CN106662617B - 用于高功率半导体元件的测试电路 - Google Patents

用于高功率半导体元件的测试电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高压直流输电的变流器内的高功率半导体元件(11)的测试电路(20)，包括带有用于高功率半导体元件(11)的接头(31)和与高功率半导体元件(11)可连接的高压源(28)的高电压回路(22)，该测试电路应允许特别灵活地调节测试条件且特别地与电网频率无关地运行。为此，高压源(28)包括多个在第一系列(29)内连接的电压换向的变流器模块。

Description

用于高功率半导体元件的测试电路
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流输电的变流器内的高功率半导体元件的测试电路，所述测试电路包括带有用于高功率半导体元件的接头和与高功率半导体元件可连接的高压源的高电压回路。本发明此外涉及一种用于测试高功率半导体元件的方法。
背景技术
高压直流输电特别地用于通过直流在远距离上进行能量传输，通常为大约750km以上的距离。但为此对于适合于高压的昂贵的变流器必须投入相对高的技术成本，因为发电厂内的电能几乎总是通过同步发电机作为频率为50Hz或60Hz的三相交变电流产生。当然，在一定的距离以上，尽管具有技术成本和附加的转换器损失，也导致与以三相交变电流传输相比在总和上更低的传输损失。
在变流器中或静态无功功率补偿器中使用的高功率半导体元件，特别是晶闸管阀必须经受功率测试。所述功率测试在所谓的背对背连接中进行，其中整流器和逆变器处于“背对背”，即与另外的设备相对，其中如上所述在站之间经常具有大距离，在空间上几乎不相互分离，或通过合成的测试电路，即所构造的测试电路，在所述测试电路中可连接待测件且在所述测试电路中模拟待测件在实际运行中经受的电压和电流历程。
由于目前的系统的不断升高的传输功率，测试所需的背对背测试装置当然必须相对大地定尺寸且对于相应的功率来设计。合成的测试电路例如从如下已知：如其例如由IEC 60700-1，“Thyristor valves for high voltage direct current(HVDC)powertransmission,Part1:Electrical Testing”,IEC(International ElectrotechnicalCommission),Geneva,2008；由IEC 61954,“Static var compensator(SVC)–Testing ofthyristor valves”,IEC(International Electrotechnical Commission),Geneva,2011，和由IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers),“IEEE 857,Guidefor Testing of Thyristor Valves”,IEEE,1996，所述合成的测试电路由于使用分别与待测件可连接(即通过相应的可控制的开关或阀与所述待测件连接)的分开的高电流和高电压回路则仅需要类似的背对背测试系统的1％至2％的设计尺寸。
目前已知的合成的测试电路在此包括一个或多个LC振荡回路，以用于产生高电压，且此外包括高电流回路，所述高电流回路通过变压器从供电电网中获取其电流。在此，已知基于所谓“振荡回路/高电流”的略微不同的构思。本申请人的已知的构思使用由高压源驱动的空载路径(Freilaufpfad)，以用于与高电流叠加。另外的已知的系统使用其振荡回路以仅接通和关断待测件，而在高电流阶段中高电压利用辅助阀与待测件分离。
在两个变体中，待测件的关断参数与接通参数相关且因此明显地限制了测试条件的调节。由于振荡回路的再充电与高电流回路的组合，实际的合成的测试电路与电网频率相关，即也与待测件相关，所述待测件随后在60Hz电网中运行，如果测试仅可能在50Hz下加载，则需要参数匹配。
发明内容
