CN114355143B - 用于igbt特性测试设备的能量泄放与抑制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置和方法，包括：直流支撑电容以及分别与直流支撑电容相连的充电支路和放电支路；所述充电支路上设置有能量源和第一通断阀，所述能量源用于为直流支撑电容充电；所述放电支路包括并联的IGBT测试支路和保护支路；所述IGBT测试支路上设置有IGBT测试电路单元和第二通断阀；所述保护支路上设置有过压抑制单元和检测控制单元，所述检测控制单元通过将检测到的直流支撑电容的电压变化与预设过压抑制泄放规则相比较，来控制过压抑制单元与直流支撑电容之间的通断，进而实现IGBT测试过程中对直流支撑电容的过余电压泄放和能量抑制。本发明可以广泛应用于IGBT技术领域。

Description

用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置和方法

技术领域

本发明属于电路设计领域，尤其是涉及一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置和方法。

背景技术

现代电力电子系统中至关重要的部分即为功率半导体开关器件，其在大功率变流器领域，如电气化铁路变流器、工业电机驱动系统以及海上风电功率变流器等场合都有着广泛应用。功率半导体开关器件中，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)仍占据主导地位，随着其被广泛应用的同时，相关的特性测试设备的使用量也日益增加。

为了实现对IGBT相应功率等级的测试，IGBT特性测试设备必须依赖于能量存储装置，对IGBT的测试过程需要对能量存储装置进行充放电，而能量存储装置通常采用直流支撑电容。在对IGBT的测试过程中，如果发生IGBT故障或者一些其他故障，将会导致直流支撑电容过压而被击穿；另外，在测试完成之后或者测试需要中断时，直流支撑电容上的能量如果没有通过一种可靠并且安全的方法释放，则会对测试人员以及设备维修人员造成人身伤亡，酿成严重的事故。

在现有电力电子系统中，大量使用的方法是通过在直流支撑电容两端并联大功率电阻的方法放电，但是这种方法放电速度慢，并且需要人员主动按下开关进行放电，安全性亟待提高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置和方法，该装置能够自动检测实际工况，实现IGBT特性测试设备中直流支撑电容过余能量的自动泄放，实现了放电自动化和电路能量抑制。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置，其包括：

直流支撑电容以及分别与直流支撑电容相连的充电支路和放电支路；

所述充电支路上设置有能量源和第一通断阀，所述能量源用于为直流支撑电容充电；

所述放电支路包括并联的IGBT测试支路和保护支路；

所述IGBT测试支路上设置有IGBT测试电路单元和第二通断阀；

所述保护支路上设置有过压抑制单元和检测控制单元，所述检测控制单元通过将检测到的直流支撑电容的电压变化与预设过压抑制泄放规则相比较，来控制过压抑制单元与直流支撑电容之间的通断，进而实现IGBT测试过程中对直流支撑电容的过余电压泄放和能量抑制。

进一步，所述检测控制单元包括检测单元和控制驱动单元；

所述检测单元设置在所述直流支撑电容的输出端，用于自动检测所述直流支撑电容的电压变化，并发送到所述控制驱动单元；

所述控制驱动单元包括控制模块和驱动模块，所述控制模块根据接收到的电压变化以及预设过压抑制泄放规则产生触发脉冲信号或恢复信号到所述驱动模块，所述驱动模块用于根据接收到的触发脉冲信号或恢复信号对所述过压抑制单元与所述直流支撑电容的通断状态进行控制。

第二方面，本发明提供一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制方法，包括以下步骤：

对直流支撑电容和IGBT测试电路单元的元件参数进行设计；

测试过程中，获取直流支撑电容的电压变化，并基于直流支撑电容的电压变化值和预设过压抑制泄放规则，对过压抑制单元的通断进行控制，实现对直流支撑电容的过余能量进行自动泄放。

进一步，所述对直流支撑电容和IGBT测试电路单元的元件参数进行设计的方法，包括：

对直流支撑电容的充电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的充电表达式；

对直流支撑电容的放电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的放电表达式；

基于放电表达式，计算得到直流支撑电容的实际电压降幅值百分比；

基于直流支撑电容的实际电压降幅值百分比以及预设第一阈值，得到直流支撑电容以及IGBT测试电路单元中的电感设计参数。

进一步，所述直流支撑电容以及IGBT测试电路单元中的电感设计参数需满足：

其中，C为直流支撑电容容值，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值，L为IGBT测试电路单元中的负载电感值，i为放电电流，x％为预设第一阈值，t₂为放电时间，I₂为IGBT测试电路单元的电流。

