CN111650491A - 飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法 - Google Patents

飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法，该电路包括高压电源Us、电感Ld、放电电阻R与放电开关K；放电电阻R串联放电开关K后与支撑电容Cd并联跨接于支撑电容Cd两端；电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极或中性点与支撑电容Cd负极，高压电源Us与飞跨电容Cf或支撑电容Cd并联。将高压电源Us与飞跨电容Cf并联，电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极，对该飞跨电容的两对称开关管进行双脉冲测试；将高压电源Us与支撑电容Cd并联，电感Ld接于中性点与该支撑电容Cd负极，对与该支撑电容Cd的两对称开关管进行双脉冲测试。该试验电路只需要一个高压电源，不需要带电进行接线操作，使得双脉冲测试简单且具有安全保障。

Description

飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法
技术领域
本发明属于多电平变换器技术领域，尤其涉及一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法。
背景技术
随着储能技术在电动汽车、轨道交通、光伏、风电等领域的广泛应用，DC-DC变换器的功率和电压等级也越来越高，传统的两电平电路在成本、体积、重量等方面受到诸多限制，而飞跨电容多电平电路因其可以使用成本更低的器件实现更高的开关频率而受到越来越多的重视，但多电平电路相比于传统的两电平电路更加复杂，这也就使得飞跨电容多电平电路在研发以及生产时的双脉冲测试更加困难。以飞跨电容式三电平电路为例，图1为单相飞跨电容三电平电路拓扑结构，Q1、Q2组成上桥臂，Q3、Q4组成下桥臂，Cf为飞跨电容，Cd为支撑电容；开关管Q1、Q4互补工作，开关管Q2、Q3互补工作，Q1、Q2相位相差180°，由于飞跨电容的存在，开关管Q1在每次开通关断的过程中所承受的最高电压是支撑电容Cd电压与飞跨电容Cf电压的差值，电路正常工作时，飞跨电容上的电压Vcf＝1/2Vdc。
双脉冲试验的主要目的是为了验证开关管的功能是否正常，并且测试开关管开关时的各项参数是否正常。若按照两电平电路双脉冲试验的思路，对飞跨电容三电平电路进行双脉冲试验则需要飞跨电容和支撑电容分别充电到额定电压，这种方式需要用两台高压电源或者是先后给飞跨电容和支撑电容进行充电，但采用两台高压电源的方案需要设备较多，而飞跨电容和支撑电容先后充电的方式则需要带电进行接线操作，造成安全隐患。因此，本发明通过分析飞跨电容多电平电路的开关特性以及电路的基本构造，提出一种等效的双脉冲试验电路与试验方法。
发明内容
本发明在现有两电平电路双脉冲试验的基础上针对飞跨电容多电平电路，提供了一种跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路及方法，采用单个高压电源，且不需要带电进行接线操作。
为了实现上述目的，本发明提供了一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，包括N个串联开关管组成的单相飞跨电容多电平电路，N为偶数，N≥4，上下桥臂最外侧两对称开关管之间跨接支撑电容Cd，其余两对称开关管之间跨接飞跨电容Cf；试验电路还包括高压电源Us、电感Ld、放电电阻R与放电开关K；
放电电阻R串联放电开关K后与支撑电容Cd并联跨接于支撑电容Cd两端；
电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极或中性点与支撑电容Cd负极，高压电源Us与飞跨电容Cf或支撑电容Cd并联。
优选的，所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路，包括依次串联的开关管Q1、Q2、Q3、Q4，飞跨电容Cf跨接于开关管Q2、Q3两端，支撑电容Cd跨接于开关管Q1、Q4两端；
高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于飞跨电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极时，试验电路用于对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试；高压电源Us与支撑电容Cd并联接于支撑电容Cd两端，且电感Ld接于中性点与支撑电容Cd负极时，试验电路用于对开关管Q1、Q4进行双脉冲测试。
优选的，若开关管Q3、Q4为二极管状态时，三电平电路为BUCK电路；若开关管Q1、Q2为二极管状态时，三电平电路为Boost电路。
优选的，所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式五电平电路或飞跨电容式七电平电路。
优选的，开关管采用IGBT管或MOS管。
本发明还提供了一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验方法，采用所述的飞跨电容多电平装置的等效简化双脉冲试验电路，包括：
将高压电源Us与待测两对称开关管上跨接的飞跨电容Cf并联，电感Ld接于中性点与该飞跨电容Cf负极，对该待测两对称开关管进行双脉冲测试：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电；
将高压电源Us与支撑电容Cd并联，电感Ld接于中性点与该支撑电容Cd负极，对与支撑电容Cd连接的两对称开关管进行双脉冲测试：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时停止充电；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
