CN108169666A - 一种大电流关断特性测试装置 - Google Patents

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    • G01R31/3271—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of high voltage or medium voltage devices
    • G01R31/3272—Apparatus, systems or circuits therefor

Abstract

本发明公开一种大电流关断特性测试装置。所述装置包括：电容模块、负载模块和保护模块；电容模块、负载模块与被测器件形成串联闭合回路；电容模块与负载模块配合产生测试电流；测试电流为被测器件的额定电流值的数倍；被测器件为全控型器件；保护模块与被测器件并联，保护模块的额定电流大于测试电流，保护模块在投入后流过被测器件的电流迅速下降。本发明提供的大电流关断特性测试装置能够在被测器件不损坏的前提进行大电流(超过被测器件额定电流值数倍)情况下的双脉冲测试。

Description

一种大电流关断特性测试装置
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，特别是涉及一种大电流关断特性测试装置。
背景技术
高压直流输电以交流输电不可替代的优点，在远距离大功率输电和交流系统的非同步联络等方面得到广泛的应用。高压直流断路器是高压直流电网中的重要设备。近年来随着基于全控型半导体器件的混合式高压直流断路器的发展，全控型半导体器件(如IGCT、IGBT等)的工作性能愈发引起业界关注。上述断路器依靠全控型半导体器件分断数值很大的故障电流，所以器件关断大电流的能力对直流断路器的性能有着重要影响。
全控型半导体器件的传统应用场合是在很短的时间内反复开关不超过额定值的工作电流，器件工作频率往往为数百赫兹；而应用于高压直流断路器全控型半导体器件的工作次数与断路器分断故障电流的次数一致，故器件工作频率非常低，但单次需要关断额定值电流数倍甚至十几倍的大电流，可见研究半导体器件的大电流关断能力对于高压直流断路器的发展有着重要意义。
针对全控型半导体器件的电流关断能力，目前已有很多采取热循环或功率循环等测试方法的研究；但这些研究往往针对的是器件的传统工况，即短时间内反复开关近似等于额定值的电流，但目前很少有研究将高压直流断路器工况作为重心。
双脉冲测试是研究全控型半导体器件工作特性的经典测试方法，双脉冲测试可以充分研究器件的开关特性及感性负载上续流二极管反向恢复过程对被测器件的影响，但以往双脉冲法的测试电流往往在被测器件额定范围之内，为研究高压直流断路器工况下全控型半导体器件的开关特性，需要进行大电流情况下的双脉冲测试，此时测试电流已超过器件额定范围，故需要采取相应的保护措施。
综上，需要建立保护功能的高压直流断路器全控型半导体器件大电流关断特性测试系统，在保证器件不损坏的前提下进行大电流双脉冲测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种大电流关断特性测试装置，在保证全控型半导体器件不损坏的前提下进行大电流双脉冲测试。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种大电流关断特性测试装置，所述装置包括：电容模块、负载模块和保护模块；
所述电容模块、所述负载模块与被测器件形成串联闭合回路；所述电容模块与所述负载模块配合产生测试电流；所述测试电流为所述被测器件的额定电流值的数倍；所述被测器件为全控型器件；
所述保护模块与所述被测器件并联，所述保护模块的额定电流大于所述测试电流，所述保护模块在投入后流过所述被测器件的电流迅速下降。
可选的，所述装置还包括：开关模块；
所述开关模块一端与所述电容模块连接，所述开关模块的另一端与所述负载模块连接；所述被测器件的一端与所述负载模块连接，所述被测器件的另一端与所述电容模块连接，所述开关模块的额定电流大于所述测试电流。
可选的，所述电容模块包括：电容器、直流电源和放电电阻；
所述电容器与所述放电电阻并联后与所述直流电源串联。
可选的，所述电容模块还包括：第一机械开关和第二机械开关；
所述第一机械开关的一端连接所述直流电源，所述第一机械开关的另一端连接所述开关模块的一端；所述第二机械开关与所述放电电阻串联后与所述电容器并联。
可选的，所述负载模块包括：电感和二极管；所述二极管与所述电感并联；所述二极管的阴极与所述开关模块连接，所述二极管的阳极与所述被测器件连接。
可选的，所述开关模块包括：一个或多个并联的全控型器件。
可选的，所述保护模块包括：一个或多个并联的全控型器件。