进一步，所述预设过压抑制泄放规则为：

当IGBT测试结束或者测试需要中断，能量源与直流支撑电容断开时，若直流支撑电容的电压降幅值百分比超过第一阈值x％，则发送触发脉冲信号到驱动模块；当能量源与直流支撑电容重新连接时，若直流支撑电容的电压降福值百分比跌落至第一阈值x％范围内时，发送恢复信号到驱动模块；

当在测试过程中出现IGBT故障或者其他故障，直流支撑电容出现过电压时，若直流支撑电容的电压超幅值百分比超过第二阈值y％时，则发送触发脉冲信号到驱动模块；若直流支撑电容的电压超幅值百分比跌落至第二阈值y％范围内时，则发送恢复信号到驱动模块。

进一步，所述直流支撑电容的电压降幅值百分比的计算公式为：

式中，L为IGBT测试电路单元中的负载电感值，i为直流支撑电容的放电电流，ΔU为直流支撑电容的电压降幅，C为直流支撑电容的电容值，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值。

进一步，所述直流支撑电容的电压超幅值百分比的计算公式为：

式中，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值，U_peak为所述直流支撑电容上的电压尖峰值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过设置检测控制单元，能够对直流支撑电容的电压变化值进行自动检测，并基于预设的过压抑制泄放规则，对直流支撑电容的能量进行自动泄放和抑制，能够自动检测实际工况，实现自动泄放过余能量，实现了放电自动化，具有高安全性；

2、本发明形成了一种用于IGBT特性测试设备的中间电容放电管理流程，对应于不同等级的测试，可以通过放电管理流程，得到泄放电路的关键参数，为各种需要能量泄放的场合器件参数的计算、选型设计提供指导，适用性强。

因此，本发明可以广泛应用于IGBT测试领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显然，所述附图仅是为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例提供的用于保护IGBT的特性测试设备的装置结构图；

图2是本发明实施例提供的用于保护IGBT的特性测试设备的方法流程图。

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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置，其包括：直流支撑电容以及分别与直流支撑电容相连的充电支路和放电支路。其中，充电支路上设置有能量源和第一通断阀，用于为直流支撑电容充电；放电支路包括并联的IGBT测试支路和保护支路；IGBT测试支路上设置有IGBT测试电路单元和第二通断阀；保护支路上设置有过压抑制单元和检测控制单元，检测控制单元用于通过将检测到的直流支撑电容的电压变化与预设过压抑制泄放规则相比较，来控制第三通断阀也即过压抑制单元与直流支撑电容的通断，进而实现IGBT测试过程中对直流支撑电容的过余电压泄放和能量抑制。

优选地，检测控制单元包括检测单元和控制驱动单元，检测单元设置在直流支撑电容的输出端，用于自动检测直流支撑电容的电压变化，并发送到控制驱动单元；控制驱动单元包括控制模块和驱动模块，控制模块根据接收到的电压变化以及预设过压抑制泄放规则产生触发脉冲信号或恢复脉冲信号到驱动模块，驱动模块用于根据接收到的触发脉冲信号或恢复脉冲信号对过压抑制单元与直流支撑电容的通断状态进行控制，实现对直流支撑电容的过余电压泄放和能量抑制。

实施例2

如图2所示，基于实施例1提供的用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置，本实施例提供一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制方法，其包括以下步骤：

1)对直流支撑电容和IGBT测试电路单元的电感参数进行设计；

2)IGBT测试过程中，获取直流支撑电容的电压变化，并基于直流支撑电容的电压变化值和预设过压抑制泄放规则，对过压抑制单元的通断进行控制，实现对直流支撑电容的过余能量进行自动泄放。

优选地，上述步骤1)中，具体包括以下步骤：

1.1)对直流支撑电容的充电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的充电表达式。

测试开始前，能量源给直流支撑电容充电，满足下式：

其中，V为能量源输出电压，I₁为能量源输出电流，t₁为能量源给直流支撑电容充电的时间，C为直流支撑电容的电容值，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值。

1.2)对直流支撑电容的放电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的放电表达式。

其中，L为IGBT测试电路单元中的负载电感值，i为直流支撑电容的放电电流，ΔU为直流支撑电容的电压降幅，t₂为放电时间。

1.3)基于直流支撑电容的放电表达式，计算得到直流支撑电容的实际电压降幅值百分比。

对式(2)和式(3)进行化简，得到

1.4)基于直流支撑电容的实际电压降幅值百分比以及预设第一阈值，得到直流支撑电容以及IGBT测试电路单元中的电感设计参数。

测试过程中，要求直流支撑电容的实际电压降幅值百分比不超过预设第一阈值，也即直流支撑电容和IGBT测试电路单元中电感参数需满足的计算公式为：

其中，x％为期望的电压降幅值百分比，I₂为IGBT测试电路单元的电流。

优选地，上述步骤2)中，预设过压抑制泄放规则为：

当IGBT测试结束或者测试需要中断，能量源与直流支撑电容断开时，若直流支撑电容的电压降幅值百分比超过第一阈值x％，则发送触发脉冲信号到驱动模块；当能量源与直流支撑电容重新连接时，若直流支撑电容的电压降福值百分比跌落至第一阈值x％范围内时，发送恢复信号到驱动模块；

