CN115963372A - 一种功率电路的igbt双脉冲测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法，尤其适用于地铁牵引供电系统的能馈装置，针对高压大功率NPC1型三电平IGBT功率模块双脉冲测试，该测试装置可对地铁能馈装置的各种换流工况下IGBT器件开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位等参数进行测试，为地铁能馈装置研发、生产提供了一种有效的测试方法。

Description

一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及地铁再生制动能量回馈技术领域，尤其涉及一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法。

背景技术

随着城市轨道交通的大力发展，地铁已成为城市轨道交通的主要运输工具。地铁再生制动能量回馈装置的主要功能为在地铁车辆制动时将多余的制动能量逆变回馈至交流中压电网。通过该装置同时可达到抑制直流网压的波动，减小直流电压纹波，提高牵引供电质量的目的。目前，对地铁再生制动能量回馈装置也要求与变电所牵引整流机组共同整流为列车提供能量。即装置必须具有逆变回馈和牵引整流两种工况。

目前，国内地铁牵引供电系统较多使用1500VDC等级电压，且能馈装置输出功率达到6MW等级，主回路大部分采用的是两电平拓扑结构，导致能馈装置du/dt变化率大，器件电气应力大，不利于牵引电网电能质量和器件的使用寿命，同时也无法实现高功率密度。随着电力电子技术的发展，三电平拓扑开始越来越多的应用到各个领域，NPC1型三电平拓扑结构就是其中一种应用最为广泛的多电平拓扑结构。相对于传统的两电平结构，NPC1型三电平拓扑结构在交流输出端多出来一个中点电位。较之两电平结构在相同母线电压的情况下开关直流电压只有两电平的一半。因此，NPC1型三电平拓扑结构是地铁再生制动能量回馈装置一个较好的选择。

双脉冲测试是对IGBT器件的开关特性、驱动保护性能及有源箝位性能进行检测的重要试验环节，通过双脉冲测试，可以为IGBT器件匹配合适的驱动参数，包括：门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容以及有源箝位二级管。传统的两电平结构由于每个换流桥臂只有2个IGBT器件，双脉冲测试过程中只需控制2个IGBT器件。三电平结构由于每个换流桥臂有4个IGBT器件及2个箝位二极管，双脉冲测试过程中需控制4个IGBT器件。且由于地铁再生制动能量回馈装置工作时电压高、功率大，具有逆变和整流两种工况，造成NPC1型三电平IGBT功率模块的换流回路工况更加复杂，因此传统的两电平双脉冲测试装置和方法不能直接用于三电拓扑电路的测试，需研发设计适用于该高压大功率的NPC1型三电平IGBT功率模块的双脉冲测试装置和方法。

现有技术中，能馈装置输出功率达到6MW等级，主回路大部分采用的是两电平拓扑结构，图1中示出了两电平拓扑结构的示意图，两电平结构由于每个换流桥臂只有2个IGBT器件，双脉冲测试过程中需控制2个IGBT器件。而三电平结构由于每个换流桥臂有4个IGBT器件及2个箝位二极管，双脉冲测试过程中需控制4个IGBT器件。且由于地铁再生制动能量回馈装置工作时电压高、功率大，具有逆变和整流两种工况，造成NPC1型三电平IGBT功率模块的换流回路工况更加复杂，因此传统的两电平双脉冲测试装置和方法不能直接用于三电拓扑电路的测试，需研发设计适用于该高压大功率的NPC1型三电平IGBT功率模块的双脉冲测试装置和方法。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法，尤其适用于地铁牵引供电系统的能馈装置，针对高压大功率NPC1型三电平IGBT功率模块双脉冲测试，该测试装置可对地铁能馈装置的各种换流工况下IGBT器件开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位等参数进行测试，为地铁能馈装置研发、生产提供了一种有效的测试方法。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置，所述测试装置用于对功率电路模块进行测试，该测试装置包括控制模块、采样模块和测试模块；其中，

所述控制模块分别连接功率电路模块、测试模块和采样模块，用于向所述功率电路模块提供双脉冲触发信号，控制所述测试模块对功率电路模块的直流母线电容进行充电，以及控制采样模块进行采样；

