CN113092979B - 一种mmc工况功率半导体器件测试电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法。测试电路中电流模块包括：电压源和多个并联的H桥变换器单元；H桥变换器单元与电压源串联；H桥变换器单元包括：第一二极管、第一电容、H桥变换器及两个桥臂电感；电压源的正极与第一二极管的正极连接，第一二极管的负极与第一电容的一端及H桥变换器的两个桥臂的输入端连接，H桥变换器的两个桥臂的输出端及第一电容的另一端与电压源的负极连接；桥臂中点连接一桥臂电感，两桥臂电感之间串联被测功率半导体器件；电压模块串联在两桥臂电感之间的电流回路；电流控制模块与电流源模块及电压模块连接；电压控制模块与电压模块连接。本发明提高了MMC工况功率半导体器件测试系统的可靠性。

Description

一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术可靠性试验领域，特别是涉及一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法。

背景技术

由于具有控制灵活、效率高、不需要滤波器及易于扩展等优势，模块化多电平换流器成为中高压大功率应用场合的关键装备。高压大容量功率半导体器件是构成模块化多电平换流器的核心部件，为确保换流器长期可靠运行，对功率半导体器件在实际工况中的运行特性进行测试具有重要的意义。

然而现有的测试平台基本针对子模块层级，且由于存在平台本身元件电热应力过高的问题，无法长期运行。因此，亟需一种电热应力较低的可靠性较高的长期运行测试平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法，提高MMC工况功率半导体器件测试系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种MMC工况功率半导体器件测试电路，包括：电流源模块、电流控制模块、电压模块、电压控制模块以及被测功率半导体器件；

所述电流模块包括：多个并联的H桥变换器单元和电压源；每个所述H桥变换器单元均与所述电压源串联；每个所述H桥变换器单元包括：第一二极管、第一电容、H桥变换器以及两个桥臂电感；

所述电压源的正极与所述第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第一电容的一端以及所述H桥变换器的两个桥臂的输入端连接，所述H桥变换器的两个桥臂的输出端以及所述第一电容的另一端均与所述电压源的负极连接；每个所述桥臂中点均连接一所述桥臂电感，两所述桥臂电感之间串联所述被测功率半导体器件；

所述电压模块串联在两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述电流控制模块分别与所述电流源模块以及所述电压模块连接；所述电流控制模块用于将所述电压模块充电至预定电压；所述电流控制模块还用于根据所述被测功率半导体器件的实况电流控制所述电流源模块的电流；

所述电压控制模块与所述电压模块连接。

可选的，所述电流控制模块包括：PI控制器和滞环比较器；

所述PI控制器用于确定所述电压模块到达预定电压所需的电流；

所述滞环比较器用于根据所述电流源模块的电流跟踪所述被测功率半导体器件的实况电流。

可选的，所述被测功率半导体器件包括：被测IGBT器件以及被测Diode器件；

所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路。

可选的，所述电压模块包括：第二二极管、第二电容、IGBT器件、第一开关、第二开关以及放电支路；所述第一开关和所述第二开关均带有反并联二极管；所述第一开关和所述第二开关串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述第二二极管与所述被测IGBT器件反并联；所述IGBT器件与所述被测Diode器件反并联；所述第二二极管与所述IGBT器件串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述第二电容的一端分别与所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件之间的电路以及所述第二二极管与所述IGBT器件之间的电路连接；所述第二电容的另一端与所述第一开关和所述第二开关之间的电路连接；

所述电压控制模块分别与所述IGBT器件、所述第一开关和所述第二开关连接；所述电压控制模块用于根据所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件的开关时序动作控制所述IGBT器件、所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作；

所述放电支路的一端与所述第一开关和所述第二开关之间的电路连接；所述放电支路的另一端与所述第二二极管与所述IGBT器件之间的电路连接。

可选的，在不进行第二电容电压控制时，所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作相同；并且所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作与所述被测IGBT器件的开关时序动作以及所述IGBT器件的开关时序动作相反。

可选的，所述第一开关和所述被测功率半导体器件的开关切换过程与所述第二开关和所述IGBT器件的开关切换过程存在死区。

一种MMC工况功率半导体器件测试电路控制方法，用于控制所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，所述控制方法包括：

