CN112505542A - 固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了固态开关的电容‑电压、电容‑温度特性测量方法及系统，搭建好固态开关测量电路，使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压，获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后固态开关对应的电容值，多次改变固态开关的设定温度，并给固态开关施加不同大小的设定电压，获取固态开关对应的电容值，最后根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。本发明能够探究固态开关实际运行条件下的电容随温度及电压的变化规律。

Description

固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法及系统

技术领域

本发明属于固态开关技术领域，具体涉及固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法及系统。

背景技术

固态开关，即半导体交流电力控制器(Semiconductor AC Power Controller)，是一种由微控制器和电力电子器件组成的新型开关，通过控制电力电子器件门极的电流或电压，来实现器件的导通和关断，从而完成电路的通断控制。其主要特点是没有可运动的触头部件，导通和关断时不出现电弧或火花，动作速度快，动作次数不受限制，可靠性高，适合快速、防火、防爆等特殊环境使用。

固态开关作为一种动作速度快、使用寿命长且可靠性高的电路通断控制元件，在电力系统已得到较广泛的应用，而当其作为控制元件作用在可控避雷器上时，其自身的电容对避雷器本体的电位分布会造成较大影响，当固态开关并联在可控避雷器本体下端单元时，由于整体电容及杂散电容等发生较大变化，会加剧避雷器本体电位分布不均匀，使得避雷器上端单元的荷电率过大，加速避雷器电阻片老化；由于固态开关中电力电子器件的自身结电容随温度及承压变化而存在较大差异，为了实现避雷器本体电位分布精细化优化，需要获得各种实际运行条件下固态开关电容特性，因此，有必要对固态开关的电容-温度特性及电容-电压特性进行精确的测量探究。

晶闸管器件在大功率电力电子装备中常配有阻尼吸收电容，如直流换流阀中阻尼吸收电容容量为uF级别，各级之间容差为晶闸管结电容量10倍以上，晶闸管器件自身结电容可忽略不计。因此，在大多应用场景下，只需测试晶闸管器件电容变化趋势，而对于容量的测量精度则无需过多关注。

目前，针对晶闸管器件结电容多采用间接法测试，即在晶闸管两端施加恒定变化速率的电压，并测试回路中位移电流，则晶闸管电容可按下式计算：

C＝I/(dv/dt)

间接测试晶闸管器件结电容的方法存在以下缺陷：

(1)间接测试电流然后反推的方法在精确度方面不如直接法；

(2)间接法无法在某个特定电压下测量，仅把计算结果简单等效为升高后电压下晶闸管节电容量。

对于可控避雷器而言，晶闸管没有配备阻尼吸收电容，且其结电容与MOA电阻片电容量相当，将直接影响持续运行电压下可控避雷器电位分布。因此，精确测量晶闸管结电容，是优化设备电位分布的基础，对于设备安全可靠运行具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法及系统，其目的在于探究固态开关实际运行条件下的电容随温度及承压的变化规律，并规范固态开关电容特性的测量方法，对超、特高压避雷器应用固态开关控制单元具有指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，包括：

步骤1：搭建固态开关测量电路；

步骤2：使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度；

步骤3：对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；

步骤4：固态开关对应的电容值；

步骤5：改变步骤2中的设定温度后，执行步骤3和步骤4；

步骤6：执行步骤2至步骤5若干次，根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。

进一步地，步骤1中，所述固态开关测量电路包括标准回路与被试回路，所述标准回路由内置标准电容器和测量线路组成；所述被试回路由固态开关和测量线路组成；所述测量线路由取样电阻、前置放大器和A/D转换器组成。

进一步地，步骤4中，还包括将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止。

进一步地，所述预设偏差为2％。

进一步地，改变固态开关的设定温度时，首先将高于室温的设定温度由低温到高温进行改变，然后将低于室温的设定温度由高温到低温进行改变。

进一步地，将固态开关设置在温度可调的恒温箱中，通过调节恒温箱的温度使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度。

进一步地，采用测温探头实时监测固态开关的温度是否达到设定温度。

固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量系统，包括：

温度设定模块，用于使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，并改变设定温度；

电压设定模块，用于对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；

电容获取模块，用于获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后，固态开关对应的电容值；

函数拟合模块，用于根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；还用于根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。

