CN1731206A - 一种用于电力电子功率模块测试的新电路及其脉冲控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压大电流电力电子功率模块测试的测试电路方案，属电力电子测试技术领域。包括多个工作于逆变状态高压大电流功率模块，用于连接的高压大电流电抗器，提供功率仅为电力电子功率模块二十分之一的整流模块以及保证直流侧电压平衡的电力电子模块脉冲驱动策略。本发明的高压大电流电力电子功率模块测试电路，可对各种高压大电流的功率模块进行高压、大电流测试，避免了通常对高压大电流功率模块只能进行高压小电流或低压大电流测试的难题，可以对高压大电流功率模块进行高压大电流测试。由于采用该测试方案不需要提供高压大容量与功率模块容量接近的直流电源，因此该测试方案成本低，测试方法简单，是用于功率模块高压大电流测试的实用电路。

Description

一种用于电力电子功率模块测试的新电路及其脉冲控制方法

技术领域

本发明涉及用于高压大电流电力电子功率模块测试的测试电路方案，属电力电子测试技术领域。

背景技术

随着电力电子元件制造技术的不断进步，电力电子开关器件的电压、电流等级不断提升，因此构成的电力电子变流器的功率模块电压等级与容量也越来越大。对功率模块进行测试也越来越困难。为了降低测试成本，通常对高压大电流电力电子功率模块只进行高压小电流测试和低压大电流测试，这显然与高压大电流功率模块的实际工作状态存在较大的差别，为了解决高压大电流功率模块测试对高压、大电流的要求，需要建立昂贵的高压大功率测试试验平台，本发明正是基于此，发明了一种成本低不需要大功率测试试验平台就可以对高压大电流电力电子功率模块进行高压大电流测试的试验电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高压大电流电力电子功率模块测试的试验电路，利用多个高压大电流电力电子模块互相配合，以便无需为高压大电流电力电子功率模块直流侧提供高压大功率的直流电源，该电路可以防止直流侧电源电压波动。

本发明提出的用于高压大电流电力电子功率模块测试的试验电路及方案，其特征在于不需要高压大容量电力系统即可对电力电子功率模块进行高压大电流测试，包括：

(1)高压大电流测试所用的电路方案，包括：

多个被测试的高压大电流功率模块；多个高压大电流电感；用于稳定直流侧电压的直流脉冲电容器；高压三相不控整流桥，以及一个为三相不控整流桥提供交流输入的调压变压器。

(2)保证直流侧电压平衡的电力电子模块脉冲驱动策略，包括：

用于驱动电力电子模块的脉冲发生器及其脉冲发生方法(令不同模块具有特定的驱动脉冲，令这些驱动脉冲之间相差一固定角度)。

更具体提供一种用于高压大容量电力电子模块的高压大电流测试的电路系统，其特征在于，包括：多个被测试的高压大电流功率模块，通过高压三相不控整流桥(ZL1，ZL2)，两两组成单相桥功率模块，该多个单相桥功率模块的直流侧具有用于稳定直流侧电压的直流脉冲电容器(C1-1～C3-2)，所述高压三相不控整流桥(ZL1，ZL2)通过一个调压变压器提供交流输入，用于驱动所述被测试的高压大电流功率模块的脉冲发生器，驱动各功率模块，使得各模块之间的电压电流相差固定角度，以使得直流侧总的瞬时功率为零。

本发明提出的用于高压大电流电力电子功率模块测试的试验电路，具有以下效果和优点：

1、直流侧不需要提供为防止直流电源电压波动的大功率直流电源，成本大幅降低。

2、电路可以变化使用。可以对三个大功率电力电子模块进行测试，也可以对多个大功率电力电子模块同时进行测试。

3、通过调整调压变压器的分接头可以改变测试电压，通过改变驱动脉冲的角度差可以改变测试电流的大小，因此用于测试高压大电流模块测试非常灵活。

综上所述，本发明提出的用于高压大电流电力电子功率模块测试的试验电路，既满足功率模块高电压、大电流测试的要求，而且测试灵活、电路安装简单，有效降低了测试设备及测试本身的成本。