获取所述电压模块的预定电压、所述被测功率半导体器件的实况电流以及所述被测功率半导体器件中被测IGBT器件的测试开关时序；

在启动阶段，利用电流控制模块将所述电压模块充电至所述预定电压；

在试验阶段，根据所述被测功率半导体器件的实况电流控制所述电流源模块的电流，进而确定每个H桥变换器中四个IGBT的开关时序；

获取桥臂电流以及所述被测功率半导体器件的状态；

当所述被测功率半导体器件的状态为关断且所述桥臂电流为负时，控制第二开关关断，IGBT器件导通，使电流反向流过第二电容；

获取所述第二电容的电压；

当所述第二电容的电压小于或等于电压阈值时，控制所述IGBT器件关断，所述第二开关导通。

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：

本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法，利用多个H桥变换器并联，降低了H桥变换器中IGBT器件上流过的电流，进而降低了由开关损耗带来的热应力，提高了H桥变换器的可靠性。使H桥变换器电源电压降低到仅为被测功率半导体器件开关电压的几十分之一，有效降低了H桥变换器中IGBT器件的开关电压降低，进而降低了由开关损耗带来的热应力，提高H桥变换器的可靠性。

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为本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路结构示意图；

图2为本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路的拓扑示意图；

图3为本发明所提供的电流控制模块拓扑示意图；

图4为本发明所提供的电压控制模块拓扑示意图；

图5为本发明所提供的本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路的扩展示意图。

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MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法，提高MMC工况功率半导体器件测试的系统可靠性。

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。

图1为本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路结构示意图，图2为本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路的拓扑示意图，如图和图2所示，本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，包括：电流源模块2、电流控制模块1、电压模块4、电压控制模块5以及被测功率半导体器件3。

所述电流模块包括：多个并联的H桥变换器单元和电压源V_DC；每个所述H桥变换器单元均与所述电压源V_DC串联；每个所述H桥变换器单元包括：第一二极管、第一电容(如图2中C1、C2、...Cn)、H桥变换器以及两个桥臂电感。

其中，电压源通过第一二极管向第一电容补能。第一二极管的作用有两个：第一，防止桥臂电流反向注入补能电压源；第二，切断多个H桥变换器之间的环流回路，使得每个H桥变换器输出电流接近一致。

作为一个具体的实施例，桥臂电感可以为一个电感和寄生电阻串联；如图2中的L_1，i以及R_L1，i。

所述电压源的正极与所述第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第一电容的一端以及所述H桥变换器的两个桥臂的输入端连接，所述H桥变换器的两个桥臂的输出端以及所述第一电容的另一端均与所述电压源的负极连接；每个所述桥臂中点均连接一所述桥臂电感，两所述桥臂电感之间串联所述被测功率半导体器件3；

所述电压模块4串联在两所述桥臂电感之间的电流回路。

所述电流控制模块1分别与所述电流源模块2以及所述电压模块4连接；所述电流控制模块1用于将所述电压模块4充电至预定电压；所述电流控制模块1还用于根据所述被测功率半导体器件3的实况电流控制所述电流源模块2的电流。

所述电压控制模块5与所述电压模块4连接。

图3为本发明所提供的电流控制模块1拓扑示意图，如图3所示，本发明所提供的所述电流控制模块1包括：PI控制器和滞环比较器。

所述PI控制器用于确定所述电压模块4到达预定电压所需的电流；

所述滞环比较器用于根据所述电流源模块2的电流跟踪所述被测功率半导体器件3的实况电流。

即电流控制模块1的作用有两个：第一，为电压模块4第二电容充(如图2中的C_d)电到预定电压；第二，使电流源输出被测功率半导体器件3所需要的实际工况电流。第一个作用主要体现在装置启动阶段，第二个作用体现在实际试验过程中。根据测试时序：在启动阶段，将电压模块4的C_d实际电压及设定的C_d电压作为输入，通过PI控制器计算得到充电所需电流；在试验阶段，将试验所需的实际工况电流作为参考电流输入，通过滞环比较器使实际流过被测功率半导体器件3的电流跟踪参考电流，从而产生H桥四个IGBT的开关时序。