可选的，所述全控型器件为IGBT或IGCT。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的大电流关断特性测试装置，在被测器件两端并联保护模块，保护模块的额定电流大于所述测试电流，所述保护模块在投入后流过所述被测器件的电流迅速下降，能够在被测器件不损坏的前提进行大电流(超过被测器件额定电流值数倍)情况下的双脉冲测试。
本发明提供的测试装置的结构相对简洁，保护模块由一个或多个并联的全控型器件构成，因此保护功能的实现不依赖于高灵敏度的电气量捕捉设备。
本发明提供的测试装置适用于多种全控型半导体器件的测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明大电流关断特性测试装置的实施例1的结构图；
图2为本发明大电流关断特性测试装置的实施例2的结构图；
图3为本发明大电流关断特性测试装置的实施例3的结构图；
图4为本发明大电流关断特性测试装置测试波形图；
图5为本发明大电流关断特性测试装置实施例2和实施例3的工作流程图；
图6为本发明大电流关断特性测试装置实施例2和实施例3的工作时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种大电流关断特性测试装置，在保证全控型半导体器件不损坏的前提下进行大电流双脉冲测试。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明大电流关断特性测试装置的实施例1的结构图；如图1所示，所述装置包括：电容模块1、负载模块2和保护模块3；
电容模块1、负载模块2与被测器件4形成串联闭合回路；保护模块3与被测器件4并联。被测器件4为全控型器件。
电容模块1与负载模块2配合产生测试电流；测试电流为被测器件的额定电流值的数倍；保护模块3的额定电流大于测试电流，保护模块3在投入后流过被测器件4的电流迅速下降，起到保护被测器件的作用。
可选的，保护模块由一个或多个并联的全控型器件组成。
在一次大电流双脉冲试验前，我们无法预知器件在关断过程中是否会失效，故均投入保护模块分流以保护器件。一次试验后，观察在给被测器件4关断信号后且在保护模块3导通前，这一时间段内的被测器件4的电流波形，可知否发生失效。这种方法不是利用高灵敏度的故障特征量捕捉设备捕捉到故障特征量后再投入保护模块，可以避免由于捕捉设备灵敏性与速动性问题而引起的保护方案失灵。
实施例2
图2为本发明大电流关断特性测试装置的实施例2的结构图；如图2所示，所述装置包括：电容模块1、负载模块2、保护模块3和开关模块5；
电容模块1、负载模块2、开关模块5与被测器件4形成串联闭合回路；保护模块3与被测器件4并联.。被测器件4为全控型器件。
电容模块1与负载模块2配合产生测试电流；测试电流为被测器件的额定电流值的数倍；保护模块3的额定电流大于测试电流，保护模块3在投入后流过被测器件4的电流迅速下降，起到保护被测器件的作用。
开关模块5一端与电容模块1连接，开关模块5的另一端与负载模块2连接；被测器件4的一端与负载模块2连接，被测器件4的另一端与电容模块1连接，开关模块5的额定电流大于测试电流。开关模块5需允许反复多次通测试电流。
开关模块5由一个或多个并联的全控型器件组成。保护模块3由一个或多个并联的全控型器件组成。可选的，全控型器件为IGBT或IGCT。
保护模块3满足通流要求即可，组成此开关/保护模块的全控型器件可有多种选择，如IGBT或IGCT。保护模块3最主要作用是分流，但由电路方式可知，保护模块3在分流的同时也时被测器件4的电压快速降至低电位，从减小被测器件4承受的电流、电压两方面起到保护效果，但电流是主要考虑的。在给被测器件4发出关断信号后，需要保护模块3经短暂延迟迅速投入(一般是数十纳秒级别的)，这样才能在被测器件出现可能的失效时起到保护作用，其他的分流方式很难满足此速动性要求。
实施例3
图3为本发明大电流关断特性测试装置的实施例3的结构图；如图3所示，所述装置包括：电容器C、直流电源U、放电电阻R、第一机械开关S1、第二机械开关S2、全控型半导体器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，电感L1和二极管D。
其中，电容模块包括：电容器C、直流电源U、放电电阻R、第一机械开关S1和第二机械开关S2。直流电源U与第一机械开关S1串联后与电容器C并联，第二机械开关S2与放电电阻R串联后与电容器C并联。
负载模块包括：电感L1和二极管D；二极管D与电感L1并联。二极管D的阴极与开关模块连接，二极管D的阳极与被测器件连接。
开关模块包括两个并联的全控型半导体器件IGBT1和IGBT2。
保护模块包括两个并联的全控型半导体器件IGBT3和IGBT4。
电容器C的一端与IGBT1的一端连接，电容器C的另一端接地；IGBT1的另一端与电感L1的一端连接，电感L1的另一端与被控器件的一端连接，被控器件的另一端接地；IGBT3与被测器件并联。