因此本发明的任务是，给出开头提到类型的测试电路和方法，所述测试电路和方法允许特别灵活地调节测试条件且特别地与电网频率无关地运行。
此任务在测试电路方面根据本发明通过使高压源包括多个在第一系列内连接的电压换向的变流器模块来解决。
本发明在此基于如下考虑，即，通过在测试期间使用更灵活的电压源可实现对于测试条件的特别灵活的调节。在此表明，特别地目前使用的基于电网换向的变流器(英语：Line-commutated Converter，简称为LCC，电网换相换流器)的系统不具有所需的灵活性，因为其强制地与电网频率相关。与电网频率的不相关性通过如下给出，即，使用带有电压换向的换流器模块的自由可控制的高压源(英语：Voltage-Source Converter，简称为VSC，电压源换流器)。下文中模块理解为包括具有电池的形式的直流电压源，所述直流电压源的在接头处的电压值可以通过利用控制电压来相应地控制同样包含在模块内的开关来改变。利用该模块可实现在实践中任意地(通过模块中的一个的电压的离散化)模拟用于待测的LCC阀的真实的运行电压历程。不再需要对于50Hz或60Hz应用的电压匹配。
优选地，测试电路此外包括在第二系列内连接的多个电压换向的变流器模块，所述变流器模块与高电流变压器的初级侧可连接且其中高电流变压器的次级侧与高功率半导体元件可连接。由此，也可进行待测件的高电流测试。通过形成为带有三或更高的匝数比的高电流变压器，可将在初级侧上流动的电流放大多倍。通过以来自第二系列的电压换向的变流器模块的电压(所述电压当然也可自由控制)对高电流变压器进行控制，也可完全灵活地进行待测件的电流测试。
有利地，第二系列的电流测试模块与第一系列串联连接。这实现了以所需电压将两个系列共同充电。
在下文中描述的电压换向的变流器模块的结构优选地适用于电压换向的变流器模块的每个。电压换向的变流器模块优选相同地构造。
优选地，各电压换向的变流器模块包括电容器和四个全桥连接的晶体管，即各两个晶体管在相同的方向上串联连接，在所述两个晶体管之间布置了外部接头，而所述串联连接的晶体管在相同的方向上相互并联连接且与电容器并联连接。以此得到了H类型的形式。
优选地，各晶体管特别是每个晶体管是具有绝缘栅极的双极型晶体管。该双极型晶体管特别地适合于在此所建议的在高功率范围中的应用，因为所述双极型晶体管具有高的正向阻断电压(目前直至6.6kV)且可接通高电流(直至大约3kA)。
各电压换向的变流器模块，优选地每个电压换向的变流器模块优选地设计为用于超过800V的额定电压和/或超过500A的额定电流。以此，避免了过大的模块数量。在更低的额定电压的情况中，为实现所需的超过50kV的用于测试的电压，则需要使用过多的模块。
在有利的构造中，测试电路包括超过十个，优选地超过三十个电压换向的变流器模块。一方面通过各系列利用较高的数量可实现更高的总电压，另一方面在产生用于测试的电压曲线的情况下通过高数量可以实现更精细离散的电压阶跃。
测试电路此外有利地包括电网供电的整流器，所述整流器与高压源可连接。通过此类整流器可为布置在系列内的电压换向的变流器模块或布置在所述变流器模块内的电容器充电。
在此优选地，在整流器之前连接高压变压器，所述高压变压器优选地设计为用于超过25kV的输出电压。以此，可在高压源内简单地实现对于测试所需的电压。
在测试电路中被测试的高功率半导体元件优选地是晶闸管，如其在特别地用于高压直流输电的电网换向的变流器内所使用的那样。
在方法方面，任务通过用于测试高功率半导体元件的方法来解决，其中预先给定用于高功率半导体元件的高电压测试的测试过程电压曲线，且其中预先给定的测试过程电压曲线通过对于第一系列内的电压换向的变流器模块的控制来模拟。在此方法中，首先预先给定用于高功率半导体元件的高电压测试的测试过程电压曲线(测试计划)。在此，在待测件接通和关断时独立地正确地调节电压，且测试过程电压曲线也形成了在阻断阶段中典型的电压阶跃，所述电压阶跃在设备运行中通过邻近阀(Nachbarventile)的换向形成。然后通过对于第一系列的电压换向的变流器模块的控制来模拟预先给定的测试过程电压曲线。这通过对于电压换向的变流器模块的控制电子器件的相应的控制进行，所述控制电子器件或者不将电容器的电压施加在其输出端上或者可选择地将电容器的正/负电压施加在其输出端上。通过电路的相应的组合，可通过在系列内电压加和来调节在希望的时刻的希望的电压。在此，最大值是将所有电压加和，且电压可仅按照电压换向的变流器模块的电容器中的一个的电压的离散的间隔被调节。