所述被测功率半导体器件3包括：被测IGBT器件以及被测Diode器件。所述被测IGBT器件为MMC换流阀的子模块中下管IGBT器件。

所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路。

如图5所示，所述电压模块4包括：第二二极管D₁、第二电容C_d、IGBT器件T₂、第一开关T_D1、第二开关T_D2以及放电支路；所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2均带有反并联二极管；所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路。

所述第二二极管D₁与所述被测IGBT器件反并联；所述IGBT器件T₂与所述被测Diode器件反并联；所述第二二极管D₁与所述IGBT器件T₂串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路。

所述第二电容C_d的一端分别与所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件之间的电路以及所述第二二极管D₁与所述IGBT器件T₂之间的电路连接；所述第二电容C_d的另一端与所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2之间的电路连接。

所述电压控制模块5分别与所述IGBT器件T₂、所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2连接；所述电压控制模块5用于根据所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件的开关时序动作控制所述IGBT器件T₂、所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2的开关时序动作。

所述放电支路的一端与所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2之间的电路连接；所述放电支路的另一端与所述第二二极管D₁与所述IGBT器件T₂之间的电路连接。

在不进行第二电容电压C_d控制时，所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2的开关时序动作相同；并且所述第一开关T_D1和所述第二开关T_D2的开关时序动作与所述被测IGBT器件的开关时序动作以及所述IGBT器件T₂的开关时序动作相反。

即电压控制模块5的作用有两个：第一，在被测功率半导体器件3开关过程中控制T₂、T_D1和T_D2配合被测功率半导体器件3动作；第二，维持电压模块4中的第二电容的电压稳定。电压模块4中的T₂需要配合被测IGBT器件及被测Diode器件开关时序动作，具体来说，在不考虑电容电压平衡问题时，T_D1和T_D2的开关策略一致，且与被测IGBT的及被测Diode反并联的T₂器件相反。在被测IGBT器件及Diode关断时，T_D1和T_D2串联构成的开关支路为桥臂电流提供通路。T_D1和T_D2与被测功率半导体器件3的开关切换过程需要设置死区。

第一开关T_D1和所述被测功率半导体器件3的开关切换过程与所述第二开关T_D2和所述IGBT器件的开关切换过程存在死区。死区的范围为10微秒到几十微秒。

在死区时间内，桥臂电流会为电压模块4的第二电容充电C_d，为保证电压模块4中第二电容C_d的电压的平衡，进而引入第二电容C_d的电压放电过程。

如图5所示，本发明中的电流源模块2可以同时测试多个被测功率半导体器件3，其中每个被测功率半导体器件3连接对应的电压模块4，电压模块4对应连接电压控制模块。

一种MMC工况功率半导体器件测试电路控制方法，用于所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，所述控制方法包括：

S101，获取所述电压模块的预定电压、所述被测功率半导体器件的实况电流以及所述被测功率半导体器件中被测IGBT器件的测试开关时序；

S102，在启动阶段，利用电流控制模块将所述电压模块充电至所述预定电压；

S103，在试验阶段，根据所述被测功率半导体器件的实况电流控制所述电流源模块的电流，进而确定每个H桥变换器中四个IGBT的开关时序；

S104，获取桥臂电流以及所述被测功率半导体器件的状态；

S105，当所述被测功率半导体器件的状态为关断且所述桥臂电流为负时，控制第二开关关断，IGBT器件导通，使电流反向流过第二电容；

S106，获取所述第二电容的电压；

S107，当所述第二电容的电压小于或等于电压阈值时，控制所述IGBT器件关断，所述第二开关导通。

其中，第二电容放电的时间特别短，其在IGBT器件以及第二二极管上产生的损耗热应力的影响可忽略不计。

本发明所提供的一种MMC工况功率半导体器件测试电路及控制方法由于采用多个H桥变换器并联，降低了H桥变换器中IGBT器件上流过的电流，进而降低了由开关损耗带来的热应力，提高了H桥变换器的可靠性。

并且提出了电压模块中电容电压的控制方法，使电压模块可以提供被测功率半导体器件开关过程所需要的高压。

本发明可以使H桥变换器电源电压降低到仅为被测功率半导体器件开关电压的几十分之一，有效降低了H桥变换器中IGBT器件的开关电压降低，进而降低了由开关损耗带来的热应力，提高H桥变换器的可靠性。

