專利名稱：基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種利用雙脈沖測試兩電平變流器開關(guān)性能的電路以及測試方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，兩電平變流器作為主流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中仍占有較大的市場份額。而IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)自身及其驅(qū)動(dòng)的技術(shù)指標(biāo)，以及連接功率器件、直流支撐電容的疊層母排的技術(shù)性能，都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要因素。在功率變換的應(yīng)用場合，IGBT的死區(qū)設(shè)計(jì)是保證功率器件運(yùn)行安全的主要手段，過小的死區(qū)將導(dǎo)致上下橋臂直通，造成器件過流甚至系統(tǒng)崩潰；過大的死區(qū)將增大系統(tǒng)的諧波輸出，對負(fù)載以及電網(wǎng)造成污染。而死區(qū)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)是變流器系統(tǒng)開通、關(guān)斷時(shí)間的延時(shí)，包括IGBT自身的延時(shí)和驅(qū)動(dòng)的延時(shí)。同時(shí)，二極管的反向恢復(fù)特性在變流器的換流過程中起著舉足輕重的作用，如果不能快速地恢復(fù)到阻斷狀態(tài)，下一個(gè)橋臂開通時(shí)將把直流母線短路，造成器件的損壞，掌握反向恢復(fù)電流的峰值，有助于系統(tǒng)保護(hù)策略的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路及方法，可以方便、精確地測量出兩電平變流器系統(tǒng)開通、關(guān)斷延時(shí)。實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:本發(fā)明之一的一種基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路，所述兩電平變流器包括單相兩電平橋臂，該單相兩電平橋臂包括串聯(lián)的帶反并聯(lián)二極管的第一 IGBT和第二 IGBT、用于驅(qū)動(dòng)所述第一 IGBT的第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及用于驅(qū)動(dòng)所述第二 IGBT的第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路；所述測試電路包括所述第一 IGBT、所述第二 IGBT、所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路、所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路、脈沖發(fā)生器、直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器，其中:所述脈沖發(fā)生器分別連接所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路；所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接所述第一 IGBT的門極；所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接所述第二 IGBT的門極；所述第一 IGBT的發(fā)射極連接所述第二 IGBT的集電極；所述續(xù)流電抗器的一端連接所述第二 IGBT的集電極，另一端連接所述第二 IGBT的發(fā)射極；所述疊層母排的正端連接所述第一 IGBT的集電極、所述直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負(fù)端連接所述第二 IGBT的發(fā)射極、所述直流支撐電容的負(fù)極以及所述直流電源的負(fù)極。
本發(fā)明之二的基于本發(fā)明之一所述測試電路的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，包括下列步驟:步驟一，所述脈沖發(fā)生器通過所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制所述第二 IGBT保持關(guān)斷，并通過所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路對所述第一 IGBT施加雙脈沖，即t0時(shí)刻開通，tl時(shí)刻關(guān)斷，t2時(shí)刻再開通，t3時(shí)刻再關(guān)斷；步驟二，在t0至tl時(shí)刻內(nèi)，依靠所述續(xù)流電抗器的阻抗，將流過所述第一 IGBT的電流調(diào)節(jié)至第一額定電流；步驟三，在tl至t2時(shí)刻內(nèi)，所述第一額定電流在所述續(xù)流電抗器與第二 IGBT的反并聯(lián)二極管組成的回路中續(xù)流，直至t2時(shí)刻；步驟四，利用t2時(shí)刻的開通過程，測量第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性，以及第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的開通延時(shí)和第一 IGBT的開通延時(shí)；步驟五，在t2至t3時(shí)刻內(nèi)，依靠所述續(xù)流電抗器的阻抗，將流過所述第一 IGBT的電流調(diào)節(jié)至第二額定電流；步驟六，利用t3時(shí)刻的關(guān)斷過程，測量第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷延時(shí)和第一 IGBT的關(guān)斷延時(shí)。上述的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，其中，所述步驟四，具體包括:在t2時(shí)刻的開通過程中，得到流過所述第二 IGBT的尖峰電流及其時(shí)間跨度，所述尖峰電流即為所述第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)的尖峰電流，所述尖峰電流的時(shí)間跨度即為所述第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間；同時(shí)，根據(jù)Vpulse上升沿和Vge上升沿之間的間隔，得到第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的開通延時(shí)；根據(jù)Vge上升沿和Vce降至O時(shí)刻之間的間隔，得到第一 IGBT的開通延時(shí)；其中，Vpulse為驅(qū)動(dòng)電壓，Vge為第二 IGBT的門極和發(fā)射極之間的門極電壓，Vce為第一 IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓。上述的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，其中，所述步驟六，具體包括:在t3時(shí)刻的關(guān)斷過程中，根據(jù)Vpuls下降沿和Vge下降沿之間的間隔，得到第一IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷延時(shí)；根據(jù)Vge下降沿和Vce升至所述直流電源的電壓的時(shí)刻之間的間隔，得到第一 IGBT的關(guān)斷延時(shí)；其中，Vpulse為驅(qū)動(dòng)電壓，Vge為第二 IGBT S2門極和發(fā)射極之間的門極電壓，Vce為第一 IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過測試IGBT雙脈沖觸發(fā)的形式，精確地測量出兩電平變流器系統(tǒng)中的IGBT驅(qū)動(dòng)、IGBT的開通和關(guān)斷延時(shí)，并測試反并聯(lián)二極管的恢復(fù)特性，對于兩電平變流器的死區(qū)和保護(hù)策略的設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。本發(fā)明對實(shí)驗(yàn)條件要求寬松，便于實(shí)際操作，測試結(jié)果精度高。


