CN105044581B - 一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路 - Google Patents
一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路，属于电力电子技术领域。本发明从IGBT直接串联应用中所紧密相关的动态特性出发，采用专用的测试电路，使用定频多脉冲方法获得持续动态过程。本发明的测试方法可同时对两个串联阀组进行测量，分别进行不同的测试内容，连续进行两次，完成一次测试过程，简单而高效。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路。
背景技术
在高压大功率变换器中，IGBT单管的耐压等级非常有限，远不能满足实际工程应用需求。IGBT直接串联技术是解决该问题的一种重要的方法。该方法大大简化了高压大功率变换器的结构，控制系统简单，关键问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡，尤其是动态电压均衡，以防止器件因过电压而损坏。
引起串联器件动态电压不均衡的原因很多，其中一条很重要的原因是：反向二极管恢复特性的差异性。在感性负载情况下，IGBT开通时与续流二极管之间存在一个换流过程，由于二极管的反向恢复时间和动态过程的差异，在IGBT开通瞬间，会在续流二极管两端产生过电压。在桥式电路中IGBT通常与二极管反向并联，二极管两端的过电压即为IGBT的过电压。
为了对IGBT的动态特性和反向恢复特性进行分析，常使用双脉冲测试法。双脉冲测试法的测试电路如图1所示。图1中下管IGBT是被测对象，上管IGBT的门极上加了负压，因此是关断的，只有续流二极管起作用。测试时对下管IGBT施加周期性的脉冲信号Vge，同时监测Vce电压和Ic电流。根据监测到的数据分析IGBT的动态特性和反向恢复特性。
SiC肖特基二极管作为一种新型的功率器件，其少子寿命比Si小6个数量级，其反向恢复电流非常小，反向恢复时间非常短，在目前功率器件有限的开关速度驱动下，几乎无法测量到明显的反向恢复波形。将SiC肖特基二极管与IGBT组合，能够改善IGBT开断过程中的动态均压效果和减少反并联二极管导致的过压尖峰。因此，基于SiC IGBT搭建的串联阀组，其串联均压特性与Si IGBT串联阀组有所不同。
由于SiC IGBT串联阀组的这些特点，双脉冲测试方法不能完全适应SiC IGBT串联阀组的测试。双脉冲测试方法的测试过程如图2所示，由该过程可知该方法并没有把续流二极管的测试放在一个重要的位置，其是在第二个脉冲的上升沿测试续流二极管的关断特性的，而此时功率器件并非工作在额定电流。而且双脉冲测试方法只有较小的电感负载，电流上升极快，在第二个脉冲下降沿电流就已经上升到设计额定值。由于额定工作时间极短，只能测试到IGBT在额定电流处的关断特性，并不能对IGBT额定工作点处的开通特性测量到，并且只能测量到一个关断波形，不能进行额定工作点附近的开关特性对比。同时，双脉冲测试需要对脉冲宽度进行设计，需要特殊的脉冲发生装置，不能直接进行实际工况的模拟运行。显然，由于双脉冲测试方法存在的以上缺点，已经不能对SiC IGBT串联阀组进行有效的测试。
在SiC IGBT串联阀组中，SiC续流二极管的特性非常重要，其不仅影响本身的过压过流情况，而且会影响对管IGBT的过压过流情况，因此必须对其设计新的具有针对性的测试方法。
发明内容
本发明目的是：为了克服现有双脉冲测试方法不能完全适应SiC IGBT串联阀组的测试的情况，提出一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路。
具体地说，本发明公开的SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法，是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：
1）将被测SiC IGBT串联阀组连接到测试电路中，所述测试电路包括母线电容、电阻、电抗、开关和外充电回路，所述被测SiC IGBT串联阀组为2组，每组被测SiC IGBT串联阀组均由多个SiC IGBT直接串联而成，2组被测SiC IGBT串联阀组同向串联构成被测单元，被测单元与母线电容并联，电阻和电抗串联构成功率负载单元，所述开关为2个，功率负载单元的一端连接在2组被测SiC IGBT串联阀组之间、另一端分别通过1个开关连接到母线电容的两端，外充电回路用于给母线电容进行充电并能在完成充电后与母线电容断开；