附图说明

图1是用于四个逆变器桥臂功率模块测试的电路方案1。

图2是用于六个逆变器桥臂功率模块测试的电路方案2。

图3是用于六个逆变器桥臂功率块测试时桥臂输出电流的波形图。

图4是用于六个逆变器桥臂功率块测试时直流侧电压的波形图。

具体实施方式

●本发明提出的用于功率模块测试的电路方案1，其电路如图1所示，该电路可以用于测试四个逆变器桥臂：其中单相桥功率模块1中T1a、D1a、T2a、D2a、T3a、D3a、T4a、D4a、D5a、D6a构成桥臂1，T1b、D1b、T2b、D2b、T3b、D3b、T4b、D4b、D5b、D6b构成桥臂2；单相桥功率模块2中T1a、D1a、T2a、D2a、T3a、D3a、T4a、D4a、D5a、D6a构成桥臂3，T1b、D1b、T2b、D2b、T3b、D3b、T4b、D4b、D5b、D6b构成桥臂4)，四个逆变器桥臂可以两两组成两个单相桥逆变器。其中图1中，jX为大电感，g1~g8为功率器件的门限，外接脉冲发生器，C_1-1~C_2-2为直流脉冲电容，ZL1和ZL2为三相整流桥。

以下介绍图1测试电路的工作原理：

对于图1所示的电路方案，可以采用一般的脉冲驱动模式，这里只介绍采用特定消谐PWM脉冲驱动模式的原理，具体为：单相桥功率模块1和2的桥臂驱动脉冲采用特定消谐PWM，消除三次、五次、七次等等谐波，调制比为1。假定电容C_1-1、C_1-2和C_2-1、C_2-2的中点N为电压零点，且直流侧电容C_1-1与C_1-2或C_2-1与C_2-2两端电压相等即U_dc1＝U_dc2＝U_dc，则单相桥功率模块1桥臂1的输出电压为：

u₁(t)＝U_dc sinωt        (1)

桥臂2的输出电压为：

u₂(t)＝U_dc sin(ωt-δ)   (2)

其中δ为两桥臂输出电压之间的相角差。

则单相桥功率模块1的输出电压为：

$u_{1O}\left(t\right)=u_1\left(t\right)-u_2\left(t\right)-U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(3\right)$

因此输出电流为：

$i_{1O}\left(t\right)=-\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{2})=--\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(4\right)$

而单相桥功率模块2的桥臂3驱动脉冲与单相桥功率模块1桥臂1类似，只是驱动脉冲的相角落后90度，即其输出电压为：

$u_3\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(5\right)$

单相桥功率模块2的桥臂4的输出电压为：

$u_4\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\δ})---\left(6\right)$

因此单相桥功率模块2的输出电压为：

$u_{1O}\left(t\right)=u_1\left(t\right)-u_2\left(t\right)-U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(3\right)$

单相桥功率模块2的输出电流为：

$i_{2O}\left(t\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\mathrm{\π})=-\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(8\right)$

所以总的瞬时功率为：

p＝u_1O(t)i_1O(t)+u_2O(t)i_2O(t)＝0    (9)

由于总瞬时功率为0，所以直流侧C_1-1、C_1-2上的电压不会发生波动，直流侧只需提供电路及开关器件的损耗，而不需要与功率模块容量相当的大功率直流电源。

●本发明提出的用于功率模块测试的电路方案2，其电路如图2所示，该电路可以用于测试六个逆变器桥臂：其中单相桥功率模块1中T1a、D1a、T2a、D2a、T3a、D3a、T4a、D4a，D5a、D6a构成桥臂1，T1b、D1b、T2b、D2b、T3b、D3b、T4b、D4b、D5b、D6b构成桥臂2；单相桥功率模块2中T1a、D1a、T2a、D2a、T3a、D3a、T4a、D4a，D5a、D6a构成桥臂3，T1b、D1b、T2b、D2b、T3b、D3b、T4b、D4b、D5b、D6b构成桥臂4；单相桥功率模块3中T1a、D1a、T2a、D2a、T3a、D3a、T4a、D4a，D5a、D6a构成桥臂5，T1b、D1b、T2b、D2b、T3b、D3b、T4b、D4b、D5b、D6b构成桥臂6)，六个逆变器桥臂可以两两组成三个单相桥逆变器。其中图2中，jX为大电感，g1~g8为功率器件的门限，外接脉冲发生器，C_1-1~C_3-2为直流脉冲电容，ZL1和ZL2为三相整流桥。

以下介绍图2测试电路的工作原理：

对于图2所示的电路方案，可以采用一般的脉冲驱动模式，这里只介绍采用特定消谐PWM脉冲驱动模式的原理，具体为：单相桥功率模块1、2和3的桥臂驱动脉冲采用特定消谐PWM，消除三次、五次、七次等等谐波，调制比为1。假定电容C_1-1、C_1-2和C_2-1、C_2-2和C_3-1、C_3-2的中点N为电压零点，且直流侧两电容电压相等即U_dc1＝U_dc2＝U_dc，则单相桥功率模块1桥臂1的输出电压为：

u₁(t)＝U_dc sinωt      (10)

桥臂2的输出电压为：

u₂(t)＝U_dc sin(ωt-δ) (11)

