CN117713322A - 一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置及方法,涉及电子电路技术领域,包括能量回收电路以及控制电路,控制电路控制能量回收电路进行充电或放电;能量回收电路包括储能介质,与储能介质连接的充电回路开关单元;以及与储能介质连接的放电回路开关单元;储能介质通过充电回路开关单元对系统电容的能量进行回收存储,储能介质通过放电回路开关单元对系统电容进行能量供给;本发明通过提出储能介质结合开关单元的方案实现母线电压的调控,将系统需要泄放的能量储存至储能介质,避免系统产生大量热量和损耗;在系统电容需要充电过程,将能量从储存介质转移至系统电容中,加快充电速度,提升测试系统的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域,尤其涉及一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置及方法。
背景技术
功率器件的动态双脉冲测试对于器件的性能评估以及功率系统的设计尤为重要;随着功率器件的大规模生产和测试需要,器件在动态新能测试过程中,需要对母线电压进行调整,以满足不能的性能测试要求。
在系统母线电压调整过程中,常规的方案中,对于母线电压由高电压到低电压的调整过程,采用电阻放电的形式,控制到低电压水平;以上过程会带来两个问题:
1)多次频繁的充放电过程,会造成系统放电回路的热效应,系统容易产生过热问题;
增加放电回路的容量会增加系统的体积和成本;同时,电阻型负载会能源损耗;
2)电阻性负载放电过程,同等体积下,系统的放电时间较长;影响测试系统效率。
常规系统中,双脉冲测试方案中,都采用电阻性负载进行电容池放电,放电的能量,都以热量的形式释放,造成系统体积大,效率低,能耗高的缺点。
例如,中国专利CN202210426667.2公开了一种双脉冲测试电路及双脉冲测试方法,所述双脉冲测试电路包括:低压电源、储能电感、高压电容、第一功率器件、第二功率器件及钳位模块;所述储能电感的第一端连接所述低压电源的正极,第二端连接所述第一功率器件的第一端及所述第二功率器件的第一端;所述第一功率器件的第二端连接所述低压电源的负极,控制端接入双脉冲信号;所述第二功率器件的第二端通过所述高压电容连接所述储能电感的第一端;所述钳位模块连接所述高压电容的两端,用于将电容电压钳位至设定高压。该方案的双脉冲测试电路中,主要对系统电容进行电压钳位,保证系统电容的安全,但是其系统电容的放电过程依然采用电阻进行热能释放,造成能源浪费。
发明内容
本发明主要解决现有的技术中无法对双脉冲测试系统的电容进行能量回收利用的问题;提供一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置及方法,对双脉冲测试系统的电容进行能量回收利用,避免系统产生大量热量和损耗。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,包括能量回收电路以及控制电路,所述控制电路控制能量回收电路进行充电或放电;所述能量回收电路包括储能介质,与所述储能介质连接的充电回路开关单元;以及与所述储能介质连接的放电回路开关单元;所述储能介质通过充电回路开关单元对系统电容的能量进行回收存储,所述储能介质通过放电回路开关单元对系统电容进行能量供给。
作为优选,所述的控制电路包括控制单元,所述控制单元根据储能介质的电压值以及双脉冲测试系统的系统电容的电压值控制充电回路开关单元对储能介质进行充电,或控制放电回路开关单元对储能介质进行放电。
作为优选,所述的控制电路还包括第一检测电路,所述第一检测电路检测储能介质的电压值,所述第一检测电路与控制单元连接。
作为优选,所述的控制电路还包括第二检测电路,所述第二检测电路检测双脉冲测试系统的系统电容的电压值,所述第二检测电路与控制单元连接。
作为优选,还包括滤波电感,所述滤波电感的一端分别与充电回路开关单元以及放电回路开关单元连接,所述滤波电感的另一端与双脉冲测试系统的系统电容连接。
作为优选,所述的能量回收电路还包括保护电阻,所述保护电阻与储能介质的两端连接。