优选地，也预先给定用于高功率半导体元件的高电流测试的测试过程电流曲线，所述测试过程电流曲线然后在测试中通过对于第二系列的电压换向的变流器模块的控制来模拟。因为所述变流器模块与高电流变压器连接，所以以此可实现通过待测件的高电流，所述高电流的历程也由于电压换向的变流器模块的任意的可控性是完全灵活的。
通过本发明实现的优点特别地在于，通过使用VSC模块可在周期的每个时刻灵活地调节测试高电压。电压范围从几乎0V直至测试电路的最大施加电压，在本发明的应用中大约为±70kV。以此，在测试流程中可完成根据标准IEC 60700-1和IEC 61954从“最小电压运行”经过“额定运行”直至“最大电压运行”的全部测试步骤。不需要对于每个单独的测试步骤进行振荡电路的重新定尺寸或辅助阀的匹配。新的电路也与频率无关，因为功率从几乎连续地被再充电的模块电容器获取。
直至大约1kA的测试电流不要求高电流回路，对于更大的电流，带有电网变压器(如前)的高电流源可使用通过高电流辅助阀或也通过VSC模块供电的高压变压器。通过使用高电流变压器，高电流回路的定尺寸很简单：因为高电流变压器由VSC模块的存储电容器供电，所以对于供电电网产生很低的反作用。仅从电网获取待测件和测试电路的损失。
附图说明
根据附图对本发明的实施例详细解释。附图中：
图1示出了合成的测试电路的电路图，
图2示出了VSC模块的电路图，和
图3示出了在合成的测试电路的仿真中的电压和电流的曲线图图示。
相同的部分在所有附图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了用于高功率半导体元件11的合成的测试电路20的示意性电路图，如用于高压直流输电的变流器内所使用的那样。在图1的左半部分中示出了通常的20kV交流电网，所述交流电网通过三相电压源1表示，在图1中通过在平行的电流路径中的三个分别相移120度的电压源1图示。20kV交流电网也具有以Zn表示的电网阻抗2，且所述电网阻抗也图示为在三个平行的电流路径的每个内连接到电压源1。
在三个电流路径中在运行开始时紧接着是按需要可桥接的充电电阻17，所述充电电阻用于在下文中还将根据图1和图2再解释的VSC模块16(电压换向的变流器模块)。20kV交流电网向直流高压源21供电，所述直流高压源首先从交流电网向三相变压器3供电。直流高压源21具有以Zk标记的换向阻抗4，所述换向阻抗图示为随后连接到三相变压器3上。
直流高压源21在实施例中具有不受控的六脉冲整流器5，所述六脉冲整流器作为具有B6结构形式的二极管桥由六个二极管形成。在此，当然另外的实施形式也可使用另外的整流器，例如带有更大数量的二极管的整流器或受控整流器。在测试运行期间，直流高压源21作为VSC模块16的充电系统运行，且提供直流电压UDC。
直流电压UDC通过阻断阀6施加在一系列串联连接的VSC模块16上。这形成了用于在后文中还将解释的测试运行的实际的高压源28，且通过直流高压源21仅事先充电。阻断阀6形成为以附图标记VB,U标记的在阻断方向上的晶闸管，且在下文中还将解释的VSC模块16的电压测试期间阻断直流电压UDC。在系列的两个VSC模块16之间设置了接地18，所述接地形成了高电压回路22(在阻断阀6和接地18之间的VSC模块16)和高电流回路23(在接地18和直流高压源21的正极之间的VSC模块16)之间的分离点。VSC模块16因此被分为高电压回路22的第一系列29和高电流回路23的第二系列30。