所述采样模块与功率模块连接，用于对功率模块中IGBT的电压和电流进行采样。

进一步的，所述功率电路模块包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；

所述第一IGBT至第四IGBT依次连接至功率电路模块直流母线正负极之间，并分别反并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

交流输出母排连接至第二IGBT和第三IGBT的连接点；

所述第一IGBT和第二IGBT的连接点与第三IGBT和第四IGBT的连接点之间串联连接有第一箝位二极管和第二箝位二极管，所述第一箝位二极管和第二箝位二极管的连接点连接至功率电路模块的中性点。

进一步的，所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；

所述电压采样模块用于对IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE和栅极与发射极之间的电压V_GE进行采样；

所述电流采样模块用于对IGBT的集电极电流I_C进行采样。

进一步的，所述测试模块包括断路器、泄放控制单元、变压单元、整流单元以及换流回路切换单元；

所述整流单元和泄放控制单元并联连接于直流母线正负极之间；

所述变压单元的输入通过断路器连接交流电源，输出连接整流单元，以将交流电源提供的交流电进行升压后提供至整流单元；

所述换流回路切换单元包括可调空心电感，该可调空心电感的两端在各IGBT的连接点以及功率电路模块的中性点间可调连接，以对功率电路模块的不同换流回路进行测试。

进一步的，还包括显示模块和通讯模块；

所述显示模块连接采样模块，用于对所采样的电流和电压波形以及数据进行显示；

所述通讯模块连接显示模块，以将电流和电压波形以及数据传输至上位机。

根据本发明的另一个方面，提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试方法，该方法采用如本发明第一个方面所述的测试装置进行测试，包括步骤：

闭合断路器，控制泄放控制单元断开，控制变压单元输出升压，使整流单元对直流母线电容充电至预设的电压值；

对待测试的IGBT触发双脉冲信号，以针对不同换流回路的IGBT进行测试；

控制变压单元输出降压，闭合泄放控制单元，以将直流母线电压泄放至零，完成双脉冲测试。

进一步的，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第一换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接直流母线正极和交流输出母排，对所述第三IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第二IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线正极的电流；

电压采样模块采样第三IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

进一步的，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第二换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接功率电路模块的中性点和第三IGBT与第四IGBT的连接点，对所述第四IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线负极的电流；

电压采样模块采样第四IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

进一步的，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第三换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接交流输出母排和直流母线正极，对所述第二IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第三IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线负极的电流；

电压采样模块采样第二IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

进一步的，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第四换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接功率电路模块的中性点和第一IGBT与第二IGBT的连接点，对所述第一IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第三IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线正极的电流；

电压采样模块采样第一IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

综上所述，本发明提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法，尤其适用于地铁牵引供电系统的能馈装置，针对高压大功率NPC1型三电平IGBT功率模块双脉冲测试，该测试装置可对地铁能馈装置的各种换流工况下IGBT器件开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位等参数进行测试，为地铁能馈装置研发、生产提供了一种有效的测试方法。本发明提供的测试装置，对地铁再生制动能量回馈装置IGBT功率模块进行测试时，只需要外接380VAC市电，通过外接少量器件即可对该NPC1型三电平IGBT功率模块开关器件的开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位参数进行检测。测试工况与实际逆变回馈和牵引整流两种工况相同。本发明提供的测试方法是基于传统两电平拓扑变流器双脉冲测试装置的改进，对三电平功率模块的逆变回馈和牵引整流工况下的多种换流回路分别进行测试，为地铁再生制动能量回馈装置的设计和生产提供了一种快速、有效的测试装置和方法。

附图说明

图1是现有技术中两电平拓扑结构的示意图；

图2是本发明功率电路的IGBT双脉冲测试装置的原理图；

图3是本发明功率电路的IGBT双脉冲测试方法的流程图；

图4是第一换流回路的双脉冲测试原理图；

图5是第二换流回路的双脉冲测试原理图；

图6是第三换流回路的双脉冲测试原理图；

图7是第四换流回路的双脉冲测试原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置，用于对功率电路模块进行测试，该装置的电气原理示意图如图2所示，该装置包括控制模块、采样模块和测试模块；其中，

