CN115494366A - 一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法 - Google Patents

一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法，属于电力电子技术和电工技术领域。针对现实中大部分直流电源虽然有恒流输出模式，但其输出电压不能跟随负载变化，无法作为理想电流源进行传统电流源型双脉冲实验的问题，提出了一种用于电流源型逆变器的电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试的测试电路和方法。本发明所提出的一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法采用电压型电源和大电感串联的等效方式，通过对电感和电容预充电准确控制电压反向阻断型碳化硅组合器件的电压和负载电流。设计了电感续流路径，实验结束后实现对电感上能量的自动释放，该方法能有效反应电压反向阻断组合器件的开关特性。

Description

一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术和电工技术领域，具体涉及一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法。
背景技术
由于之前广泛使用的以IGBT和MOSFET为代表的硅基半导体器件本身不提供电流源型逆变器拓扑多要求的反向电压阻断能力，传统的电压源型逆变器(VSI)一直比电流源型逆变器(CSI)更受青睐。但是CSI拓扑由于直流侧有大电感、交流侧有滤波电容，具有抗短路能力强、交流侧输出电压电流波形均为正弦波等优势，因此，长期被忽视的CSI拓扑重新受到了国内外学者的关注。
然而，目前针对CSI的研究仍主要围绕调制策略、功率电路拓扑优化等逆变器系统级的研究，针对CSI所用到的电压反向阻断型器件开关特性的研究很少，缺乏对电压反向阻断型器件开关轨迹的优化方式。此外，针对传统电流源型双脉冲测试电路拓扑的研究仍主要处于仿真阶段，即直流侧采用以理想恒流源进行测试；因此，提出一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法，在传统需采用理想恒流源的传统电流源型双脉冲测试电路的基础上，优化提出了用于电流源型逆变器的电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试电路，改进了传统电流源型双脉冲测试中被测器件开关时序的触发方法，并实现了在不影响被测器件开关特性的前提下开关波形的优化，避免电压反向阻断型碳化硅合成器件中二极管的反向击穿。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路，包括直流电源Vdc1与大电容Cdc并联连接，用于给被测器件提供稳定电压，全控型开关管Sdc接于大电容Cdc与电感Ldc之间，控制直流电源Vdc1是否给电感Ldc供电；二极管Df阴极与开关管Sdc源极相接、阳极与直流电源Vdc1负极相接，为电感Ldc续流提供路径；SiC MOSFET S1与SiC肖特基二极管D1串联连接，组成具有反向电压阻断功能的第一开关管，SiC MOSFET S3与SiC肖特基二极管D3组成第三开关管，第一、第三组合开关管为被测器件；电容C接于第一、第三开关管之间，等效电流源型逆变器交流侧的滤波电容；手动开关Sc与直流电源Vdc2串联，接于电容C两端，用于给电容C预充电；手动开关Sd与电阻Rd接于电容C两端，用于给电容C放电。
进一步的，直流电源Vdc1的电压值恒大于直流电源Vdc2的电压值。
进一步的，第三开关管的二极管两端并联有RC缓冲电路。
进一步的，应用于碳化硅组合器件双脉冲测试电路的测试方法，包括以下步骤：
被测器件第一、第三开关管接于电容C两端，分别为电感电流提供一条流通路径，第一开关管的导通为三相电流源型逆变器中零矢量作用等效，第三开关管导通为三相电流源型逆变器中有源矢量作用等效；
闭合手动开关Sc，对给电容C进行预充电；电容C的电压上升至被与被测器件所需要测试工况的测试值后，断开手动开关Sc；
先导通直流侧开关管Sdc和第一开关管，通过控制导通时间将电感Ldc的电流提升至被测器件所需要测试工况的测试值；
在第一开关管中MOSFET S1关断信号到来前提前打开第三开关管，使第一、第三开关管交叠导通，等效三相电流源型逆变器中交叠导通的开关切换特点，交叠时间由第一开关管中MOSFET S1关断快慢决定，保证MOSFET S1在完全关断前MOSFET S3已完全导通即可，电感Ldc电流由第一开关管切换至第三开关管后，进入双脉冲测试的第一个脉冲阶段，此阶段的作用时间需尽可能的短，保证电感Ldc电流和电容C上的电压几乎没有太大变化；