在仅示意性地图示的电路图中，VSC模块16的数量在此不固定，不同的实施例可建议不同的(固定的)数量的VSC模块16：在高电压回路22中设置了多个nVSC,u个VSC模块16，且在高电流回路23中设置了多个nVSC,i个VSC模块16，其中VSC模块16的总数因此为nVSC＝nVSC,u+nVSC,i。通过高电压回路22中的nVSC,u个VSC模块16的系列29施加电压UVSC,u，通过高电流回路23中的nVSC,i个VSC模块16的系列30施加了电压UVSC,i。
表示以VUT(Valve under Test)标记的待测件的高功率半导体元件11在前述电路内的接头31处连接到高电压回路22，这通过使得高电压回路22内的在阻断阀6和接地18之间的nVSC,u个VSC模块16通过带有电感LKu的换向扼流圈10与所述接头并联连接来实现。
通过接头31连接的待测件(在实施例中为晶闸管)的电路在此包括一串联地布置在高压半导体元件11前的带有电感LVD的饱和扼流阀12，所述饱和扼流阀在电流流过开始时限制了在待测件的电流升高速度，且仅通过进入饱和基本上失去其电感。此外，带有电容CK的控制电容器15并联于待测件和前接于所述待测件的饱和扼流阀12。
在图1中图示的电路图此外示出了作为替代电路图与待测件并联连接的电阻13和电容器14，所述电阻和电容器表示了待测件的替代电阻RERS和替代电容CERS。待测件的替代电阻RERS和替代电容CERS在图1中虽然图示为真实的部件，但如替代电路图中通常的情况，与其余所述的部件相比其不存在于真实的电路中，而是为图示和计算起见仅作为待测件的固有特征的表示。流向换向扼流圈10的电流标记以IVSC,u，流向待测件的电流标记以IVUT，且在待测件的电路上施加的电压标记以UVUT。
在高电流回路23内的nVSC,i个VSC模块16通过反并联的、标记以VB,i2的阻断晶闸管对8与高电流变压器9的初级侧连接。换言之：高电流变压器9的初级侧的一个极与接地18连接，而其另一个极通过阻断晶闸管对8与高压源21的正极连接。在高电流变压器9的初级侧上施加电压u1，在此处流过电流i1。
高电流变压器9的特征在于在次级侧的线圈内的相对于初级侧的线圈的较低的匝数，使得在次级侧上产生的电压u2更低而在此处流过的电流i2则更高。高电流变压器9的次级侧通过另外的标记以VB,i2的阻断晶闸管7在连接方向上与待测件的电路连接，即高电流变压器9的次级侧的一个极又与接地18连接，而高电流变压器9的另一个极通过阻断晶闸管7与待测件的电路的入口连接，即与饱和扼流阀12连接。
如已描述的那样，全部nVSC个VSC模块16形成合成的测试电路20内的中心元件。所述VSC模块相同地构造。其结构根据图2解释。
图2示出了VSC模块16的一个的电路图。VSC模块16具有标记以A和B的两个外部接头24，且在优选的实施例中包括四个通常导通的具有绝缘栅极的双极型晶体管(英语：Insulated-Gate bipolar Transistor，简称为IGBT)25，其分别与续流二极管26并联连接，以防止在关断时的过电压。但原理上也可使用另外的类型的晶体管。
IGBT 25与带有电容CVSC的电容器27作为中心元件以全桥的形式连接，即各两个IGBT 25在相同的方向上串联连接，在其之间布置了外部接头24的一个，所述串联连接的IGBT在相同的方向上相互并联连接且与电容器27并联连接。IGBT 25表示开关S1…S4，所述开关通过未进一步图示的控制电子器件单独地可控制/可切换。由此，施加在电容器27上的电压UC可在任意方向上在外部接头24上在A和B之间接通。在接头24A和B之间因此根据开关S1…S4的开关状态，即IGBT 25的开关状态，施加了+UC、-UC或0V。在此，每个电流方向都是可以的。
在根据图1和图2描述合成的测试电路20的结构之后，现在在下文中此外根据图3描述测试过程。在此也描述了图1和图2中的不同的部件的工作方式和相互作用。
在图1的左部区域内的直流高压源21如前所述连接到三相20kV交流电网上，以及与VSC模块16的串联电路连接。直流高压源21因此的任务在于与合成的测试电路20内的损失相关地将VSC模块16充电。