优选的，若所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路时，将高压电源Us与支撑电容Cd并联接于支撑电容Cd两端，且电感Ld接于中性点与支撑电容Cd负极，对开关管Q1、Q4进行双脉冲测试：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，此时高压电源Us与飞跨电容Cf之间并不存在回路，故飞跨电容Cf的电压始终为0，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时，停止升压；利用外部信号触发开关管Q1，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q4的反并联二极管电流ID4、开关管Q1的集电极电流Ic1、以及开关管Q1两端的电压；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
优选的，若所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路时，将高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于飞跨电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极，对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电，此时支撑电容Cd也同时被充电，开关管Q2和Q3相当于一个两电平的半桥结构；利用外部信号触发开关管Q2，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q3的反并联二极管电流ID3、开关管Q2的集电极电流Ic2、以及开关管Q2两端的电压；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd以及飞跨电容Cf进行放电。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明针对飞跨电容式多电平电路，提供了一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，该电路采用高压电源、电感、放电电阻与放电开关；放电电阻串联放电开关后与支撑电容并联，中性点与飞跨电容负极或中性点与支撑电容负极直接串联电感，高压电源与飞跨电容或支撑电容并联。将高压电源与飞跨电容并联，可实现对该飞跨电容跨接的两对称开关管的双脉冲测试；将高压电源与支撑电容并联，可实现对支撑电容跨接的两对称开关管进行双脉冲测试。该试验电路只需要一个高压电源，不需要额外的直流电源，不需要带电进行接线操作，降低了设备投入成本，并且避免的带电操作的风险，从而使得双脉冲测试简单且具有安全保障。
同时，本发明还提供了相应的试验方法，对飞跨电容三电平电路进行等效双脉冲测试时，只需要将高压电源并联至飞跨电容或支撑电容，利用高压电源对飞跨电容或支撑电容充电，使电压达到开关管额定工作电压时停止充电，利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，对待测开关管的各个开关过程参数进行测量。该试验方法使得测试过程可以在较低电压下进行，有效降低了高压带来的危险。同时，该试验电路与试验方法可适用于飞跨电容式三电平、五电平等多电平变换电路，应用范围广。
附图说明
图1为单相飞跨电容式三电平基本电路拓扑结构；
图2为飞跨电容式三电平电路开关动作模式；
图3为电路工作于BUCK降压模式时的各运行状态；
(图a显示状态1，图b显示状态2，图c显示状态3,图4显示状态4)
图4为针对开关管Q1、Q4的双脉冲试验电路；
图5为针对开关管Q2、Q3的双脉冲试验电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明针对飞跨电容多电平逆变器，提供了一种跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，多电平逆变器采用跨电容式，N个开关管串联组成的单相飞跨电容多电平电路，N为偶数，N≥4，上下桥臂最外侧两对称开关管之间跨接支撑电容Cd，其余两对称开关管之间跨接飞跨电容Cf；试验电路还包括高压电源Us、电感Ld、放电电阻R与放电开关K；放电电阻R串联放电开关K后与支撑电容Cd并联跨接于支撑电容Cd两端；电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极或中性点与支撑电容Cd负极，高压电源Us与飞跨电容Cf或支撑电容Cd并联。
采用跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路测试时，若将高压电源Us与待测两对称开关管上跨接的飞跨电容Cf并联，电感Ld接于中性点与该飞跨电容Cf负极，则实现对该待测两对称开关管的双脉冲测试。具体方法为：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，利用放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
同时，若将高压电源Us与支撑电容Cd并联，电感Ld接于中性点与该支撑电容Cd负极，则实现对与支撑电容Cd连接的两对称开关管的双脉冲测试。具体方法为：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，此时高压电源Us与各飞跨电容Cf之间并不存在回路，各飞跨电容Cf的电压始终为0，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时，停止升压；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，利用放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