作为优选,所述的储能介质为单个电容或多个电容并联组成的储能电容。
本发明的另一方面还提供一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电方法,包括:
储能介质的充电过程:控制单元接收到充电指令,发送脉冲信号给充电回路开关单元,使充电回路开关单元闭合,双脉冲测试系统的系统电容向储能介质放电,储能介质充电;判断是否超过储能介质的储能上限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的斩波电路,吸收双脉冲测试系统的系统电容的剩余电量,直到双脉冲测试系统的系统电容放电完成;
储能介质的放电过程:控制单元接收到放电指令,发送脉冲信号给放电回路开关单元,使放电回路开关单元闭合,储能介质向双脉冲测试系统的系统电容放电,储能介质放电;判断是否超过储能介质的储能下限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的直流电源,继续给双脉冲测试系统的系统电容充电,直到双脉冲测试系统的系统电容充电完成。
本发明的有益效果是:通过提出储能介质结合开关单元的方案实现母线电压的调控,将系统需要泄放的能量储存至储能介质,避免系统产生大量热量和损耗;在系统电容需要充电过程,将能量从储存介质转移至系统电容中,加快充电速度,提升测试系统的运行效率。
附图说明
图1是现有技术中的双脉冲测试系统的电路原理框图。
图2是本发明实施例的加入能量回收电路的双脉冲测试系统电路原理框图。
图3是本发明实施例的能量回收电路的电路原理图。
图4是本发明实施例的加入能量回收电路和控制电路的电路原理图。
图5是本发明实施例的电容C1和电容C2的电压关系变化图。
图中 1、充电回路,2、斩波放电回路,3、能量回收电路,4、双脉冲测试回路。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
双脉冲测试系统主要用于IGBT等功率器件的动态测试,通过双脉冲测试可以便捷的评估功率器件的性能,获得稳态和动态过程中的主要参数,更好的评估器件性能,优化驱动设计等等。虽然功率半导体器件的手册上会有参数标注,但这些参数都是在标准测试条件下得到的。IGBT作为大功率开关器件,应用于直流电压为600V及以上的系统,经常应用于高压1700V、3300V、4500V、6500V的系统,所以IGBT应用的稳定性非常重要,控制端很细微的变化对高压侧可能就是很大的影响。通常通过数据手册来认识IGBT参数,但是数据手册上的IGBT参数是对应一定的环境条件的,并不是一成不变的,而不同的IGBT参数,甚至是同一IGBT参数,在不同的应用环境下其工作状态会大不一样。所以在给IGBT做驱动的选型时,IGBT和驱动的搭配应用,除了检测驱动的静态工作状况之外,做一下动态实验是不可缺少的。
请参阅图1,图1为现有技术中传统的双脉冲测试系统回路的原理框图,该系统由直流电源、充电回路、母线电容、斩波放电回路以及双脉冲回路构成;充电过程中,系统由直流电源对通过充电回路对直流电容C1进行充电。放电过程中,母线电容C1通过斩波放电回路进行放电。该传统方案中,存在系统损耗高,体积大,能效低的问题,虽然现有技术中也存在采用电感等有源器件进行母线电容C1的能量吸收,但是,现有技术中没有考虑将吸收后的能量进行回收利用,而是将其释放,依然存在系统损耗高,能效低的问题。
基于上述现有技术存在的问题,本发明提出了一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,如图2-图4所示,包括:能量回收电路以及控制电路,所述控制电路控制能量回收电路进行充电或放电;所述能量回收电路包括储能介质,与所述储能介质连接的充电回路开关单元;以及与所述储能介质连接的放电回路开关单元,整体的双脉冲测试系统包括直流电源Vs以及与直流电源Vs连接的充电回路1,充电回路分别连接斩波放电回路2、母线电容C1、双脉冲测试回路4和能量回收电路3,能量回收电路连接控制电路。
本发明的装置中加入了能量回收电路可对系统中母线电容C1上的能量进行有源调节,实现放电过程的能量储存和升压过程中的能量释放;有效提高系统中能源利用率,减少系统发热,提升系统效率。