所述控制模块分别连接功率电路模块、测试模块和采样模块，用于通过IGBT驱动电路DRV1-DRV4向所述功率电路模块提供双脉冲触发信号，控制所述测试模块对功率电路模块的直流母线电容进行充电，以及控制采样模块进行采样。该功率电路模块例如为NPC1型三电平IGBT功率单元，包括第一IGBT T1、第二IGBT T2、第三IGBT T3、第四IGBT T4以及可调空心电感L1。控制模块例如由DSP控制电路U1实现，用于控制断路器Q1、泄放接触器K1、采集直流母线电压、输出双脉冲触发信号并与上位机U2进行通信。双脉冲触发信号的开通、关断脉宽等参数由上位机U2根据实际试验的需要进行设置。双脉冲信号的发生由上位机U2进行控制。DSP控制电路U1与IGBT驱动电路之间采用光纤进行双脉冲触发信号的传输。

所述第一IGBT至第四IGBT依次连接至功率电路模块直流母线正负极(DC+和DC-)之间，并分别反并联有第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；交流输出母排连接至第二IGBT T2和第三IGBT T3的连接点AC；所述第一IGBT T1和第二IGBT T2的连接点与第三IGBT T3和第四IGBT T4的连接点之间串联连接有第一箝位二极管D5和第二箝位二极管D6，所述第一箝位二极管D5和第二箝位二极管D6的连接点连接至功率电路模块的中性点N；所述可调空心电感L的两端在各IGBT的连接点以及功率电路模块的中性点N间可调连接，以对功率电路模块的不同换流回路进行测试。

所述采样模块与功率模块连接，用于对功率模块中IGBT的电压和电流进行采样。该采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；所述电压采样模块用于对IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE和栅极与发射极之间的电压V_GE进行采样；所述电流采样模块用于对IGBT的集电极电流I_C进行采样。该电压采样模块例如可以包括高压差分探头U5，该电流采样模块例如可以包括罗氏线圈U4，双脉冲测试过程中IGBT电流可达1500A。此外，采样模块中还可以包括直流电压表U6以实现对直流母线电压的采集。

所述测试模块包括断路器Q1、泄放控制单元、变压单元以及整流单元；所述整流单元和泄放控制单元并联连接于直流母线正负极之间；所述变压单元的输入通过断路器连接交流电源，输出连接整流单元，以将交流电源提供的交流电进行升压后提供至整流单元。泄放控制单元可以包括泄放电阻R1和泄放接触器K1；变压单元可以包括三相调压器T11和升压变压器T12；整流单元可以包括由6个整流二极管V1-V6构成的整流电路。本实施例中的测试模块由380VAC市电供电，并经由三相调压器T11和升压变压器T12升压成可调节的高压交流电，然后由6个整流二级管V1-V6构建的三相高压整流电路对交流电整流后，输出直流电压可达到2500VDC。

此外，还可以包括显示模块和通讯模块；所述显示模块连接采样模块，用于对所采样的电流和电压波形以及数据进行显示；所述通讯模块连接显示模块，以将电流和电压波形以及数据传输至上位机。显示模块例如为示波器U3，示波器U3测量到的电压、电流波形和数据可通过实时传输到上位机U2进行监控和分析，并由上位机U2自动生成测试报告。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试方法，该方法的流程图如图3所示，该方法采用如本发明第一个实施例所述的测试装置进行测试，包括如下步骤：

闭合断路器，控制泄放控制单元断开，控制变压单元输出升压，使整流单元对直流母线电容充电至预设的电压值，该预设的电压值最高可为2500VDC。

对待测试的IGBT触发双脉冲信号，以针对不同换流回路的IGBT进行测试。可以通过控制上位机U2对待测试的IGBT器件触发双脉冲信号，并由示波器U3测量对应IGBT器件的电压V_CE、V_GE和电流I_C波形。示波器U3测量得到的数据传输到上位机U2进行分析和计算，并形成测试报告。