2）选择1组被测SiC IGBT串联阀组作为测试动态均压特性的被测阀组，另1组被测SiC IGBT串联阀组相应作为测试反向恢复特性的被测阀组；
3）设定数据监测点，包括测试动态均压特性的被测阀组中每个SiC IGBT两端的电压和过压尖峰峰值大小与尖峰时间以及该被测阀组的电流，以及流过测试反向恢复特性的被测阀组的电流、该被测阀组两端的电压、电压及电流尖峰峰值大小与尖峰时间和该被测阀组中续流二极管的反向恢复时间；
4）闭合与测试反向恢复特性的被测阀组相连的开关，断开与测试动态均压特性的被测阀组相连的开关，用外充电回路给母线电容进行充电，完成充电后断开外充电回路；
5）向测试动态均压特性的被测阀组施加持续的固定频率的脉冲信号，通过功率负载单元对母线电容进行放电，使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，在母线电压压降在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压值的±10%以内时让功率负载单元的负载电流的峰值达到测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值，直至母线电容上储存的电能全部释放，其中脉冲信号的频率设定要使得在测试动态均压特性的被测阀组下一次开通时测试反向恢复特性的被测阀组的续流过程尚未结束，且在功率负载单元的负载电流在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值±5%范围内时脉冲数不少于5个；
6）将监测的数据放入同一坐标系中进行对比分析，完成测试动态均压特性的被测阀组的动态均压特性分析和测试反向恢复特性的被测阀组的反向恢复特性分析；
7）将本轮测试动态均压特性的被测阀组作为下一轮测试反向恢复特性的被测阀组，本轮测试反向恢复特性的被测阀组作为下一轮测试动态均压特性的被测阀组，重复步骤3）-6）进行下一轮测试，从而完成每组被测阀组的动态均压特性和反向恢复特性的全部分析，结束本方法。
上述方法的进一步特征在于，所述开关为空气开关。
本发明公开的用于SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性测试的测试电路，是采用以下技术方案实现的：包括母线电容、电阻、电抗、开关和外充电回路，被测SiCIGBT串联阀组为2组，每组被测SiC IGBT串联阀组均由多个SiC IGBT直接串联而成，2组被测SiC IGBT串联阀组同向串联构成被测单元，被测单元与母线电容并联，电阻和电抗串联构成功率负载单元，所述开关为2个，功率负载单元的一端连接在2组被测SiC IGBT串联阀组之间、另一端分别通过1个开关连接到母线电容的两端，外充电回路用于给母线电容进行充电并能在完成充电后与母线电容断开。
上述测试电路的进一步特征在于，所述开关为空气开关。
本发明的有益效果如下：本发明中的测试方法从IGBT直接串联应用中所紧密相关的动态特性出发，基于双脉冲测试方法，并通过一些改进措施，弥补双脉冲测试方法的不足，使得其能够适应SiC IGBT串联阀组的测试。将双脉冲测试电路中的感性负载改为阻感负载，通过合理的设计，使得负载电流先缓慢增大后缓慢减小，其峰值达到被测阀组的额定工作电流值，从而保证在测试时有一个较长的额定工作区域，可以在额定工作区域里面观察多个额定工作点附近的情况，不仅是IGBT的开通关断特性，而且还有续流二极管的开通关断特性，还可以在整个测试过程中观察电压电流过冲情况，对其变化特点进行一定的掌握，方便观察其变化规律。测试时使用定频多脉冲方法获得持续动态过程，能够快速对SiCIGBT串联阀组所关心的动态均压特性和反向恢复特性进行快速准确的测量。本发明的测试方法可同时对两个串联阀组进行测量，分别进行不同的测试内容，在单次测量内，可实现在不同的电压电流工况（电压从大变小，电流从小变大，再变小）下，完成对动态均压特性和反向恢复特性的变化进行持续监测，连续进行两次，完成一次测试过程，且不需要特殊的脉冲发生装置，一个简单的控制系统即可满足要求。
附图说明
图1为双脉冲测试法的原理图。
图2为双脉冲测试法的驱动脉冲及电压电流波形示意图。
图3为本发明测试电路的原理图。