具体的,控制电路包括控制单元、第一检测电路以及第二检测电路,所述控制单元根据储能介质的电压值以及双脉冲测试系统的系统电容的电压值控制充电回路开关单元对储能介质进行充电,或控制放电回路开关单元对储能介质进行放电,所述第一检测电路检测储能介质的电压值,所述第一检测电路与控制单元连接;所述第二检测电路检测双脉冲测试系统的系统电容的电压值,所述第二检测电路与控制单元连接。
本发明在母线电容C1与能量回收电路之间加入了滤波电感,所述滤波电感的一端分别与充电回路开关单元以及放电回路开关单元连接,所述滤波电感的另一端与双脉冲测试系统的系统电容连接,所述滤波电感起到滤波以及延迟的作用,保护储能介质,防止母线电容或者直流电源输送瞬间的大电流给储能介质,造成元件损坏。
进一步的,能量回收电路还包括保护电阻,所述保护电阻与储能介质的两端连接,实现储能介质的保护。
在本实施例中,储能介质可以为单个电容,也可以是多个电容并联组成的储能电容,也可以是其它可以进行电能存储的电子元件。
在本实施例中,充电回路开关单元和放电回路开关单元可以是MOS管、三极管或者是其它可以进行电流控制的电子元件。
具体的,加入本发明的充放电装置后的完整的测试系统如图4所示,包括直流电源Vs,机械开关k1、充电开关(功率器件)T1、二极管D1、功率器件T2、电阻R1、二极管D2、电阻R2、电容C2、功率器件T3、功率器件T4、电感L1、电容C1以及双脉冲测试回路,直流电源Vs的正极与机械开关k1的一端连接,机械开关k1的另一端与充电开关(功率器件)T1连接,充电开关(功率器件)T1与二极管D1的阳极连接,二极管D1的阴极分别与功率器件T2电感L1的一端以及电容C1的一端连接,功率器件T2与电阻R1的一端连接,二极管D2与电阻R1并联设置,电感L1的另一端分别与功率器件T3和功率器件T4连接,功率器件T3连接电容C2的一端,电容C2的另一端与功率器件T4连接,电阻R2与电容C2并联设置,电阻R1的另一端以及电容C1的另一端均与直流电源Vs的负极连接,功率器件T1、功率器件T2、功率器件T3以及功率器件T4的控制端均与控制单元连接,控制单元通过第一检测电路检测电容C2的电压值Vc2,通过第二检测电路检测电容C1的电压值Vc1,其中,双脉冲测试回路为现有的测试回路,本发明对此不进行改进,因此,此处对此不进行过多赘述。
在本发明的一个实施例中,能量回收电路的充电回路开关单元和放电回路开关单元可以组合形成一个DC/DC变换器,具体如图3所示,包括功率器件T3和功率器件T4,DC/DC变换器的一端连接有储能电容 C2,另外一端由电感L1与母线电容C1相连,系统中的功率器件可以是IGBT或者是MOS管。
具体的,DC/DC变换器可以为升压电路、降压电路以及升降压电路。其中可根据系统的需求,配置电容C1和C2电容容值,实现系统的电压的灵活配置。根据系统能量守恒关系,可以得到两个电容池电压和容值的关系:
可以得到:
其中,U21和U22为电容C2的调整前后的电压值,U11和U12为电容C1的调整前后的电压值,h为两个电容池的电容比值。系统根据电压波动系数要求,配置系统中电容C1和电容C2的比例h,实现系统中能量的转移过程能量的平衡配置。
如图4所示,系统具有电压检测和控制单元,通过检测系统中电容C1和C2(可为一个单电容,也可为多个电容并联)电压,产生控制信号,完成对系统电压的调配。
加入了本发明的充放电装置后,整个测试系统的工作过程为:双脉冲测试回路中放入测试元件,对母线电容C1进行充能升压,此时,控制单元对电容C2的储能量进行检测,若电容C2中存储有电能且超过下限阈值,则控制单元发送PWM脉冲信号给功率器件T3,使功率器件T3导通,此时,功率器件T1、功率器件T2和功率器件T4断开,电容C2相当于一个电池,通过功率器件T3和电感L1给电容C1供电,在此过程中,控制单元通过第一检测电路以及第二检测电路持续监测电容C1和电容C2的电压值,若电容C2的检测电压值达到或者低于下限阈值K3VoL而电容C1的电压还没有达到目标值P2VoH,则控制单元控制功率器件T3断开,电容C2不再给电容C1供电,此时,电容C1还缺乏部分电能,剩余的能量需要通过直流电源提供,闭合开关k1,控制单元控制功率器件T1导通,功率器件T2、功率器件T3以及功率器件T4断开,直流电源给母线电容C1供电充能,当母线电容C1达到目标值P2VoH,控制单元控制功率器件T1断开,完成电容C1的充能升压,对测试元件进行双脉冲测试。