被测器件可以是IGBT、IGCT等全控型器件的任一种，开关之路与保护模块也是IGBT或IGCT等全控型器件的任一种即可，没有必要与被测器件类型一致，只需要满足实验电流小于等于开关模块、保护模块的额定电流值即可。其中测试电流对于被测器件而言是可能远超出额定值的大电流，比如测试电流值是10kA，那么可以用一个额定电流为10kA(或以上)的IGBT作为开关模块或保护模块；也可以用两个并联的额定电流为5kA(或以上)的IGBT作为开关模块或保护模块。
由于针对被测器件要做大电流实验，所以测试电流往往大于被测器件的额定值，甚至可达数倍被测器件的额定值。比如对于额定值为5kA的被测器件，我们有可能采用最大幅值为10kA甚至更高的脉冲实验电流，以此研究被测器件的大电流性能。
下面介绍一下本发明的大电流关断特性测试装置实施例2和实施例3的工作原理。
测试前所有的机械开关、半导体器件均处于关断状态。闭合电容模块中的第一机械开关S1，通过直流电源U给电容器C充电。电容电压达到要求后，断开第一机械开关S1。使得直流电源U与系统其他部分电气隔离。
A.导通开关模块。
B.导通被测器件，被测器件电流开始上升。
C.给被测器件施加第一次关断信号，此时被测器件电流停止上升，设此时电流值为I1，被测器件的电流开始下降。需指出，通过参数设计与经验预估，希望被测器件在第一次关断过程中不出现失效情况。
D.在给被测器件施加第一次关断信号后，经过非常短的延时T(一般为数十纳秒级别)导通保护模块。被测器件的电流在下降过程中通过保护模块分流，被测器件的电流下降速率突然增大的时刻说明保护模块已经导通。
E.经一定延时后，关断保护模块，此后负载模块通过二极管D续流。
F.经一定延时后，再次导通被测器件。由于上述二极管D的续流作用，被测器件的电流从一较高数值开始上升。
G.给被测器件施加第二次关断信号，此时被测器件电流停止上升，设此时电流值为I2，被测器件的电流开始下降。由电路中感性负载与续流二极管D的设计方式可知，I2大于I1。
I.在给被测器件施加第二次关断信号后，经过非常短的延时T1(一般为数十纳秒级别)导通保护模块。被测器件的电流在下降过程中通过保护模块分流，被测器件的电流下降速率突然增大的时刻说明保护模块已经导通。
G.关断开关模块。闭合电容模块的第二机械开关，使电容器参与电荷通过发电电阻释放。
进一步，虽然通过参数设计与经验预估在多数情况下可以保证被测器件测试时达到预期效果，但考虑到大电流测试条件下器件可能出现的不稳定情况，在可能出现的各种关断失效情况下测试系统均应有效地起到保护作用。本发明提供的测试系统可以满足此要求。具体如表1所示。
表1
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大电流关断特性测试装置，其特征在于，所述装置包括：电容模块、负载模块和保护模块；
所述电容模块、所述负载模块与被测器件形成串联闭合回路；所述电容模块与所述负载模块配合产生测试电流；所述测试电流为所述被测器件的额定电流值的数倍；所述被测器件为全控型器件；
所述保护模块与所述被测器件并联，所述保护模块的额定电流大于所述测试电流，所述保护模块在投入后流过所述被测器件的电流迅速下降。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：开关模块；
所述开关模块一端与所述电容模块连接，所述开关模块的另一端与所述负载模块连接；所述被测器件的一端与所述负载模块连接，所述被测器件的另一端与所述电容模块连接，所述开关模块的额定电流大于所述测试电流。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电容模块包括：电容器、直流电源和放电电阻；
所述电容器与所述放电电阻并联后与所述直流电源串联。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电容模块还包括：第一机械开关和第二机械开关；
所述第一机械开关的一端连接所述直流电源，所述第一机械开关的另一端连接所述开关模块的一端；所述第二机械开关与所述放电电阻串联后与所述电容器并联。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负载模块包括：电感和二极管；所述二极管与所述电感并联；所述二极管的阴极与所述开关模块连接，所述二极管的阳极与所述被测器件连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关模块包括：一个或多个并联的全控型器件。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护模块包括：一个或多个并联的全控型器件。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述全控型器件为IGBT或IGCT。
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