CN105510792A - 一种变流器igbt功率模块现场双脉冲测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统及方法，所述的测试系统包括双脉冲测试电路：包括依次连接的输入电源(1)、变流器及负载，检测单元：用于检测所述的变流器中IGBT功率模块(3)中各个IGBT的相关参数，数据采集单元：与所述的检测单元连接，用于采集测得的IGBT的相关参数，数据处理单元：与所述的数据采集单元连接，用于对测得的IGBT的相关参数进行分析处理。所述的测试方法包括以下步骤：1)构建双脉冲测试电路；2)数据测量：测量变流器IGBT功率模块(3)中各IGBT的开关参数；3)数据处理：对测得的IGBT的开关参数进行分析处理。与现有技术相比，本发明具有适于现场测量，测量准确，测量方便等优点。

Description

一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种变流器IGBT功率模测试系统及方法，尤其是涉及一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统及方法。
背景技术
近年来，IGBT功率模块广泛应用于电气传动与新能源发电系统中，如电动汽车、地铁、高铁以及风电等。本发明提出一种变流器中IGBT功率模块双脉冲测试系统与方法以方便现场测量IGBT开关特性，对确保变流器安全、高效、可靠运行具有重要意义。一方面，在变流器设计与开发阶段，现场测量变流器中IGBT功率模块的开关特性可对门极驱动与主回路优化(如门极电阻值选择、直流母排布置等)提供依据。例如IGBT关断时的尖峰电压以及IGBT开通时的二极管反向恢复电流是否在安全范围内，以及开关过程当中是否存在不合适的振荡等。另一方面，变流器长期使用过程中，IGBT功率模块受机电热等各种应力的反复作用会导致器件运行性能下降甚至最终失效。现场测量变流器中IGBT功率模块的开关特性可及时获取IGBT状态信息，有效实施变流器故障预诊断。
国家标准《GB/T29332-2012》详细规定了IGBT开关特性的测试方法，该方法在实验室利用专用测试设备单独对IGBT器件进行测试，并不适用于在现场对变流器系统中的IGBT模块进行测试。
2010年中国电机工程学报发表的《IGBT开关特性离线测试系统》一文中提出了一种IGBT开关特性离线测试系统。该测试系统包括器件开关特性的硬件测试平台和开关损耗建模软件平台两部分，能自动测试器件的开关特性，并分析开关损耗。但是该系统只能在实验室进行测试，并不适用于现场测试。
2010年中国电机工程学报发表的《大功率直驱风电系统高效率变流器设计》一文中提出一种结合电路时域仿真与器件损耗曲线计算变流器损耗的方法，该方法无需额外的装置，但由于器件损耗曲线与实际运行情况存在一定的差异，所以该方法误差较大，难以满足工程需求。
2013年电力自动化设备发表的《兆瓦级全功率风电并网变流器功率组件设计》一文中提出了一种计算器件(IGBT)损耗的方法。该方法结合器件手册和理论计算来估算器件的损耗。通过其实验对比，发现估算值与实际值存在10％左右的误差，损耗估算的精度不高。
2013年刘琦、王志民等人发表的《一种IGBT驱动模块双脉冲测试装置》一文中提出了一种针对电动汽车用IGBT动态特性测试的方法和装置。测试过程中将IGBT功率单元装入模拟控制器中，利用模拟控制器来模拟IGBT在汽车运行过程中实际工作电压和电流对IGBT进行双脉冲测试。但该方法只能在实验室利用专用测试设备(模拟控制器、高压电源、负载电感)进行测试，并不适用于现场测试。
中国专利申请201220471832.8和中国专利申请201210342475.X中均提出了一种自动测试IGBT动态特性的装置与方法。该装置能够自动采集、传输并处理双脉冲测试得到的数据，从而获得IGBT的动态特性，但该方法并不适用于现场测试。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适于现场测量、测量方便、测量准确的变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统及方法，可在电气传动或新能源发电系统(如电动汽车、地铁、高铁以及风电等)现场对变流器实施双脉冲测试。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，用于现场测试变流器中IGBT功率模块的特性，包括