控制变压单元输出降压，闭合泄放控制单元，以将直流母线电压泄放至零，完成双脉冲测试。

其中，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第一换流回路至第四换流回路进行测试。图4中示出了第一换流回路的双脉冲测试原理图，具体来说，对第一换流回路进行测试包括：

可调空心电感L两端分别接直流母线正极和交流输出母排，对所述第三IGBT T3施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第二IGBT T2和第四IGBT T4关断；电流采样模块采样直流母线正极的电流；电压采样模块采样第三IGBT T3的集电极与发射极之间的电压V_CE。可以采用罗氏线圈U4接在模块的直流母线正极DC+；高压差分探头U5测试第三IGBT T3的C、E端电压；对第三IGBT T3施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第二IGBT T2和第四IGBT T4关断。第三IGBTT3导通时，直流母线电压通过第三IGBT T3和第二箝位二极管D6对可调空心电感L进行充电，第三IGBT T3承受一半直流母线电压。第三IGBT T3关断时，可调空心电感L通过第一IGBT T1和第二IGBT T2的反并联二级管续流。

图5中示出了第二换流回路的双脉冲测试原理图，对第二换流回路进行测试包括：

可调空心电感L两端分别接功率电路模块的中性点和第三IGBT T3与第四IGBT T4的连接点，对所述第四IGBT T4施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第二IGBT T2和第三IGBT T3关断；电流采样模块采样直流母线负极的电流；电压采样模块采样第四IGBT T4的集电极与发射极之间的电压V_CE。可以采用罗氏线圈U4接在功率电路模块的直流母线负极或者中性点N；高压差分探头U5测试第四IGBT T4的C、E端电压；对第四IGBT T4施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第二IGBT T2和第三IGBT T3关断。第四IGBT T4导通时，直流母线电压通过第四IGBT T4对可调空心电感L进行充电，第四IGBT T4承受一半直流母线电压。第四IGBT T4关断时，可调空心电感L通过第二箝位二极管D6的反并联二级管续流。

图6中示出了第三换流回路的双脉冲测试原理图，对第三换流回路进行测试包括：

可调空心电感L两端分别接交流输出母排和直流母线正极，对所述第二IGBT T2施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第三IGBT T3和第四IGBT T4关断；电流采样模块采样直流母线负极的电流；电压采样模块采样第二IGBT T2的集电极与发射极之间的电压V_CE。可以采用罗氏线圈U4接在功率电路模块的直流母线负极DC-；高压差分探头U5测试第二IGBT T2的C、E端电压；对第二IGBT T2施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第三IGBT T3和第四IGBT T4关断。第二IGBT T2导通时，直流母线电压通过第二IGBT T2和第一箝位二极管D5对可调空心电感L进行充电，第二IGBT T2承受一半直流母线电压。第二IGBT T2关断时，可调空心电感L通过第三IGBT T3和第四IGBT T4的反并联二级管续流。

图7中示出了第四换流回路的双脉冲测试原理图，对第四换流回路进行测试包括：

可调空心电感L两端分别接功率电路模块的中性点和第一IGBT T1与第二IGBT T2的连接点，对所述第一IGBT T1施加双脉冲触发，第一IGBT T1、第三IGBT T3和第四IGBT T4关断；电流采样模块采样直流母线正极的电流；电压采样模块采样第一IGBT T1的集电极与发射极之间的电压V_CE。可以采用罗氏线圈U4接在功率电路模块的直流母线正极或者中性点N；高压差分探头U5测试第一IGBT T1的C、E端电压；第一IGBT T1施加双脉冲触发，第二IGBTT2、第三IGBT T3和第四IGBT T4关断。第一IGBT T1导通时，直流母线电压通过第一IGBT T1对可调空心电感L进行充电，第一IGBT T1承受一半直流母线电压。第一IGBT T1关断时，可调空心电感L通过第一箝位二极管D5的反并联二级管续流。