进一步地，还包括：

电容判断模块，用于将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，搭建好固态开关测量电路后，使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压，获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后固态开关对应的电容值，然后多次改变固态开关的设定温度，并给固态开关施加不同大小的设定电压，获取固态开关对应的电容值，最后根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。可见本发明能够探究固态开关实际运行条件下的电容随温度及电压的变化规律，并规范固态开关电容特性的测量方法，对超、特高压避雷器应用固态开关控制单元具有指导意义。

进一步地，固态开关测量电路包括标准回路与被试回路，标准回路由内置标准电容器和测量线路组成；被试回路由固态开关和测量线路组成；测量线路由取样电阻、前置放大器和A/D转换器组成。通过测量线路分别测得标准回路电流与被试回路电流幅值及其相位差，再由数字信号处理器运用数字化实时采集方法，通过矢量运算得出固态开关试品的电容值，结果具有较高准确性。

进一步地，为排除测量过程中奇异值对结果准确度的影响，将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止，也就是说，通过对多次测量所得电容数据与人为设定的电容基准值求取偏差，保证测量偏差稳定在2％以内，使其结果具有较高可信度。

进一步地，本发明对于环境温度及固态开关温度的设定高效准确，为防止温度变化过程中液化形成水雾干扰测试结果，改变固态开关的设定温度时，首先将高于室温的设定温度由低温到高温进行改变，然后将低于室温的设定温度由高温到低温进行改变，确保固态开关不同温度下电容值不受外界条件干扰。

进一步地，考虑到环境温度与固态开关自身温度间差异，为保证被测固态开关温度与环境温度设定值一致，采用测温探头动态监测固态开关自身温度，排除了由于固态开关温度与环境温度间差异造成的测量误差。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法的流程示意图；

图2为本发明实例中固态开关测量平台的结构示意图；

图3为本发明固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量系统的结构示意图；

图4为本发明实例中固态开关不同温度下的电容-电压特性曲线图(以40℃为例)；

图5为本发明实例中固态开关不同电压下的电容-温度特性曲线图(以3.5kVrms为例)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

作为本发明的某一具体实施方式，如图1所示，本发明一种固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，包括：

步骤1：搭建固态开关测量电路，具体的说，固态开关测量电路包括标准回路与被试回路，标准回路由内置高稳定度标准电容器和测量线路组成；被试回路由固态开关和测量线路组成；测量线路由取样电阻、前置放大器和A/D转换器组成。

具体的，如图2所示，固态开关电容测量平台主要由以下部件构成：220V交流电源、变频电源，升压变压器、标准电容器Cn、测量电路、恒温箱、测温探头、固态开关试品。将固态开关放置在恒温箱试品台上，阳极阴极分别与试品台高、低压端稳定接触，在固态开关表面固定测温探头，连接到测温仪。将测量回路的高压输出端与恒温箱试品台高压端连接，低压端共同接地。

步骤2：使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，具体的说，将固态开关设置在温度可调的恒温箱中，通过调节恒温箱的温度使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度。改变固态开关的设定温度时，首先将高于室温的设定温度由低温到高温进行改变，然后将低于室温的设定温度由高温到低温进行改变。

本实施例中，测量过程中考虑固态开关作为可控元件作用于避雷器上的运行条件，设定恒温箱温度范围为-40℃～80℃，为防止温度变化过程中出现液化形成水雾，且将其完全烘干至原始状态耗时较长，难以精确掌握，对测试结果造成干扰，因此以室温为界，采用“先高后低”的测量原则：首先将高于室温的设定温度逐渐升温，其次将低于室温的设定温度逐渐降温；采用测温探头动态监测固态开关自身温度，升温及降温过程中当固态开关与恒温箱内部温度差较大时，升降温较快，而当温差较小时，温度变化速率较慢，需要1-1.5h将固态开关温度恒定，因此为了提高速率，可以先将温升速率设置为5℃/min，并将目标温度提高5℃裕度(例如：需将固态开关升温至40℃时，将恒温箱目标温度设定为45℃；需将固态开关降温至-40℃时，将恒温箱目标温度设定为-45℃)，在0.5-1.0h后再将温度调至原定目标温度，当测温仪显示固态开关温度与恒温箱设定目标温度保持一致时，便可开始对固态开关施加电压，进行电容-电压特性的测量。

步骤3：对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；具体的，测量过程中考虑固态开关作为可控元件作用于避雷器上的运行条件，设定固态开关测试电压有效值变化范围为0～5kV，通过逐步改变测量回路输出高压，对恒温箱中固态开关施加所需电压。本实施例中，测量回路采用自动变频仪器在外加电压干扰频率50Hz两侧(45Hz和55Hz)各测一个点，进而推算50Hz频率下固态开关电容数据，具有较强抗干扰能力。