双脉冲测试电路：包括依次连接的输入电源、变流器及负载，所述的输入电源为应用变流器的系统中实际使用的输入电源，所述的负载为应用变流器的系统中实际使用的电机，
检测单元：用于检测所述的变流器中IGBT功率模块中各个IGBT的相关参数，
数据采集单元：与所述的检测单元连接，用于采集测得的IGBT的相关参数，
数据处理单元：与所述的数据采集单元连接，用于对测得的IGBT的相关参数进行分析处理。
所述的输入电源与所述的变流器的直流母线电容连接，用于对直流母线电容充电，
所述的电机的三相绕组与所述的变流器的IGBT功率模块连接。
所述的检测单元包括差分隔离电压探头和高速电流探头，
所述的差分隔离电压探头设有两个，用于检测变流器IGBT功率模块中各个IGBT的集电极-发射极电压VCE和栅极-发射极电压VGE，
所述的高速电流探头用于测量变流器IGBT功率模块中各个IGBT的集电极电流ic。
所述的数据采集单元为示波器或采集板卡，用于观测波形并存储数据。
所述的数据处理单元为上位机。
一种基于变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统的测试方法，包括以下步骤：
1)构建双脉冲测试电路；
2)数据测量：测量变流器IGBT功率模块中各IGBT的开关参数；
3)数据处理：对测得的IGBT的开关参数进行分析处理；
4)判断所有变流器IGBT功率模块中所有IGBT是否都已测量，如果是，则测试结束，否则，返回步骤2)。
所述的测试方法，所述的步骤具体为：在应用待测变流器的系统停机状态下，依次连接输入电源、变流器及负载，并利用输入电源对变流器的直流母线电容充电，充电完成后，断开变流器与输入电源的电气连接。
所述的步骤2)具体为：
201)给变流器IGBT功率模块中的被测IGBT施加双脉冲；
202)当被测IGBT的编号i≤3时，设置编号为i+3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
当被测IGBT的编号i＞3时，设置编号为i-3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
203)改变所述的双脉冲的宽度或变流器IGBT功率模块的壳温测量不同电流与温度条件下所述的被测IGBT的动态特性。最终通过一系列实验测量不同条件下(如电流与温度)变流器中任意IGBT的开关特性。
所述的步骤3)具体为：根据步骤中测得的数据，计算相应IGBT的开关特性参数，所述的开关特性参数包括开通时间ton，关断时间toff，开通损耗Eon与关断损耗Eoff，并将不同运行条件下IGBT的开关特性参数绘制成曲线。
本发明可在电气传动或新能源发电系统(如电动汽车、地铁、高铁以及风电等)现场对变流器IGBT功率模块实施双脉冲测试。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明能在变流器运行现场对变流器IGBT功率模块进行双脉冲测试，以验证变流器运行性能或检测IGBT运行状态，为变流器优化设计以及现场故障预诊断提供帮助；
(2)适用于现场测量：与现有技术相比，本发明方法无需改动实际系统的电气主回路，可在工业现场对变流器中IGBT功率模块进行双脉冲测试，及时、准确地获取实际系统中变流器IGBT功率模块的开关特性(如IGBT开通、关断损耗等)；
(3)测试结果精确：与现有技术相比，本发明通过现场直接测量获取实际系统中变流器IGBT功率模块的开关特性(如IGBT开通、关断损耗等)，消除了建模仿真与理论计算带来的误差以及实验室测试系统与实际系统不同所引起的误差；
(4)测试简便、经济：与现有技术相比，本发明方法仅需两个电压探头、一个电流探头、一个示波器或采集板卡以及一台上位机，无需增加直流电源、负载电感、驱动模块、信号控制与调理电路等；
(5)本发明利用实际系统现成的硬件条件来完成双脉冲测试，简化了测试系统结构、节省了测试成本。
附图说明
图1为本发明双脉冲测试电路的连接图；
图2为本发明上位机、示波器、差分隔离电压探头和高速电流探头的连接示意图；
图3为本发明一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试方法的流程图；
图4为本实施例中IGBT管T6的开通过程曲线；
图5为本实施例中IGBT管T6的关断过程曲线；