综上所述，本发明提供了一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置及其测试方法，尤其适用于地铁牵引供电系统的能馈装置，针对高压大功率NPC1型三电平IGBT功率模块双脉冲测试，该测试装置可对地铁能馈装置的各种换流工况下IGBT器件开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位等参数进行测试，为地铁能馈装置研发、生产提供了一种有效的测试方法。本发明提供的测试装置，对地铁再生制动能量回馈装置IGBT功率模块进行测试时，只需要外接380VAC市电，通过外接少量器件即可对该NPC1型三电平IGBT功率模块开关器件的开关时间、开关功耗、反向恢复电流、杂散电感、有源箝位参数进行检测。测试工况与实际逆变回馈和牵引整流两种工况相同。本发明提供的测试方法是基于传统两电平拓扑变流器双脉冲测试装置的改进，对三电平功率模块的逆变回馈和牵引整流工况下的多种换流回路分别进行测试，为地铁再生制动能量回馈装置的设计和生产提供了一种快速、有效的测试装置和方法。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种功率电路的IGBT双脉冲测试装置，其特征在于，所述测试装置用于对功率电路模块进行测试，该测试装置包括控制模块、采样模块和测试模块；其中，

所述控制模块分别连接功率电路模块、测试模块和采样模块，用于向所述功率电路模块提供双脉冲触发信号，控制所述测试模块对功率电路模块的直流母线电容进行充电，以及控制采样模块进行采样；

所述采样模块与功率模块连接，用于对功率模块中IGBT的电压和电流进行采样。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率电路模块包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT；

所述第一IGBT至第四IGBT依次连接至功率电路模块直流母线正负极之间，并分别反并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

交流输出母排连接至第二IGBT和第三IGBT的连接点；

所述第一IGBT和第二IGBT的连接点与第三IGBT和第四IGBT的连接点之间串联连接有第一箝位二极管和第二箝位二极管，所述第一箝位二极管和第二箝位二极管的连接点连接至功率电路模块的中性点。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块；

所述电压采样模块用于对IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE和栅极与发射极之间的电压V_GE进行采样；

所述电流采样模块用于对IGBT的集电极电流I_C进行采样。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测试模块包括断路器、泄放控制单元、变压单元、整流单元以及换流回路切换单元；

所述整流单元和泄放控制单元并联连接于直流母线正负极之间；

所述变压单元的输入通过断路器连接交流电源，输出连接整流单元，以将交流电源提供的交流电进行升压后提供至整流单元；

所述换流回路切换单元包括可调空心电感，该可调空心电感的两端在各IGBT的连接点以及功率电路模块的中性点间可调连接，以对功率电路模块的不同换流回路进行测试。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括显示模块和通讯模块；

所述显示模块连接采样模块，用于对所采样的电流和电压波形以及数据进行显示；

所述通讯模块连接显示模块，以将电流和电压波形以及数据传输至上位机。

6.一种功率电路的IGBT双脉冲测试方法，该方法采用如权利要求1-5中任意一项所述的测试装置进行测试，其特征在于，包括步骤：

闭合断路器，控制泄放控制单元断开，控制变压单元输出升压，使整流单元对直流母线电容充电至预设的电压值；

对待测试的IGBT触发双脉冲信号，以针对不同换流回路的IGBT进行测试；

控制变压单元输出降压，闭合泄放控制单元，以将直流母线电压泄放至零，完成双脉冲测试。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第一换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接直流母线正极和交流输出母排，对所述第三IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第二IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线正极的电流；

电压采样模块采样第三IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第二换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接功率电路模块的中性点和第三IGBT与第四IGBT的连接点，对所述第四IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线负极的电流；

电压采样模块采样第四IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第三换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接交流输出母排和直流母线正极，对所述第二IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第三IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线负极的电流；

电压采样模块采样第二IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述针对不同换流回路的IGBT进行测试，包括对第四换流回路进行测试：

可调空心电感两端分别接功率电路模块的中性点和第一IGBT与第二IGBT的连接点，对所述第一IGBT施加双脉冲触发，第一IGBT、第三IGBT和第四IGBT关断；

电流采样模块采样直流母线正极的电流；

电压采样模块采样第一IGBT的集电极与发射极之间的电压V_CE。

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