其中δ为两桥臂输出电压之间的相角差。

则单相桥功率模块1的输出电压为：

$u_{1O}\left(t\right)=u_1\left(t\right)-u_2\left(t\right)-U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(12\right)$

因此输出电流为：

$i_{1O}\left(t\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{2})=-\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})---\left(13\right)$

而单相桥功率模块2的桥臂3驱动脉冲与单相桥功率模块1桥臂1类似，只是驱动脉冲的相角落后120度，即其输出电压为：

$u_3\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(14\right)$

单相桥功率模块2的桥臂4的输出电压为：

$u_4\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\δ})---\left(15\right)$

因此单相桥功率模块2的输出电压为：

$u_{2O}\left(t\right)=u_3\left(t\right)-u_4\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(16\right)$

单相桥功率模块2的输出电流为：

$i_{2O}\left(t\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{7\mathrm{\π}}{6})=-\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(17\right)$

单相桥功率模块3的桥臂5驱动脉冲与单相桥功率模块1桥臂1类似，只是驱动脉冲的相角领先120度，即其输出电压为：

$u_5\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(18\right)$

单相桥功率模块3的桥臂6的输出电压为：

$u_6\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\δ})---\left(19\right)$

因此单相桥功率模块3的输出电压为：

$u_{3O}\left(t\right)=u_5\left(t\right)-u_6\left(t\right)=U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(20\right)$

单相桥功率模块3的输出电流为：

$i_{3O}\left(t\right)=\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{6})=-\frac{U_{\mathrm{dc}}2\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}}{X}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\δ}}{2}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(21\right)$

所以总的瞬时功率为：

p＝u_1O(t)i_1O(t)+u_2O(t)i_2O(t)+u_3O(t)i_3O(t)＝0   (9)

由于总瞬时功率为0，所以直流侧电容C_1-1、C_1-2上的电压不会发生波动，直流侧只需提供电路及开关器件的损耗，而不需要与功率模块容量相当的大功率直流电源。

图3给出了六个逆变器桥臂功率块测试时桥臂输出电流的波形图，其中电流采用霍尔元件测量得到，此时直流侧电压为1700V(每个电容850V)，而交流输出电流有效值为700A(每毫伏代表20安培)。

图4为上述测试条件下直流侧电容C_1-1的电压波形。由图3和图4可以看到，当直流侧测试电压为1700V，逆变器输出电流为700A，相当于整个电路工作在2.52MVA容量时，直流侧电压的波动很小。

而整个直流侧电源由380V交流供电，经自耦调压变压器TYB(0-400V)、升压变压器SYB至三相整流桥ZL₁和ZL₂的容量均不超过60kVA。可见本发明提出的测试电路可以有效的对高压大功率模块进行高压大电流测试，而直流侧所需的容量仅为逆变器容量的四十分之一，大大降低了测试的成本。

Claims (6)

1、一种用于高压大容量电力电子模块的高压大电流测试的电路系统，其特征在于，包括：

多个被测试的高压大电流功率模块，通过高压三相不控整流桥(ZL1，ZL2)，两两组成单相桥功率模块，该多个单相桥功率模块的直流侧具有用于稳定直流侧电压的直流脉冲电容器(C1-1~C3-2)，所述高压三相不控整流桥(ZL1，ZL2)通过一个调压变压器提供交流输入，用于驱动所述被测试的高压大电流功率模块的脉冲发生器，驱动各功率模块，使得各模块之间的电压电流相差固定角度，以使得直流侧总的瞬时功率为零。

2、如权利要求1所述的电路系统，其中所述脉冲驱动采用特定消谐PWM脉冲驱动模式。

3、如权利要求1所述的电路系统，所述各模块之间的电压电流相差的固定角度为：测试四个逆变器桥臂时，90°；测试六个逆变器桥臂时，120°。

4、一种无需利用高压大容量电力系统即可对高压大电流电力电子模块进行高压大电流测试的方法，包括步骤：

将多个被测试的高压大电流功率模块通过高压三相不控整流桥两两组成多个单相桥功率模块，所述的功率模块包括三电平或多电平单相功率模块、二电平单相功率模块；

在所述多个单相桥功率模块的直流侧设置用于稳定直流侧电压的直流脉冲电容器(C1-1~C3-2)；

用一个调压变压器为所述三相不控整流桥(ZL1，ZL2)提供交流输入；

脉冲驱动各单相桥功率模块，使得各模块之间的电压电流相差固定角度，以使得直流侧总的瞬时功率为零。

5、如权利要求4的方法，其中所述脉冲驱动采用特定消谐PWM脉冲驱动模式。

6、如权利要求4的方法，所述各模块之间的电压电流相差的固定角度为：测试四个逆变器桥臂时，90°；测试六个逆变器桥臂时，120°。

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