保持第三开关管的触发信号为高电平，打开第一开关管，电感Ldc电流再次切换，双脉冲测试电路工作在零矢量状态，此阶段作用时间同样需尽可能的短，第一开关管关断后，进入双脉冲测试的第二个脉冲阶段，测试结束，可以通过测量被测器件的开关轨迹来确定被测器件的开关特性；
测试结束后，关闭直流侧开关管Sdc，使直流电源Vdc1停止给电感充电，开通第三开关管，关断第一开关管，电流将从电感Ldc、第三开关管、电容C、续流二极管Df这一回路流过，电感Ldc上的能量全部用于给电容C充电；
最后关闭第三开关管，手动闭合开关Sd，释放电容C上的能量。
进一步的，电感Ldc的感值满足以下条件：在给电感Ldc充电后，第一开关管切换至第三开关管的过程中，电感Ldc的电流不发生变化。
进一步的，电容C的容值满足以下条件：在开关切换期间，电容C可等效为电压源，使得被测器件的开通和关断过程的工况相同，即被测器件两端电压与流过器件电流在开通和关断时保持不变；
在双脉冲测试结束后，电感Ldc的能量将用于给电容C充电，电容C在电感Ldc释放完能量后，电容C上的电压仍保持在额定电压之下。
进一步的，一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现碳化硅组合器件双脉冲测试方法。
进一步的，一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行碳化硅组合器件双脉冲测试方法。
进一步的，一种碳化硅组合器件双脉冲测试的测试设备，包括所述碳化硅组合器件双脉冲测试电路。
本发明的有益效果：
本发明公开的一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法无需额外搭建恒流源，使电流源新型双脉冲测试实验简单可靠地实现测试出电压反向阻断器件的开关轨迹。
本发明公开的一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路和方法，实现了电路中无源器件能量的安全释放，能够与电压源型双脉冲测试一样控制开关器件短时间导通即可完成测试，弥补了两电平功率变换器双脉冲测试实验方法方面的空缺。
本发明公开的采用对大电感、大电容预充电的方式，实现了对电压反向阻断器件工况的灵活控制，解决了传统电流源型双脉冲测试器件开通和关断难以在同次实验、相同工况的条件下进行测试的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本申请的碳化硅组合器件双脉冲测试电路；
图2为本申请的碳化硅组合器件双脉冲测试电路的开关时序波形；
图3为本申请的不带RC缓冲电路时第一开关管开通的实验波形示意图；
图4为本申请的带RC缓冲电路时第一开关管开通的实验波形示意图；
图5为本申请的第一开关管开通时的实验波形图；
图6为本申请的第一开关管关断时的实验波形图；
图7为本申请的非理想电感能量释放方式的测试电路图；
图8为本申请的非理想电感能量释放方式的第一开关管关断时的实验波形图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本申请公开的用于电流源型逆变器的电压反向阻断合成器件的双脉冲测试电路如图1所示，所述双脉冲测试电路主要包括：直流电源Vdc1与大电容Cdc并联连接，用于给被测器件提供稳定电压，全控型开关管Sdc接于电容Cdc与电感Ldc之间，控制直流电源Vdc1是否给电感Ldc供电；二极管Df阴极与开关管Sdc源极相接、阳极与直流电源Vdc1负极相接，为电感Ldc续流提供路径；SiC MOSFET S1与SiC肖特基二极管D1串联连接，组成具有反向电压阻断功能的第一开关管，SiC MOSFET S3与SiC肖特基二极管D3组成第三开关管，第一、第三组合开关管为被测器件；电容C接于第一、第三开关管之间，等效电流源型逆变器交流侧的滤波电容；手动开关Sc与直流电源Vdc2串联，接于电容C两端，用于给电容C预充电；手动开关Sd与电阻Rd接于电容C两端，用于给电容C放电。
本发明提出的电压反向阻断型碳化硅组合器件的双脉冲测试电路的开关触发时序及相关理论波形如图2所示，相比于传统的电流源型双脉冲测试电路，本发明提出的方法增加了电容预充电过程和实验结束后无源器件的放电过程，使测试实验更加安全可靠。被测器件第一、第三开关管在实验前接于电容C两端，整个测试实验过程可分成以下6个阶段：