图4为本发明SiC IGBT串联阀组（阀臂）的结构示意图。
图5为本发明SiC IGBT串联阀组（阀臂）驱动脉冲及上半桥臂、下半桥臂电压电流波形示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：该实施例的用于SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性测试的测试电路原理如图3所示。图3中，C为母线电容，G1和G2为同时测量的两个IGBT串联阀组，G1为上半阀臂，G2为下半阀臂。S1和S2为空气开关，电阻R和电抗L构为功率负载单元。G1和G2的具体结构如图4所示，皆为多个SiC IGBT直接串联而成。G1和G2同向串联构成被测单元，并与母线电容C并联。功率负载单元的一端连接在G1和G2之间、另一端分别通过S1和S2连接到母线电容C的两端。除图3所示外，测试电流还设有外充电回路，用于给母线电容C进行充电，并能在完成充电后与母线电容C断开。
由以上电路结构可以看出，该实施例将双脉冲测试电路中的感性负载改为阻感负载。因此，通过这样的设计，能够使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，使其峰值达到被测阀组的额定工作电流值，从而保证在测试时有一个较长的额定工作区域。
该实施例采用的测试方法分为两个过程，首先进行串联阀组G2的动态均压测试和串联阀组G1的反向恢复特性测试。具体为：
1）先设定数据监测点，包括串联阀组G2上每个IGBT两端的电压和流过阀组的电流，记录过压尖峰峰值大小与尖峰时间，也包括流过串联阀组G1的电流和整个阀组的两端电压，记录电压电流尖峰峰值大小与尖峰时间以及续流二极管反向恢复时间。
2）将开关S1闭合，S2断开，给母线电容C进行充电，充到设定值后认为完成充电，断开充电回路。
3）给串联阀组G2施加持续的固定频率的脉冲驱动信号，通过功率负载R和L对电容C进行放电，使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，让功率负载单元的负载电流的峰值达到G2的额定工作电流值，其中脉冲信号的频率设定要使得在串联阀组G2下一次开通时，串联阀组G1的续流过程尚未结束。脉冲信号将持续施加在串联阀组G2上，直至电容C上储存的电能全部释放。
4）用隔离探头测量串联阀组G2上每个IGBT上的压降，用电流钳测量G1、G2上的电流，将记录的电压和电流放同一坐标系中进行对比分析，如图5所示。其中串联阀组G2每个IGBT两端的电压动态过程和电流用于分析IGBT的动态均压效果，而串联阀组G1两端的电压电流动态过程用于分析续流二极管的反向恢复特性。对比分析时，对比每个IGBT上的电压电流有什么异同，理论上如果均压效果好的话，其电压电流波形应该一致，但实际上是存在偏差的，其最大偏差即可用于考核IGBT的动态均压效果。
为保证良好的测试效果，保证在测试时有一个较长的额定工作区域，电阻R不易过大，否则续流会断续，电抗L不易过小，否则续流过程不明显。同时R和L应配合脉冲信号频率进行选取。一般而言，C、R和L可按以下原则选取：
（1）功率负载单元的负载电流达到测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流时，母线电压压降在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压的±10%以内。
（2）功率负载单元的负载电流处于测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流额定电流±5%范围的脉冲不少于5个。
具体来讲，各参数选取可参考：
（1）电阻R选取应按照满足公式的原则取最小值，其中U n 和I n 分别为测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压和额定工作电流。
（2）电抗L选取根据公式的原则取值，其中T为脉冲信号的周期。
（3）电容C选取按照满足测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压压降不超过±10%的最小值来选取。
然后进行串联阀组G1的动态均压测试和串联阀组G2的反向恢复特性测试。具体过程为：