图6为本实施例中IGBT管T6的开关时间与电流的关系曲线图；
图7为本实施例中IGBT管T6的开关损耗与电流的关系曲线图；
图中标识为：1输入电源，2直流母线电容，3IGBT功率模块，4电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1—2所示，一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，用于现场测试变流器中IGBT功率模块3的特性，包括
双脉冲测试电路：包括依次连接的输入电源1、变流器及负载，所述的输入电源1为应用变流器的系统中实际使用的输入电源，所述的负载为应用变流器的系统中实际使用的电机4，
检测单元：用于检测所述的变流器中IGBT功率模块3中各个IGBT的相关参数，
数据采集单元：与所述的检测单元连接，用于采集测得的IGBT的相关参数，
数据处理单元：与所述的数据采集单元连接，用于对测得的IGBT的相关参数进行分析处理。
所述的输入电源1与所述的变流器的直流母线电容2连接，用于对直流母线电容2充电，
所述的电机4的三相绕组与所述的变流器的IGBT功率模块3连接。
所述的检测单元包括差分隔离电压探头和高速电流探头，
所述的差分隔离电压探头设有两个，用于检测变流器IGBT功率模块3中各个IGBT的集电极-发射极电压VCE和栅极-发射极电压VGE，
所述的高速电流探头用于测量变流器IGBT功率模块3中各个IGBT的集电极电流ic。
所述的数据采集单元为示波器或采集板卡，用于观测波形并存储数据。
所述的数据处理单元为上位机。
一种基于变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统的测试方法，包括以下步骤：
1)构建双脉冲测试电路；
2)数据测量：测量变流器IGBT功率模块3中各IGBT的开关参数；
3)数据处理：对测得的IGBT的开关参数进行分析处理；
4)判断所有变流器IGBT功率模块3中所有IGBT是否都已测量，如果是，则测试结束，否则，返回步骤2)。
所述的步骤1)具体为：在应用待测变流器的系统停机状态下，利用输入电源1对变流器的直流母线电容2充电并断开变流器与输入电源1的电气连接。
所述的步骤2)具体为：
201)给变流器IGBT功率模块3中的被测IGBT施加双脉冲；
202)当被测IGBT的编号i≤3时，设置编号为i+3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
当被测IGBT的编号i＞3时，设置编号为i-3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
203)改变所述的双脉冲的宽度或变流器IGBT功率模块的壳温测量不同电流与温度条件下所述的被测IGBT的动态特性。最终通过一系列实验测量不同条件下如电流与温度)变流器中任意IGBT的开关特性。
所述的步骤3)具体为：根据步骤2)中测得的数据，计算相应IGBT的开关特性参数，所述的开关特性参数包括开通时间ton，关断时间toff，开通损耗Eon与关断损耗Eoff，并将不同电流条件下IGBT的开关特性参数绘制成曲线。
本发明可在电气传动或新能源发电系统(如电动汽车、地铁、高铁以及风电等)现场对变流器IGBT功率模块实施双脉冲测试。
根据上述理论，本实施例对台达VFD037M43A三相变频器中(380V/3.7kW)IGBT功率模块7MBR25SA120进行双脉冲测试，其中变流器的IGBT功率模块为如图1所示的IGBT功率模块。
如图3所示，具体测试过程如下：
S1摁下系统停机键，控制变频器及电机停止运行。
S2闭合输入电源开关对直流母线电容进行充电。
S3待直流母线电容充电完成后断开输入电源与变流器的电气连接。
S4对待测IGBTST6进行双脉冲实验。具体过程为：首先保持T3管导通而其余IGBT管(T1，T2，T4，T5)处于关断状态，然后对T6施加双脉冲进行测试。
S5利用差分隔离电压探头、高速电流探头测量IGBT管T6的集电极-发射极电压VCE和栅极-发射极电压VGE并用示波器记录。
S6利用上位机处理步骤S5中记录的电压及电流波形，计算得到IGBT(T6)的开通时间ton，关断时间toff，开通损耗Eon与关断损耗Eoff。
S7改变双脉冲宽度，重复步骤S2～S6，获得IGBT(T6)在不同电流下的开通时间ton，关断时间toff，开通损耗Eon与关断损耗Eoff，并得到图4～图7所示曲线。