当在测试过程中出现IGBT故障或者其他故障，直流支撑电容出现过电压时，若直流支撑电容的电压超幅值百分比超过第二阈值y％时，则发送触发脉冲信号到驱动模块；若直流支撑电容的电压超幅值百分比跌落至第二阈值y％范围内时，则发送恢复信号到驱动模块。

优选地，当在测试过程中出现IGBT故障或者其他故障时，直流支撑电容的电压超幅值的计算公式为：

式中，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值，U_peak为直流支撑电容上的电压尖峰值，其计算公式为：

其中，U_peak为所述直流支撑电容上的电压尖峰值，i₃为测试过程中电感的充电电流值，t₃为测试过程中电感的充电时间。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制方法，

设置用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制装置，其包括直流支撑电容以及分别与直流支撑电容相连的充电支路和放电支路；所述充电支路上设置有能量源和第一通断阀，所述能量源用于为直流支撑电容充电；所述放电支路包括并联的IGBT测试支路和保护支路；所述IGBT测试支路上设置有IGBT测试电路单元和第二通断阀；所述保护支路上设置有过压抑制单元和检测控制单元，所述检测控制单元通过将检测到的直流支撑电容的电压变化与预设过压抑制泄放规则相比较，来控制过压抑制单元与直流支撑电容之间的通断，进而实现IGBT测试过程中对直流支撑电容的过余电压泄放和能量抑制；

所述检测控制单元包括检测单元和控制驱动单元；所述检测单元设置在所述直流支撑电容的输出端，用于自动检测所述直流支撑电容的电压变化，并发送到所述控制驱动单元；所述控制驱动单元包括控制模块和驱动模块，所述控制模块根据接收到的电压变化以及预设过压抑制泄放规则产生触发脉冲信号或恢复信号到所述驱动模块，所述驱动模块用于根据接收到的触发脉冲信号或恢复信号对所述过压抑制单元与所述直流支撑电容的通断状态进行控制；其特征在于包括以下步骤：

对直流支撑电容和IGBT测试电路单元的元件参数进行设计；

其中，所述对直流支撑电容和IGBT测试电路单元的元件参数进行设计的方法，包括：

对直流支撑电容的充电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的充电表达式；

对直流支撑电容的放电过程进行分析，计算得到直流支撑电容的放电表达式；

基于放电表达式，计算得到直流支撑电容的实际电压降幅值百分比；

所述直流支撑电容的实际电压降幅值百分比的计算公式为：

式中，L为IGBT测试电路单元中的负载电感值，i为直流支撑电容的放电电流，ΔU为直流支撑电容的电压降幅，C为直流支撑电容的电容值，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值；

基于直流支撑电容的实际电压降幅值百分比以及预设第一阈值，得到直流支撑电容以及IGBT测试电路单元中的电感设计参数；

所述直流支撑电容以及IGBT测试电路单元中的电感设计参数需满足：

其中，C为直流支撑电容的电容值，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值，L为IGBT测试电路单元中的负载电感值，i为直流支撑电容的放电电流，x％为预设第一阈值，t₂为放电时间，I₂为IGBT测试电路单元的电流；

测试过程中，获取直流支撑电容的电压变化，并基于直流支撑电容的电压变化值和预设过压抑制泄放规则，对过压抑制单元的通断进行控制，实现对直流支撑电容的过余能量进行自动泄放。

2.如权利要求1所述的一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制方法，其特征在于：所述预设过压抑制泄放规则为：

当IGBT测试结束或者测试需要中断，能量源与直流支撑电容断开时，若直流支撑电容的实际电压降幅值百分比超过预设第一阈值x％，则发送触发脉冲信号到驱动模块；当能量源与直流支撑电容重新连接时，若直流支撑电容的实际电压降幅值百分比跌落至预设第一阈值x％范围内时，发送恢复信号到驱动模块；

当在测试过程中出现IGBT故障或者其他故障，直流支撑电容出现过电压时，若直流支撑电容的电压超幅值百分比超过第二阈值y％时，则发送触发脉冲信号到驱动模块；若直流支撑电容的电压超幅值百分比跌落至第二阈值y％范围内时，则发送恢复信号到驱动模块。

3.如权利要求1所述的一种用于IGBT特性测试设备的能量泄放与抑制方法，其特征在于：所述直流支撑电容的电压超幅值百分比的计算公式为：

式中，U为完成IGBT测试所需要的电容电压值，U_peak为所述直流支撑电容上的电压尖峰值。

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