在合成的测试电路20的运行过程期间，VSC模块16的电容器27不被充电且因此不可控制。申请人在实施例中所使用的VSC模块16具有1.6kV的额定电压和1kA的额定电流。在下文中描述的实施例中提供了54个VSC模块16，且直流高压源21的电压为50kV。
在运行过程中，充电电阻17工作，阻断阀6触发，且由于所述的结构，因此VSC模块16的电容器27在UC＝UDC/nVSC＝大约920V的电压下充电。只要在VSC模块16的每个内达到大约800V的电压，则VSC模块16的控制电子器件工作，且VSC模块16的IGBT 25作为开关S1…S4可控制。VSC模块16可因此逐渐地被置于希望的1.6kV的额定电压，这通过已充电的VSC模块16改变其极性而使其电压在其余的VSC模块16充电时相加到直流高压源21的电压来实现。
只要运行过程结束，则直流高压源21关断且阻断阀6在此处于阻断状态中。通过对于高电压回路22内的VSC模块16的控制电子器件的相应的时间控制，现在待测件可以以处在+nVSC,u*1.6kV和-nVSC,u*1.6kV的界限内的且以1.6kV离散化的任意的电压历程接电。
图3在曲线图图示中示出了此类电压和电流历程。在曲线图中，在0至0.022秒的时间段内，在从-32kV至+64kV的标度上绘出了电压UVSC,u(高电压回路22内的VSC模块16的系列29上的电压)和UVUT(待测件的电路上的电压)，且在从-4000A至+8000A的标度上绘出了电流IVUT(待测件的电路上的电流)。未绘出高电压回路22内的VSC模块16的系列30上的电压，但所述电压根据如下描述可揭示。曲线图根据仿真确定。
高电压回路22的所述的行为在图3的右侧部分中从>8ms的时间段图示。高电流回路23在>8ms的范围内不工作，且通过控制高电压回路22内的VSC模块16的控制电子器件和由此导致的各开关S1…S4的操作产生了如在用于高压直流输电的变流器内在逆变器运行期间出现的典型的阀电压曲线UVSC,u。以该高电压曲线可全面地检测待测件。
高电流回路23以类似的方式运行：通过高电流回路23内的VSC模块16可类似于高电压回路22通过对于控制电子器件的控制在高电流变压器9的初级侧上产生任意的电压历程UVSC,i。因为所使用的IGBT 25的额定电压仅为1kA，所以高电流变压器9将电流升高到大约6kA的所需的最大值。在VSC模块16充电期间，阻断晶闸管对8将VSC模块16的电压与高电流变压器9阻断。在高电流回路23不工作时，阻断晶闸管7将高电压回路22的电压与高电流回路23阻断。
只要通过对于高电流回路23内的VSC模块16的控制电子器件的相应控制在高电流变压器9的初级侧上施加正电压且将待测件触发，则初级电流i1将根据如下方程升高：
在此，UVSC,i(t)是高电流回路23内的nVSC,i个VSC模块16的系列30上的电压历程，且Lt是高电流变压器9的短路无功电感。随着初级电流i1的升高，次级电流i2也以i2＝i1*Nt升高，其中Nt是高电流变压器9的匝数比。
为仿真待测件的真实的开关行为，在高电压回路22工作时将待测件触发。在图3的曲线图中这例如在大约2ms时进行。其结果是电流升高直至大约1kA，这对应于VSC模块16的最大电流，在图3的曲线图中可识别在大约2ms和大约2.3ms之间的阶跃。
然后，电压UVSC,u处于0V，且电流作为空载电流流过待测件和高电压回路22的VSC模块16。在图3的曲线图中在大约2.3ms时高电流回路23工作接通，且建立了大约6kA的希望的电流强度。只要达到该最大电流强度，则电压UVSC,i处于0V且电流作为空载电流流过待测件和高电流回路23的VSC模块16。因此，流过待测件的完全的电流IVUT作为来自高电压回路22和高电流回路23的电流的加和而得出。
由于晶闸管7和阻断晶闸管对8内的损失，所以在高电流回路23工作阶段期间电流下降。因此，在高电流回路23工作阶段期间反复地要求高电流变压器9以正电压供给，以再次将电流置于希望的值。这又通过对于高电流回路23的VSC模块16的短的相应的控制来实现，且可与电流降低的强度相关地进行数次，即在电流降低到特定的不再可接受的预先给定的值以下时。在实施例中，在图3的曲线图中在大约3.8ms和5.6ms时所述控制进行了两次。
