CN107167676B - 一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法，该方法不依赖高带宽电流测量设备，通过双脉冲电路测试IGBT集射极两端电压v_ce、续流二极管两端电压v_d，以及负载电感上的负载电流i_L，采用积分方法计算获得变换器装置直流母排杂散电感；利用暂态过程中IGBT器件与二极管暂态过程电压电流的特性，能够准确获取积分计算区间。本发明可以在不使用高带宽电流探头的情况下，保证直流母排杂散参数提取结果仍然具有高精度。

Description

一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法

技术领域

本发明涉及电子电力变换器技术领域，具体涉及一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法。

背景技术

高压大容量电力电子变换器在工业应用中的需求日益广泛，大功率变换器和器件都处在快速发展的阶段。而在大容量变换器中，直流母排的杂散电感值很大，与IGBT器件关断时较高的电流变化率相互作用，在IGBT器件上引起电压尖峰，引起器件过压损耗、损耗增加、EMI等一系列问题。因此，设计低杂散电感的母排成为变换器结构设计中需要关注的问题。为了优化直流母排结构，首先需要准确提取杂散电感。

目前提取杂散电感主要有两类方法，计算法和实验法。计算法是指根据母排结构，利用电磁场理论计算杂散电感值，包括解析计算法，有限元方法，部分元等效电路法等等。实验法是利用器件瞬态过程和杂散参数之间的相互关系来提取杂散参数。传统的微分法通过测试电路测试瞬态过程中IGBT器件上的电压电流波形，然后利用杂散电感值等于电感上的压降除以杂散电感上的电流变化率这一关系计算杂散电感值。这种方法需要对瞬态过程中电流波形进行微分计算，其精度随电流测量带宽下降明显下降，且计算结果随工况发生变化。积分法用积分运算代替了微分运算，降低了提取方法对电流线性度的依赖，精度相对更高。这两种实验方法共同的不足之处在于：1、需测量IGBT器件的集电极电流，可能需要对变换器结构进行改动，2、提取结果的精确度都依赖于高带宽的电流测量设备。与高带宽电压探头相比，高带宽的电流探头价格非常昂贵，测量成本很高，3、为保证结果的精确度，要求电压电流探头具有较高的同步性，实施复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，利用电力电子器件瞬态电压电流波形来提取直流母排杂散参数时，依赖高带宽的电流测量设备和电压电流测量设备之间的同步性来保证其精确度，测量成本很高。

为此，本发明提供了一种不依赖高带宽电流测量设备的电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用被测变换器直流母排搭建双脉冲测试电路，

所述的测试电路包括依次串联的直流母线电容、直流母排、上管IGBT，下管IGBT构成，负载电感与下管IGBT并联；

对上管IGBT发送双脉冲驱动信号，测量上桥臂IGBT器件在一定电流下开通暂态过程中的电压电流波形；

所述的电压电流波形包括：上管IGBT集射极两端电压v_ce、下管续流二极管两端电压v_d，以及负载电感上的负载电流i_L；

所述测试过程中下管IGBT可靠关断，其反并联二极管起续流作用；

步骤2、根据步骤1中测量得到的波形数据，按公式(1)

计算直流母线电容的杂散电感L_sc和直流母排的杂散电感L_sb之和；

其中积分区域的选取，积分起始时刻t_s选取为从上管IGBT关断稳态到上管IGBT集射极电压v_ce从直流母线电压开始下降之前的时刻，积分终止时刻t_e为续流二极管两端电压v_d从0开始上升的时刻，或选取为IGBT稳定开通以后的时刻，即上管IGBT集射极电压v_ce和二极管两端电压v_d都处于稳定状态的时刻；

步骤3、将步骤2中得到的总杂散电感值减去直流母线电容的杂散电感值L_sc，即得到直流母排的杂散电感值L_sb。

进一步，步骤3中所述总杂散电感值包括直流母线电容的杂散电感值L_sc，直流母排的杂散电感值L_sb，和上管IGBT引线的杂散电感L_st和下管的杂散电感L_sd。

本发明的有益效果：

1、实验测量过程中不需要测量IGBT集电极电流，避免了测量电流时对变换器与直流母排的连接结构进行改动。

2、提取得到的杂散电感的精确度不依赖于高带宽的电流测量设备，可以使用较低带宽的电流探头测量负载电流，极大降低测量成本。

3、利用IGBT器件与二极管暂态过程电压的特征，能够准确地确定积分区间，保证结果精确度。

4、提取得到的杂散电感的精确度不依赖于电压电流探头之间的同步性，简化实验测量过程。

附图说明

图1是本发明的测试电路原理图；

图2是本发明中IGBT开通暂态测试波形示意图；

图3是本发明的实施例的IGBT开通暂态实验波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种不依赖高带宽电流测量设备的电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法，具体包括以下步骤：

步骤1、用被测变换器直流母排搭建双脉冲测试电路，

所述的测试电路如图1所示，包括依次串联的直流母线电容C_dc、直流母排、上管IGBT(T1)，下管IGBT(T2)，负载电感L_load与下管IGBT相并联。测试过程中下管IGBT可靠关断，仅其反并联二极管起续流作用。

对上管IGBT发送双脉冲驱动信号，测量上桥臂IGBT器件在一定电流下开通暂态过程中的电压电流波形；实施波形包括上管IGBT集射极两端电压v_ce、下管续流二极管两端电压v_d，以及负载电感上的负载电流i_L。