(1)T0阶段:该阶段所有MOSFET均处于关断状态，手动闭合开关Sc，给电容C进行预充电，使电容电压上升至被测器件所需要测试工况的电压值，从而能够灵活准确地控制被测器件两端的电压。预充电完成后手动切断开关Sc，此时电容即可近似等效成一个电压源。需要注意的是该电容的容值应尽可能选的大，并且需保证电容上的电压恒小于直流侧电压Vdc1，从而使实验过程中电感电流不会出现跌落的现象，确保被测器件开通和关断过程在相同工况下进行。
(2)T1阶段:此过程为电感Ldc的预充电过程，主要作用是将电感电流上升至被测器件所需要测试工况的电流值。在t0时刻同时导通MOSFET Sdc和S1，，用于电流源型逆变器的电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统作用在零矢量阶段。当电感预充电过程即将结束时，提前导通MOSFET S3，模拟CSI中开关交叠导通的特点，交叠时间由第一开关管中MOSFET S1关断快慢决定，保证MOSFET S1在完全关断前MOSFET S3已完全导通即可。
(3)T2阶段:在t1时刻关断MOSFET S1，电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统从第一开关管切换至第三开关管，即由零矢量切换至有源矢量。该阶段属于双脉冲测试的第一个脉冲测试阶段，需要注意的是该阶段的作用时间应尽可能的短，一方面保证电感电流几乎保持不变，另一方面使电容不会过多充电，从而使电容也几乎保持不变。
(4)T3阶段:MOSFET S1在t2时刻重新导通，电流从第三开关管所在支路切换至第一开关管所在支路。此过程主要模拟的是CSI从有源矢量切换回零矢量的开关过程。与T1阶段不同，该阶段的作用时间也需要尽可能的短，保证电感电流几乎保持不变，使被测器件的开通和关断尽可能是在相同工况下测量得到。
(5)T4阶段:该阶段属于双脉冲测试的第二个脉冲测试阶段,其特点与T2类似。与传统电流源型双脉冲测试系统不同，该阶段在t4时刻将不再导通S1。
(6)T5阶段:t4时刻关断MOSFET Sdc，使直流侧电源Vdc1不再给电感Ldc供电，此时双脉冲测试已经结束，需要将无源器件中的能量进行释放。保持S3导通，电感电流将从由电感Ldc、S3、D3、电容C和续流二极管Df组成的回路续流，电感上的能量将全部用于给电容C充电，因此电流呈线性下降趋势。在电流降为零后，手动闭合开关Sd，将电容C上的能量全部释放。
图3为在器件负载电流为40A的条件下，电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统由有源矢量切换回零矢量过程的开关波形，由于二极管D3两端结电容的存在，二极管D3关断关断时将有反向恢复过程，与回路的杂散电感耦合造成电压、电流波形的过冲和振荡，图3中二极管D3两端的电压波形和第一开关管的电流波形均存在较长时间的振荡。为减小二极管反向恢复过程对实验中被测器件开关特性的影响，同时避免二极管的反向击穿，本发明采用在二极管D3两端并联RC缓冲电路的方式，将电阻与电容串联后并在二极管D3两端，一方面可以减小方向恢复对开关特性的影响，另一方面可以使二极管D3的反相电压尖峰控制在安全范围内，RC缓冲电路中电阻阻值为100Ω、电容容值为1nF。并联RC后的开关波形如图4所示，此外，从实验波形可知，并联RC并不会影响被测器件电压和电流的上升率。
不同于电压源型的双脉冲测试系统，电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统中的主动切换器件和从动器件的角色无法互换，因此在电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统中测量从动器件的电压电流波形必须有电气隔离。本发明流过第一开关管的电流波形通过同轴分流电阻测量获得，而流过第三开关管的电流波形通过一个100MHz带宽、峰值电流为50A的电流探头获得。图5和图6为负载电流为40A，栅极电阻为20Ω条件下被测器件的开通和关断波形，图中Vgs3的振荡主要是由于受到了di/dt在共源电感Ls上造成的感应电压的影响。图4中Vgs1在换流结束后发生高频振荡的原因是电压反向阻断型碳化硅组合器件双脉冲测试系统在切换至由S3和D3组成的第三开关管后，差分探头受到干扰导致，若使用无源探头将不存在这一问题，但是为了保证两个器件的栅源电压Vgs测量的一致性，因此本发明中栅源电压的测量均需采用差分探头进行测量。