S8对变频器IGBT功率模块中其它IGBT进行测试(如T5)。根据本发明提出的IGBT触发脉冲配置方法，应保持T2管导通而其余IGBT管(T1，T3，T4，T6)处于关断状态，然后对IGBT管T5施加双脉冲进行测试。以此类推，对变频器IGBT功率模块中其余的IGBT进行测试。

Claims (9)

1.一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，用于现场测试变流器中IGBT功率模块(3)的特性，其特征在于，包括
双脉冲测试电路：包括依次连接的输入电源(1)、变流器及负载，所述的输入电源(1)为应用变流器的系统中实际使用的输入电源，所述的负载为应用变流器的系统中实际使用的电机(4)，
检测单元：用于检测所述的变流器中IGBT功率模块(3)中各个IGBT的相关参数，
数据采集单元：与所述的检测单元连接，用于采集测得的IGBT的相关参数，
数据处理单元：与所述的数据采集单元连接，用于对测得的IGBT的相关参数进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，其特征在于，所述的输入电源(1)与所述的变流器的直流母线电容(2)连接，用于对直流母线电容(2)充电，
所述的电机(4)的三相绕组与所述的变流器的IGBT功率模块(3)连接。
3.根据权利要源求1所述的一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，其特征在于，所述的检测单元包括差分隔离电压探头和高速电流探头，
所述的差分隔离电压探头设有两个，用于检测变流器IGBT功率模块(3)中各个IGBT的集电极-发射极电压VCE和栅极-发射极电压VGE，
所述的高速电流探头用于测量变流器IGBT功率模块(3)中各个IGBT的集电极电流ic。
4.根据权利要求1所述的一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，其特征在于，所述的数据采集单元为示波器或采集板卡，用于观测波形并存储数据。
5.根据权利要求1所述的一种变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统，其特征在于，所述的数据处理单元为上位机。
6.一种基于权利要求1所述的变流器IGBT功率模块现场双脉冲测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建双脉冲测试电路；
2)数据测量：测量变流器IGBT功率模块(3)中各IGBT的开关参数；
3)数据处理：对测得的IGBT的开关参数进行分析处理；
4)判断所有变流器IGBT功率模块(3)中所有IGBT是否都已测量，如果是，则测试结束，否则，返回步骤2)。
7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：在应用待测变流器的系统停机状态下，依次连接输入电源(1)、变流器及负载，并利用输入电源(1)对变流器的直流母线电容(2)充电，充电完成后，断开变流器与输入电源(1)的电气连接。
8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
201)给变流器IGBT功率模块(3)中的被测IGBT施加双脉冲；
202)当被测IGBT的编号i≤3时，设置编号为i+3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
当被测IGBT的编号i＞3时，设置编号为i-3的IGBT为开通状态，其余IGBT为关断状态，测量此时IGBT的集电极-发射极电压VCE、栅极-发射极电压VGE和集电极电流ic；
203)改变所述的双脉冲的宽度或变流器IGBT功率模块(3)的壳温测量不同电流与温度条件下所述的被测IGBT的动态特性。
9.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：根据步骤2)中测得的数据，计算相应IGBT的开关特性参数，所述的开关特性参数包括开通时间ton、关断时间toff、开通损耗Eon与关断损耗Eoff，并将不同运行条件下IGBT的开关特性参数绘制成曲线。
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