步骤4：获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后，固态开关对应的电容值；具体的，在固态开关温度恒定、电压恒定的条件下进行测量，分别测得标准回路电流与被试回路电流幅值及其相位差，再由数字信号处理器运用数字化实时采集方法，通过矢量运算得出固态开关的电容值。

优选的，对多次测量所得电容数据进行偏差分析，也就是说，将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止。优选的，设置预设偏差为2％。

本实施例中，为尽量避免实验过程中外界干扰因素以及测量过程的干扰对结果造成影响，在同一温度及电压下对固态开关电容分别测量三次，以首次测量数据为基准值，计算多次的偏差

若三次中出现1次大于2％的测量数据，则将其舍弃，继续重复测量，直至三次测量偏差满足要求，即认为测量结果较为合理，测量误差控制在一定范围内；若三次中出现2次大于2％的测量数据，则将首次测量数据舍弃，将第二次测量数据作为基准值进行误差标定，继续重复测量，直至三次测量偏差满足要求，取三次平均值作为该温度及电压下的电容值，作为函数拟合的数据来源。

步骤5：改变步骤2中的设定温度后，执行步骤3和步骤4；

步骤6：执行步骤2至步骤5若干次，根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系；

具体的，探究某一温度下固态开关的电容-电压特性时，选定该温度下电容测量数据，将电压作为自变量，固态开关的电容作为因变量，进行函数拟合；探究某一电压下固态开关的电容-温度特性时，选定该电压下电容测量数据，将温度作为自变量，固态开关的电容作为因变量，进行函数拟合。在进行拟合过程中，要求拟合度足够高，拟合度越接近于1，拟合函数对应的精度越高，拟合误差越小。

如图3所示，固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量系统，包括：

温度设定模块，用于使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，并改变设定温度；

电压设定模块，用于对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；

电容获取模块，用于获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后，固态开关对应的电容值；

电容判断模块，用于将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止；设置预设偏差为2％；

函数拟合模块，用于根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；还用于根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。

如图4所示，通过获取40℃下不同设定电压下的固态开关电容值，拟合得到固态开关40℃下的电容-电压特性；如图5所示，通过获取3.5kVrms电压下不同设定温度下的固态开关电容值，拟合得到固态开关3.5kVrms下的电容-温度特性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：搭建固态开关测量电路；

步骤2：使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度；

步骤3：对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；

步骤4：获取固态开关对应的电容值；

步骤5：改变步骤2中的设定温度后，执行步骤3和步骤4；

步骤6：执行步骤2至步骤5若干次，根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。

2.根据权利要求1所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，步骤1中，所述固态开关测量电路包括标准回路与被试回路，所述标准回路由内置标准电容器和测量线路组成；所述被试回路由固态开关和测量线路组成；所述测量线路由取样电阻、前置放大器和A/D转换器组成。

3.根据权利要求1所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，步骤4中，还包括将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止。

4.根据权利要求3所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，所述预设偏差为2％。

5.根据权利要求1所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，改变固态开关的设定温度时，首先将高于室温的设定温度由低温到高温进行改变，然后将低于室温的设定温度由高温到低温进行改变。

6.根据权利要求1所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，将固态开关设置在温度可调的恒温箱中，通过调节恒温箱的温度使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度。

7.根据权利要求1所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量方法，其特征在于，采用测温探头实时监测固态开关的温度是否达到设定温度。

8.固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量系统，其特征在于，包括：

温度设定模块，用于使固态开关测量电路中的固态开关的温度达到设定温度，并改变设定温度；

电压设定模块，用于对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压；

电容获取模块，用于获取对达到设定温度的固态开关施加不同大小的设定电压后，固态开关对应的电容值；

函数拟合模块，用于根据获取的若干设定温度下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与温度之间的函数关系；还用于根据获取的若干设定电压下固态开关对应的电容值，拟合得到固态开关的电容与电压之间的函数关系。

9.根据权利要求8所述的固态开关的电容-电压、电容-温度特性测量系统，其特征在于，还包括：

电容判断模块，用于将获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值比较，若获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差超过预设偏差时，则重新对固态开关施加设定电压，直至获取的固态开关对应的电容值与预设的电容基准值的偏差不超过预设偏差为止。

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