本发明所提出的方法可以同时对MMC整流工况中电热应力最严苛的二极管器件和逆变工况中电热应力最严苛的IGBT器件同时考核，且具有良好的扩展性。

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 (5)

1.一种MMC工况功率半导体器件测试电路，其特征在于，包括：电流源模块、电流控制模块、电压模块、电压控制模块以及被测功率半导体器件；

所述电流源模块包括：多个并联的H桥变换器单元和电压源；每个所述H桥变换器单元均与所述电压源串联；每个所述H桥变换器单元包括：第一二极管、第一电容、H桥变换器以及两个桥臂电感；

所述电压源的正极与所述第一二极管的正极连接，所述第一二极管的负极分别与所述第一电容的一端以及所述H桥变换器的两个桥臂的输入端连接，所述H桥变换器的两个桥臂的输出端以及所述第一电容的另一端均与所述电压源的负极连接；每个所述桥臂中点均连接一所述桥臂电感，两所述桥臂电感之间串联所述被测功率半导体器件；

所述电压模块串联在两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述电流控制模块分别与所述电流源模块以及所述电压模块连接；所述电流控制模块用于将所述电压模块充电至预定电压；所述电流控制模块还用于根据所述被测功率半导体器件的实况电流控制所述电流源模块的电流；

所述电压控制模块与所述电压模块连接；

所述被测功率半导体器件包括：被测IGBT器件以及被测Diode器件；

所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述电压模块包括：第二二极管、第二电容、IGBT器件、第一开关、第二开关以及放电支路；所述第一开关和所述第二开关均带有反并联二极管；所述第一开关和所述第二开关串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述第二二极管与所述被测IGBT器件反并联；所述IGBT器件与所述被测Diode器件反并联；所述第二二极管与所述IGBT器件串联接入两所述桥臂电感之间的电流回路；

所述第二电容的一端分别与所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件之间的电路以及所述第二二极管与所述IGBT器件之间的电路连接；所述第二电容的另一端与所述第一开关和所述第二开关之间的电路连接；

所述电压控制模块分别与所述IGBT器件、所述第一开关和所述第二开关连接；所述电压控制模块用于根据所述被测IGBT器件与所述被测Diode器件的开关时序动作控制所述IGBT器件、所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作；

所述放电支路的一端与所述第一开关和所述第二开关之间的电路连接；所述放电支路的另一端与所述第二二极管与所述IGBT器件之间的电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，其特征在于，所述电流控制模块包括：PI控制器和滞环比较器；

所述PI控制器用于确定所述电压模块到达预定电压所需的电流；

所述滞环比较器用于根据所述电流源模块的电流跟踪所述被测功率半导体器件的实况电流。

3.根据权利要求1所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，其特征在于，在不进行第二电容电压控制时，所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作相同；并且所述第一开关和所述第二开关的开关时序动作与所述被测IGBT器件的开关时序动作以及所述IGBT器件的开关时序动作相反。

4.根据权利要求3所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，其特征在于，所述第一开关和所述被测功率半导体器件的开关切换过程与所述第二开关和所述IGBT器件的开关切换过程存在死区。

5.一种MMC工况功率半导体器件测试电路控制方法，用于控制权利要求1-4任意一项所述的一种MMC工况功率半导体器件测试电路，其特征在于，所述控制方法包括：

获取所述电压模块的预定电压、所述被测功率半导体器件的实况电流以及所述被测功率半导体器件中被测IGBT器件的测试开关时序；

在启动阶段，利用电流控制模块将所述电压模块充电至所述预定电压；

在试验阶段，根据所述被测功率半导体器件的实况电流控制所述电流源模块的电流，进而确定每个H桥变换器中四个IGBT的开关时序；

获取桥臂电流以及所述被测功率半导体器件的状态；

当所述被测功率半导体器件的状态为关断且所述桥臂电流为负时，控制第二开关关断，IGBT器件导通，使电流反向流过第二电容；

获取所述第二电容的电压；

当所述第二电容的电压小于或等于电压阈值时，控制所述IGBT器件关断，所述第二开关导通。

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