当测试元件测试完成后,电容C1进行降压释能,控制单元对电容C2的储能量进行检测,若电容C2中存储有电能当没有超过上限阈值或者没有存储有能量,则控制单元发送PWM脉冲信号给功率器件T4,使功率器件T4导通,此时,功率器件T1、功率器件T2和功率器件T3断开,电容C1相当于一个电池,通过功率器件T4和电感L1给电容C2供电,在此过程中,控制单元通过第一检测电路以及第二检测电路持续监测电容C1和电容C2的电压值,若电容C2的检测电压值达到或者高于上限阈值K2VoH而电容C1的电压还没有达到目标值P1VoL,则控制单元控制功率器件T4断开,电容C1不再给电容C2供电,此时,电容C1还剩余部分电能没有释放,剩余的能量通过斩波放电回路释放,控制单元控制功率器件T2导通,功率器件T1、功率器件T3以及功率器件T4断开,母线电容C1供电通过斩波放电回路的电阻R1进行能量释放,当母线电容C1达到目标值P1VoL,控制单元控制功率器件T2断开,完成电容C1的降压释能,如图5所示,图5展示了本发明的电容C1和电容C2在标准实验环境下充放电过程中的能量变化。
其中,电容C2的上限阈值系数K2以及下限阈值系数K3可以根据系统情况设定,例如K2可以设置为2,K3可以设置为大于1的常数。
在实际应用中,测试人员可根据实际情况进行能量回收电路的应用,在测试时间存在限制时,电容C1可直接通过直流电源Vs进行直接供电,亦或者在电容C2可以完全满足电容C1供电要求的情况下,直接采用电容C2直接进行全部供电,亦或者采用直流电源Vs和电容C2进行同时供电,采用两者同时供电时,需要对器件的安全要求进行保障,可以在电容C1的两端进行电压钳位保护,通过设置钳位电压的方式(由于该操作方式是一种备选的方案,具体的设置方式本发明对此不进行过多赘述),防止提供的电压一下子高出设置的阈值导致器件损坏。
与电容C1充电过程相同的是,在电容C1进行放电的过程中,测试人员也可以根据时间限制的要求,进行能量回收电路吸收能量或者斩波放电回路吸收能量,或者两者同时工作吸收能量。
在本发明的另一方面,本发明还提供一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电方法,包括:
储能介质的充电过程:控制单元接收到充电指令,发送脉冲信号给充电回路开关单元,使充电回路开关单元闭合,双脉冲测试系统的系统电容向储能介质放电,储能介质充电;判断是否超过储能介质的储能上限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的斩波电路,吸收双脉冲测试系统的系统电容的剩余电量,直到双脉冲测试系统的系统电容放电完成;
储能介质的放电过程:控制单元接收到放电指令,发送脉冲信号给放电回路开关单元,使放电回路开关单元闭合,储能介质向双脉冲测试系统的系统电容放电,储能介质放电;判断是否超过储能介质的储能下限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的直流电源,继续给双脉冲测试系统的系统电容充电,直到双脉冲测试系统的系统电容充电完成。
在本发明的另一个实施例中,本发明的电容C2可以连接一个散热风扇,散热风扇与电容C2之间连接开关管,开关管的控制端与控制单元连接,控制单元连接温度传感器对测试系统进行温度检测,在电容C1进行放电的过程中,当电容C2达到储能上限阈值而采用斩波放电回路吸收能量时,斩波放电回路将吸收的能量通过热能进行释放,此时,电路板容易过热,因此,控制单元对测试系统的温度进行检测后控制开关管闭合,使得电容C2放电给散热风扇供电,散热风扇工作给斩波放电回路的电阻进行降温,实现了电路的保护,同时,进一步达到了能量的有效利用,而在电容C2进行一定程度的放电后,若电容C1依然需要进行放电,则可通过对开关管的控制重新采用电容C2进行能量回收。