本发明还比较了不同电感续流方式对电压反向阻断器件开关特性的影响。图7设计了一种与电压源型双脉冲测试系统中电感续流方式类似的双脉冲测试电路，但是，从其实验波形，即图8可以看出，该续流方式会对被测器件的开关特性造成明显的影响，无法保证在开关切换过程中。因此，在比较了不同续流方式后，本发明提出的如图2所示的双脉冲测试电路效果最佳。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种碳化硅组合器件双脉冲测试电路，其特征在于，包括直流电源Vdc1与大电容Cdc并联连接，用于给被测器件提供稳定电压，全控型开关管Sdc接于大电容Cdc与电感Ldc之间，控制直流电源Vdc1是否给电感Ldc供电；二极管Df阴极与开关管Sdc源极相接、阳极与直流电源Vdc1负极相接，为电感Ldc续流提供路径；SiC MOSFET S1与SiC肖特基二极管D1串联连接，组成具有反向电压阻断功能的第一开关管，SiC MOSFET S3与SiC肖特基二极管D3组成第三开关管，第一、第三组合开关管为被测器件；电容C接于第一、第三开关管之间，等效电流源型逆变器交流侧的滤波电容；手动开关Sc与直流电源Vdc2串联，接于电容C两端，用于给电容C预充电；手动开关Sd与电阻Rd接于电容C两端，用于给电容C放电。
2.根据权利要求1所述的碳化硅组合器件双脉冲测试电路，其特征在于，直流电源Vdc1的电压值恒大于直流电源Vdc2的电压值。
3.根据权利要求1所述的碳化硅组合器件双脉冲测试电路，其特征在于，第三开关管的二极管两端并联有RC缓冲电路。
4.一种碳化硅组合器件双脉冲测试方法，应用于如权利要求1-3任一所述的碳化硅组合器件双脉冲测试电路，其特征在于，包括以下步骤：
被测器件第一、第三开关管接于电容C两端，分别为电感电流提供一条流通路径，第一开关管的导通为三相电流源型逆变器中零矢量作用等效，第三开关管导通为三相电流源型逆变器中有源矢量作用等效；
闭合手动开关Sc，对给电容C进行预充电；电容C的电压上升至被与被测器件所需要测试工况的测试值后，断开手动开关Sc；
先导通直流侧开关管Sdc和第一开关管，通过控制导通时间将电感Ldc的电流提升至被测器件所需要测试工况的测试值；
在第一开关管中MOSFET S1关断信号到来前提前打开第三开关管，使第一、第三开关管交叠导通，等效三相电流源型逆变器中交叠导通的开关切换特点，交叠时间由第一开关管中MOSFET S1关断快慢决定，保证MOSFET S1在完全关断前MOSFET S3已完全导通即可，电感Ldc电流由第一开关管切换至第三开关管后，进入双脉冲测试的第一个脉冲阶段；
保持第三开关管的触发信号为高电平，打开第一开关管，电感Ldc电流再次切换，双脉冲测试电路工作在零矢量状态，第一开关管关断后，进入双脉冲测试的第二个脉冲阶段，测试结束，可以通过测量被测器件的开关轨迹来确定被测器件的开关特性；
测试结束后，关闭直流侧开关管Sdc，使直流电源Vdc1停止给电感充电，开通第三开关管，关断第一开关管，电流将从电感Ldc、第三开关管、电容C、续流二极管Df这一回路流过，电感Ldc上的能量全部用于给电容C充电；
最后关闭第三开关管，手动闭合开关Sd，释放电容C上的能量。
5.根据权利要求4所述的碳化硅组合器件双脉冲测试方法，其特征在于，根据权利要求1所述的碳化硅组合器件双脉冲测试电路，其特征在于，电感Ldc的感值满足以下条件：
在给电感Ldc充电后，第一开关管切换至第三开关管的过程中，电感Ldc的电流不发生变化。
6.根据权利要求4所述的碳化硅组合器件双脉冲测试方法，其特征在于，电容C的容值满足以下条件：
在开关切换期间，电容C可等效为电压源，使得被测器件的开通和关断过程的工况相同，即被测器件两端电压与流过器件电流在开通和关断时保持不变；
在双脉冲测试结束后，电感Ldc的能量将用于给电容C充电，电容C在电感Ldc释放完能量后，电容C上的电压仍保持在额定电压之下。
7.一种存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如权利要求4所述的碳化硅组合器件双脉冲测试方法。
8.一种电子设备，其特征在于,包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求4所述的碳化硅组合器件双脉冲测试方法。
9.一种碳化硅组合器件双脉冲测试的测试设备，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的碳化硅组合器件双脉冲测试电路。
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CN116381440A (zh) * 2023-03-10 2023-07-04 南京航空航天大学 一种多功能便携式碳化硅器件特性测试仪

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