为结束待测件的高电流测试，将负电压施加在高电流变压器9的初级侧上。这在实施例中在图3的曲线图中在大约7ms时进行。电流根据以上给出的方程开始下降。只要高电流变压器9的电流降低到0A，则阻断晶闸管7过渡到阻断状态。然后，又通过对于高电压回路22的VSC模块16的相应的控制，从高电压回路22将负电压UVSC,u施加在待测件上。这在实施例中在图3的曲线图中例如在大约7.5ms时进行。
由于负电压，高电压回路22内的电流下降且在短的阻断延迟电流之后达到0A。以此，待测件过渡到阻断状态中，且测试可通过已描述的高电压测试继续。
附图标记列表
1 三相电压源
2 电网阻抗
3 三相变压器
4 换向阻抗
5 六脉冲整流器
6 阻断阀
7 阻断晶闸管
8 阻断晶闸管对
9 高电流变压器
10 换向扼流圈
11 高功率半导体元件
12 饱和扼流阀
13 电阻
14 电容器
15 控制电容器
16 VSC模块
17 充电电阻
18 接地
20 合成的测试电路
21 直流高压源
22 高电压回路
23 高电流回路
24 接头
25 IGBT
26 续流二极管
27 电容器
28 高压源
29 第一系列
30 第二系列
31 接头

Claims (11)

1.一种用于高压直流输电的变流器内的高功率半导体元件(11)的测试电路(20)，所述测试电路包括带有用于高功率半导体元件(11)的接头(31)和能够与高功率半导体元件(11)连接的高压源(28)的高电压回路(22)，
其中所述高压源(28)包括多个在第一系列(29)内连接的电压换向的变流器模块(16)，
其中所述测试电路包括在第二系列(30)内连接的多个电压换向的变流器模块(16)，所述变流器模块能够与高电流变压器(9)的初级侧连接并且其中高电流变压器(9)的次级侧能够与高功率半导体元件(11)连接。
2.根据权利要求1所述的测试电路(20)，其中第二系列(30)与第一系列(29)串联连接。
3.根据权利要求1所述的测试电路(20)，其中各电压换向的变流器模块(16)包括电容器(27)和四个全桥连接的晶体管(25)。
4.根据权利要求3所述的测试电路(20)，其中各晶体管(25)是具有绝缘栅极的双极型晶体管(25)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的测试电路(20)，其中各电压换向的变流器模块(16)设计为用于超过800 V的额定电压和/或超过500 A的额定电流。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的测试电路(20)，其中所述测试电路包括超过十个，优选地超过三十个电压换向的变流器模块(16)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的测试电路(20)，所述测试电路包括电网供电的整流器(5)，所述整流器能够与高压源(28)连接。
8.根据权利要求7所述的测试电路(20)，其中在所述整流器(5)之前连接高压变压器(3)。
9.根据权利要求8所述的测试电路(20)，其中高压变压器(3)设计为用于超过25kV的输出电压。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的测试电路(20)，其中高功率半导体元件(11)是晶闸管(11)。
11.一种用于利用根据权利要求1至10中任一项所述的测试电路(20)测试高功率半导体元件(11)的方法，其中预先给定用于高功率半导体元件(11)的高电压测试的测试过程电压曲线，并且其中预先给定的测试过程电压曲线通过对于在第一系列(29)内的电压换向的变流器模块(16)的控制来模拟，
其中预先给定用于高功率半导体元件(11)的高电流测试的测试过程电流曲线，并且其中预先给定的测试过程电流曲线通过对于在第二系列内的电压换向的变流器模块(16)的控制来模拟。
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