本发明的试验电路与方法可用于飞跨电容式三电平、五电平、七电平等多电平逆变器的双脉冲试验，只需要利用一台高压电源即可，测试时只需要将高压电源并联至待测试开关管的飞跨电容或支撑电容，不需要带电进行接线操作，从而降低了设备投入成本，并且避免的带电操作的风险。同时，测试时，只需要使待测试开关管的飞跨电容或支撑电容电容的充电电压达到开关管额定工作电压即可，从而使得测试过程可以在较低电压下进行，有效降低了高压带来的危险。
下面以跨电容式三电平逆变器为例，对本发明提供的试验电路与方法进行详细说明：
如图1所示的单相飞跨电容式三电平电路，开关管Q1、Q2、Q3、Q4依次串联，Q1、Q2组成上桥臂，Q3、Q4组成下桥臂，A为中性点，飞跨电容Cf跨接于开关管Q2、Q3两端，支撑电容Cd跨接于开关管Q1、Q4两端，L为斩波电抗。若开关管Q3、Q4为二极管状态时，三电平电路为BUCK电路；若开关管Q1、Q2为二极管状态时，三电平电路为Boost电路。该单相飞跨电容三电平电路的开关动作方式如图2所示，Q1和Q4、Q2和Q3的开关状态相反，而Q1和Q2的开关波形相位相差180°，这样飞跨电容三电平电路共有四种开关状态，如图3所示。由于飞跨电容的存在，开关管Q1在每次开通关断的过程中所承受的最高电压是支撑电容C1与飞跨电容Cf的差值，使得电路中的开关管选型时可以选用耐压等级更低的产品，开关管可选用IGBT管。
根据图2和图3，假设电路工作于BUCK降压模式，即Q1和Q2作为IGBT，而Q3和Q4作为二极管，整个拓扑共有四种工作状态，如图3所示，图a表示状态1、图b表示状态2、图c表示状态3、图d表示状态4，具体的开关状态可以用下表进行描述：
Figure BDA0002538901410000081
Figure BDA0002538901410000091
每种工作状态可以因为开关管Q1或Q2动作的不同而转换为另外两种状态，但是每个IGBT动作时会有对应的二极管发生换流，Q1的IGBT与Q4的反并联二极管是成对动作的，而Q2的IGBT与Q3的反并联二极管是成对动作的，也就是说每次开关管动作时其IGBT和二极管的动作情况与两电平的电路是类似的，只是其动作的开关管所承受的电压是输入电压的一半，因此可以考虑采用等效的方式在只有输入电压一半的情况下进行双脉冲试验。
由于IGBT开通关断以及二极管正向导通和截止与器件本身特性以及驱动电路驱动信号相关，同时也会受到线路杂散电感影响，理论上是杂散电感值越小对开通关断特性影响越小。杂散电感还会在IGBT关断动作发生时导致反向关断电压，其本质就是线路中杂散电感储存的电场能量的释放，各个开关状态下的杂散电感值。从表格1中可以看出状态1和状态4切换时电路中的杂散电感是最大的，只要保证杂散电感最大情况下的电路开关不会产生问题就可以保证其他情况下的安全运行。双脉冲试验的主要目的是为了验证开关管的功能是否正常，并且测试开关管开关时的各项参数是否正常，主要参数有IGBT两端的电压以及流过IGBT和二极管的电流，以及电路的等效串联电感，也就是说只要保证被测试开关管两端的电压为开关管的额定电压即可。根据上述对飞跨电容三电平电路的动作过程分析，在进行Q1和Q4双脉冲试验时令飞跨电容电压为0，并且给支撑电容充电至IGBT额定电压，这样电路中的等效串联电感与正常工作时相同，开关管两端的电压差与正常工作时相同，也就是在简化的电路中实现了额定工况的测试，考虑到Q1和Q4是串联关系，整个回路中的等效串联电感是固定的，故无论动作哪个开关管所产生的关断电压都是相同的，故而可以只针对Q1进行动作测试。而针对Q2和Q3的测试则只对飞跨电容Cf进行充电，然后通过控制Q2动作即可，考虑到Q2和Q3的测试中线路杂散电感从理论角度就会比针对Q1和Q4的试验线路小，此试验主要是验证Q2的开关功能，其反向关断电压必然小于针对Q1和Q4的试验线路。
因此，根据上述对飞跨电容三电平电路的开关特性的分析，可以采用高压电源并联至飞跨电容或支撑电容时，使高压直流供电电压只有额定电压一半的情况下实现对器件的开关特性、等效串联电感等参数的测量。具体为：
如图4所示，将高压电源Us与支撑电容Cd并联接于支撑电容Cd两端，且电感Ld接于中性点与支撑电容Cd负极时，试验电路用于对开关管Q1、Q4进行双脉冲测试。即：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，此时高压电源Us与飞跨电容Cf之间并不存在回路，故飞跨电容Cf的电压始终为0，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时，停止升压；利用外部信号触发开关管Q1，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q4的反并联二极管电流ID4、开关管Q1的集电极电流Ic1、以及开关管Q1两端的电压；闭合放电开关K，利用放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
如图5所示，将高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于飞跨电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极时，试验电路用于对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试。即：将高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于支撑电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极，对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电，此时支撑电容Cd也同时被充电，开关管Q2和Q3相当于一个两电平的半桥结构；利用外部信号触发开关管Q2，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q3的反并联二极管电流ID3、开关管Q2的集电极电流Ic2、以及开关管Q2两端的电压；闭合放电开关K，利用放电电阻R对支撑电容Cd以及飞跨电容Cf进行放电。