1）先设定数据监测点，包括串联阀组G1上每个IGBT两端的电压和流过整个阀组的电流，记录过压尖峰峰值大小与尖峰时间，也包括流过串联阀组G2的电流和整个阀组的两端电压，记录电压电流尖峰峰值大小与尖峰时间以及续流二极管反向恢复时间。
2）将开关S2闭合，S1断开，给母线电容C进行充电，充到设定值后认为完成充电，断开充电回路。
3）给串联阀组G1施加持续的固定频率的脉冲驱动信号，通过功率负载R和L对电容C进行放电，使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，让功率负载单元的负载电流的峰值达到G1的额定工作电流值，其中脉冲信号的频率设定要使得在串联阀组G1下一次开通时，串联阀组G2的续流过程尚未结束。脉冲信号将持续施加在串联阀组G1上，直至电容C上储存的电能全部释放。R、C、L的设置均与第一个过程相同。
4）用隔离探头测量串联阀组G1上每个IGBT上的压降，用电流钳测量G1、G2上的电流，将记录的电压和电流放同一坐标系中进行对比分析，其中串联阀组G1每个IGBT两端的电压动态过程和电流用于分析IGBT的动态均压效果，而串联阀组G2两端的电压电流动态过程用于分析续流二极管的反向恢复特性。对比分析的内容与之前的第一个过程相似，不再重复。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (2)
1.一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将被测SiC IGBT串联阀组连接到测试电路中，所述测试电路包括母线电容、电阻、电抗、开关和外充电回路，所述被测SiC IGBT串联阀组为2组，每组被测SiC IGBT串联阀组均由多个SiC IGBT直接串联而成，2组被测SiC IGBT串联阀组同向串联构成被测单元，被测单元与母线电容并联，电阻和电抗串联构成功率负载单元，所述开关为2个，功率负载单元的一端连接在2组被测SiC IGBT串联阀组之间、另一端分别通过1个开关连接到母线电容的两端，外充电回路用于给母线电容进行充电并能在完成充电后与母线电容断开；
2)选择1组被测SiC IGBT串联阀组作为测试动态均压特性的被测阀组，另1组被测SiCIGBT串联阀组相应作为测试反向恢复特性的被测阀组；
3)设定数据监测点，包括测试动态均压特性的被测阀组中每个SiC IGBT两端的电压和过压尖峰峰值大小与尖峰时间以及该被测阀组的电流，以及流过测试反向恢复特性的被测阀组的电流、该被测阀组两端的电压、电压及电流尖峰峰值大小与尖峰时间和该被测阀组中续流二极管的反向恢复时间；
4)闭合与测试反向恢复特性的被测阀组相连的开关，断开与测试动态均压特性的被测阀组相连的开关，用外充电回路给母线电容进行充电，完成充电后断开外充电回路；
5)向测试动态均压特性的被测阀组施加持续的固定频率的脉冲信号，通过功率负载单元对母线电容进行放电，使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，在母线电压压降在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压值的±10％以内时让功率负载单元的负载电流的峰值达到测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值，直至母线电容上储存的电能全部释放，其中脉冲信号的频率设定要使得在测试动态均压特性的被测阀组下一次开通时测试反向恢复特性的被测阀组的续流过程尚未结束，且在功率负载单元的负载电流在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值±5％范围内时脉冲数不少于5个；
6)将监测的数据放入同一坐标系中进行对比分析，完成测试动态均压特性的被测阀组的动态均压特性分析和测试反向恢复特性的被测阀组的反向恢复特性分析；
7)将本轮测试动态均压特性的被测阀组作为下一轮测试反向恢复特性的被测阀组，本轮测试反向恢复特性的被测阀组作为下一轮测试动态均压特性的被测阀组，重复步骤3)-6)进行下一轮测试，从而完成每组被测阀组的动态均压特性和反向恢复特性的全部分析，结束本方法。
2.根据权利要求1所述的SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法，其特征在于，所述开关为空气开关。
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