其中，由于负载电感较大，负载电流i_L在暂态过程中几乎保持不变，因此测量负载电流i_L可以不必使用高带宽的电流测量设备。

步骤2、图2是本发明中IGBT开通暂态测试波形示意图。

IGBT开通的动态过程可以分为六个阶段，如图2所示。由于直流母线电容值很大，暂态过程中可认为电容电压不发生变化。

t₀时刻向上管IGBT驱动发送开通信号，t₁时刻IGBT栅极电压达到阈值，上管IGBT集电极电流i_c开始快速上升。t₂时刻，上管IGBT集电极电流i_c上升到负载电流，此时i_c与i_L相等，二极管开始进入反向恢复阶段，因此i_c由于二极管反向恢复继续上升，二极管电压v_d从0开始上升。

t₃时刻，i_c达到最大值，二极管电压v_d达到直流母线电压值。

t₃-t₆，二极管反向恢复电流从最大值开始减小，i_c从最大值逐步下降稳定到负载电流值i_L，v_ce由于栅极电容的性质逐渐下降到开通稳态电压。因此，t₆时刻以及之后的稳定开通阶段，同样可以保证i_c与i_L相等。

根据电感L_sb和L_sc两端电压和流过电感的电流i_c之间的关系，有公式(2)

由于电容两端电压在暂态过程中近似不变，可以用IGBT关断时的电压v_ce(t_s)来代替，其中t_s为从上管IGBT关断稳态到上管IGBT集射极电压v_ce从直流母线电压开始下降之前的时刻。

所以

从t_s时刻到t_e时刻，对公式两边做积分，得到公式(4)

由于t_s时刻IGBT还未开通，此时i_c(t_s)为零；

将积分终止时刻t_e选取为续流二极管两端电压v_d从0开始上升的时刻，或选取为IGBT稳定开通以后的时刻，即上管IGBT集射极电压v_ce和二极管两端电压v_d都处于稳定状态的时刻，根据之前的分析，有i_c(t_e)＝i_L(t_e)，即可以测量负载电流来代替集电极电流。

整理得到公式(1)

根据步骤1中测量得到的波形数据，计算得到直流母线电容的杂散电感L_sc和直流母排的杂散电感L_sb之和。

其中积分区域的选取，积分起始时刻t_s选取为从上管IGBT关断稳态到上管IGBT集射极电压v_ce从直流母线电压开始下降之前的时刻，积分终止时刻t_e为续流二极管两端电压v_d从0开始上升的时刻，或选取为IGBT稳定开通以后的时刻，即上管IGBT集射极电压v_ce和二极管两端电压v_d都处于稳定状态的时刻。

步骤3、将步骤2中得到的总杂散电感值减去直流母线电容的杂散电感值L_sc，即得到直流母排的杂散电感值L_sb。电路中的杂散电感值包括直流母线电容的杂散电感值L_sc，直流母排的杂散电感值L_sb，和上管IGBT引线的杂散电感L_st，下管的杂散电感L_sd。

实施例1

将本发明的方法，应用于提取一台实际的单相两电平变换器的直流母排杂散电感参数。该变换器中使用4500V/3000A的IGBT器件。在直流母线电压约2500V，负载电流约2800A的条件下进行双脉冲实验，图3是本发明的实施例的IGBT开通暂态实验波形图。为了与传统方法进行比较，在测量负载电流的同时还使用了高带宽的电流探头对IGBT集电极电流i_c进行了测量。应用本发明的方法提取该变换器的直流母排杂散电感，选择积分终止时刻t_e为续流二极管两端电压v_d从0开始上升的时刻，得到直流母排杂散电感值为478nH；选择积分起始时刻积分终止时刻t_e为IGBT稳定开通以后的时刻，得到直流母排杂散电感值为466nH。采用带宽为10MHz的高带宽电流探头测量IGBT集电极电流的积分法的提取结果得到直流母排的杂散电感值为461nH，这几种方法所得结果相对误差在4％以下。说明本发明提供的方法可以在不使用高带宽电流探头的情况下，保证测量直流母排杂散参数提取结果仍然具有高精度。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法，其特征在于，不依赖高带宽电流测量设备，包括以下步骤：

步骤1、用被测变换器直流母排搭建双脉冲测试电路，

所述的测试电路包括依次串联的直流母线电容、直流母排、上管，下管，以及与下管并联的负载电感；

其中上管包含上管IGBT和与其并联的上管反并联二极管；

其中下管包含下管IGBT和与其并联的下管反并联二极管；

对上管IGBT发送双脉冲驱动信号，测量上管在一定电流下开通暂态过程中的电压电流波形；

所述的电压电流波形包括：上管IGBT集射极两端电压v_ce、下管反并联二极管两端电压v_d，以及负载电感上的负载电流i_L；

测试过程中上管反并联二极管不导通，下管IGBT可靠关断，仅上管IGBT和下管反并联二极管起作用；

步骤2、根据步骤1中测量得到的波形数据，按公式(1)

计算直流母线电容的杂散电感L_sc和直流母排的杂散电感L_sb之和；

其中积分区域的选取，积分起始时刻t_s选取为从上管IGBT关断稳态到上管IGBT集射极两端电压v_ce从直流母线电压开始下降之前的时刻，积分终止时刻t_e为下管反并联二极管两端电压v_d从0开始上升的时刻，或选取为上管IGBT稳定开通以后的时刻，即上管IGBT集射极两端电压v_ce和下管反并联二极管两端电压v_d都处于稳定状态的时刻，t₁是IGBT栅极电压达到阈值的时刻；

步骤3、将步骤2中得到的总杂散电感值减去直流母线电容的杂散电感值L_sc，即得到直流母排的杂散电感值L_sb。