂流向负载，电平从+1变换成0；第三种，电流从桥臂流向负载，电平从0变换成-1；第四种，电流从桥臂流向负载，电平从-1变换成0；第五种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成+1；第六种，电流从负载流向桥臂，电平从+1变换成0；第七种，电流从负载流向桥臂，电平从0变换成-1；第八种，电流从负载流向桥臂，电平从-1变换成0；其特征在于：定义第一种和第二种电平变换为第一类电平变换；

所述第一类电平变化的测试方法如下，

三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源（DC2）断开，第二IGBT（T2）保持开通，第一IGBT（T1）输入双脉冲信号，第三IGBT（T3）和第四IGBT（T4）关断；通过第一IGBT（T1）的开通和关断实现0和+1之间的电平转换；

定义第三种和第四种电平变换为第二类电平变换；

所述第二类电平变化的测试方法如下，

三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源（DC1）断开，第二IGBT（T2）输入双脉冲信号，第一IGBT（T1）、第三IGBT（T3）和第四IGBT（T4）关断；通过第二IGBT（T2）的开通和关断实现0和-1之间的电平转换；

定义第五种和第六种电平变换为第三类电平变换；

所述第三类电平变化的测试方法如下，

三电平变流器功率单元中的下桥臂直流源（DC2）断开，第三IGBT（T3）输入双脉冲信号，第一IGBT（T1）、第二IGBT（T2）和第四IGBT（T4）关断；通过第三IGBT（T3）的开通和关断实现0和+1之间的电平转换；

定义第七种和第八种电平变换为第四类电平变换；

所述第四类电平变化的测试方法如下，

三电平变流器功率单元中的上桥臂直流源（DC1）断开，第三IGBT（T3）保持开通，第四IGBT（T4）输入双脉冲信号，第一IGBT（T1）和第二IGBT（T2）关断；通过第四IGBT（T4）的开通和关断实现0和-1之间的电平转换。