因此，对飞跨电容三电平电路进行等效双脉冲测试时，只需要将高压电源并联至飞跨电容或支撑电容，使高压直流供电电压只有额定电压一半的情况下实现对器件的开关特性、等效串联电感等参数的测量，从而使得测试过程可以在较低电压下进行，有效降低了高压带来的危险。同时，只需要一个高压电源，不需要额外的直流电源，不需要带电进行接线操作，降低了设备投入成本，并且避免的带电操作的风险，从而使得双脉冲测试简单且具有安全保障。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，包括N个串联开关管组成的单相飞跨电容多电平电路，N为偶数，N≥4，上下桥臂最外侧两对称开关管之间跨接支撑电容Cd，其余两对称开关管之间跨接飞跨电容Cf；其特征在于，试验电路还包括高压电源Us、电感Ld、放电电阻R与放电开关K；
放电电阻R串联放电开关K后与支撑电容Cd并联跨接于支撑电容Cd两端；
电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极或中性点与支撑电容Cd负极，高压电源Us与飞跨电容Cf或支撑电容Cd并联。
2.根据权利要求1所述的飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，其特征在于，所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路，包括依次串联的开关管Q1、Q2、Q3、Q4，飞跨电容Cf跨接于开关管Q2、Q3两端，支撑电容Cd跨接于开关管Q1、Q4两端；
高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于飞跨电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极时，试验电路用于对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试；高压电源Us与支撑电容Cd并联接于支撑电容Cd两端，且电感Ld接于中性点与支撑电容Cd负极时，试验电路用于对开关管Q1、Q4进行双脉冲测试。
3.根据权利要求2所述的飞跨电容多电平装置的等效简化双脉冲试验电路，其特征在于，若开关管Q3、Q4为二极管状态时，三电平电路为BUCK电路；若开关管Q1、Q2为二极管状态时，三电平电路为Boost电路。
4.根据权利要求1所述的飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，其特征在于，所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式五电平电路或飞跨电容式七电平电路。
5.根据权利要求1-4任一项所述的飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验电路，其特征在于，开关管采用IGBT管或MOS管。
6.一种飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的飞跨电容多电平装置的等效简化双脉冲试验电路，包括：
将高压电源Us与待测两对称开关管上跨接的飞跨电容Cf并联，电感Ld接于中性点与该飞跨电容Cf负极，对该待测两对称开关管进行双脉冲测试：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电；
将高压电源Us与支撑电容Cd并联，电感Ld接于中性点与该支撑电容Cd负极，对与支撑电容Cd连接的两对称开关管进行双脉冲测试：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时停止充电；利用外部信号触发待测开关管，得到两个脉冲的电压电流信号，并且对待测开关管的各个开关过程参数进行测量；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
7.根据权利要求6所述的飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验方法，其特征在于，若所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路时，将高压电源Us与支撑电容Cd并联接于支撑电容Cd两端，且电感Ld接于中性点与支撑电容Cd负极，对开关管Q1、Q4进行双脉冲测试：利用高压电源Us给支撑电容Cd进行充电，此时高压电源Us与飞跨电容Cf之间并不存在回路，故飞跨电容Cf的电压始终为0，当支撑电容Cd电压达到开关管的额定电压时，停止升压；利用外部信号触发开关管Q1，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q4的反并联二极管电流ID4、开关管Q1的集电极电流Ic1、以及开关管Q1两端的电压；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd和飞跨电容Cf进行快速放电。
8.根据权利要求6所述的飞跨电容多电平逆变器的等效简化双脉冲试验方法，其特征在于，若所述单相飞跨电容多电平电路采用飞跨电容式三电平电路时，将高压电源Us与飞跨电容Cf并联接于支撑电容Cf两端，且电感Ld接于中性点与飞跨电容Cf负极，对开关管Q2、Q3进行双脉冲测试：利用高压电源Us对飞跨电容Cf进行充电，当电压达到开关管额定工作电压时停止充电，此时支撑电容Cd也同时被充电，开关管Q2和Q3相当于一个两电平的半桥结构；利用外部信号触发开关管Q2，得到两个脉冲的电压电流信号，测量开关管Q3的反并联二极管电流ID3、开关管Q2的集电极电流Ic2、以及开关管Q2两端的电压；闭合放电开关K，放电电阻R对支撑电容Cd以及飞跨电容Cf进行放电。
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