本发明的突出点在于,给测试人员在进行功率器件的双脉冲测试时,提供了一个更多的选择,基于该选择,可以将母线电容C1的能量进行存储以及回收利用,防止功率器件在测试过程中出现电路板发热的情况(传统方案中若直接采用电阻R1吸收能量,则通过热量进行释放)。
基于上述实施例可知,本发明通过提出用有源变换器的方案实现母线电压的调控,将系统需要泄放的能量储存至电容系统,避免系统产生大量热量和损耗;在系统电容需要充电过程,将能量从储存介质转移至系统电容中,加快充电速度,提升测试系统的运行效率。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (8)
1.一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,包括:
能量回收电路以及控制电路,所述控制电路控制能量回收电路进行充电或放电;
所述能量回收电路包括储能介质,与所述储能介质连接的充电回路开关单元;
以及与所述储能介质连接的放电回路开关单元;
所述储能介质通过充电回路开关单元对系统电容的能量进行回收存储,所述储能介质通过放电回路开关单元对系统电容进行能量供给。
2.根据权利要求1所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
所述控制电路包括控制单元,
所述控制单元根据储能介质的电压值以及双脉冲测试系统的系统电容的电压值控制充电回路开关单元对储能介质进行充电,或控制放电回路开关单元对储能介质进行放电。
3.根据权利要求2所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
所述控制电路还包括第一检测电路,
所述第一检测电路检测储能介质的电压值,所述第一检测电路与控制单元连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
所述控制电路还包括第二检测电路,
所述第二检测电路检测双脉冲测试系统的系统电容的电压值,所述第二检测电路与控制单元连接。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
还包括滤波电感,
所述滤波电感的一端分别与充电回路开关单元以及放电回路开关单元连接,所述滤波电感的另一端与双脉冲测试系统的系统电容连接。
6.根据权利要求1所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
所述能量回收电路还包括保护电阻,
所述保护电阻与储能介质的两端连接。
7.根据权利要求1所述的一种双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置,其特征在于,
所述储能介质为单个电容或多个电容并联组成的储能电容。
8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的双脉冲测试系统能量可回收的充放电装置的充放电方法,其特征在于,包括:
储能介质的充电过程:
控制单元接收到充电指令,发送脉冲信号给充电回路开关单元,使充电回路开关单元闭合,双脉冲测试系统的系统电容向储能介质放电,储能介质充电;
判断是否超过储能介质的储能上限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的斩波电路,吸收双脉冲测试系统的系统电容的剩余电量,直到双脉冲测试系统的系统电容放电完成;
储能介质的放电过程:
控制单元接收到放电指令,发送脉冲信号给放电回路开关单元,使放电回路开关单元闭合,储能介质向双脉冲测试系统的系统电容放电,储能介质放电;
判断是否超过储能介质的储能下限阈值,若是,则启动双脉冲测试系统的直流电源,继续给双脉冲测试系统的系统电容充电,直到双脉冲测试系统的系统电容充电完成。
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- 2024-02-01 CN CN202410138484.XA patent/CN117713322A/zh active Pending
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