圖1是本發(fā)明的基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路的電路圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)波形圖；圖3為本發(fā)明的第二個(gè)脈沖開通過程的實(shí)驗(yàn)波形圖；圖4為本發(fā)明的第二個(gè)脈沖關(guān)斷過程的實(shí)驗(yàn)波形圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。兩電平變流器包括單相兩電平橋臂，該單相兩電平橋臂包括兩只串聯(lián)的IGBT及其驅(qū)動(dòng)，即第一 IGBT S1、第二 IGBT S2、用于驅(qū)動(dòng)第一 IGBT SI的第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100以及用于驅(qū)動(dòng)第二 IGBT S2的第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200 ;其中，第一 IGBT SI和第二 IGBT S2
均帶反并聯(lián)二極管。請參閱圖1，本發(fā)明之一的基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路，包括第一 IGBT S1、第二 IGBT S2、第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100、第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200、脈沖發(fā)生器300、直流支撐電容C、疊層母排(圖中未示)、直流電源DCs以及續(xù)流電抗器L，其中:第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100連接第一 IGBT SI的門極；第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200連接第二 IGBT S2的門極；本實(shí)施例中，第一、第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100、200均選用Concept公司型號為1SD210F2的的驅(qū)動(dòng)板；脈沖發(fā)生器300通過光纖分別連接第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200，通過將電信號轉(zhuǎn)化為光信號分別輸給第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200，第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而分別控制第一 IGBT SI和第二 IGBT S2 ;脈沖發(fā)生器300輸出驅(qū)動(dòng)電壓Vpulse ;本實(shí)施例中，脈沖發(fā)生器300可以選用現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，例如:選擇型號為NF1535的脈沖信號發(fā)生器；也可以通過自主開發(fā)的型號為WPDC BD V5.0的控制板實(shí)現(xiàn)；第一 IGBT SI的發(fā)射極連接第二 IGBT S2的集電極；續(xù)流電抗器L的一端連接第二 IGBT S2的集電極，另一端連接第二 IGBT S2的發(fā)射極；疊層母排的正端DC+連接第一 IGBT SI的集電極、直流支撐電容C的正極以及直流電源DCs的正極；疊層母排的負(fù)端DC-連接第二 IGBT S2的發(fā)射極、直流支撐電容C的負(fù)極以及直流電源DCs的負(fù)極。圖1中，Lo l、Lo 2為疊層母排的等效雜散電感;AC表示交流輸出。本發(fā)明之一的測試電路的工作原理，即本發(fā)明之二的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法(基于本發(fā)明之一的測試電路)，如下: 直流電源DCs施加額定電壓于疊層母排的正端DC+和負(fù)端DC-;脈沖發(fā)生器300通過第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路200控制第二 IGBT S2保持關(guān)斷，并通過第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100對第一 IGBT SI施加雙脈沖，即:使得第一 IGBT SI在tO時(shí)刻開通、tl時(shí)刻關(guān)斷、t2時(shí)刻再開通、t3時(shí)刻再關(guān)斷。請參閱圖2，為發(fā)明的實(shí)驗(yàn)波形圖，圖中Vpul se為驅(qū)動(dòng)電壓，Vge為第二 IGBT S2門極和發(fā)射極之間的門極電壓，Vce為第一 IGBT SI集電極與發(fā)射極之間的電壓，Ic為流過第一 IGBT SI集電極的電流；為了測試不同電壓、電流等級下第一 IGBT SI的性能參數(shù)，需嚴(yán)格控制兩個(gè)脈沖的開通和關(guān)斷時(shí)間，需要直流電源DCs和續(xù)流電抗器L的相互協(xié)調(diào)；在第一個(gè)開通區(qū)間tO至tl內(nèi)，電流Ic線性上升，此處的目的是保證在第二個(gè)開通時(shí)刻t2流過第一 IGBT SI的電流足夠大至測試值Ictl (第一額定電流)。所需的開通時(shí)間可以由電感的動(dòng)態(tài)特性得出:tl-tO=IctlXL/Vce ；
在tl至t2時(shí)間內(nèi)第一 IGBT SI關(guān)斷，Ictl在續(xù)流電抗器L與第二 IGBT S2的反并聯(lián)二極管組成的回路中續(xù)流至第一 IGBT SI再次開通時(shí)刻t2 ;—般情況下對IGBT的關(guān)斷性能有更高的要求，即可以關(guān)斷更大的電流；因此可以利用t2至t3的開通時(shí)間，將流經(jīng)第一 IGBT SI的電流調(diào)節(jié)至更高的值Ict2 (第二額定電流)，所需的開通時(shí)間為:t3_t2=I ct2XL/Vce- (tl_t0)；請參閱圖3，圖3為圖2中I區(qū)域的放大波形，即第二個(gè)脈沖開通過程的實(shí)驗(yàn)波形圖。第一 IGBT SI再次開通后，續(xù)流電抗器L中的電流流經(jīng)第一 IGBT SI，此時(shí)與第二 IGBTS2反并聯(lián)的二極管承受反壓，經(jīng)歷反向恢復(fù)過程。比較Vpulse和Vge脈沖上升沿的間隔，可以得到第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100的開通延時(shí)Tdonl ;當(dāng)?shù)谝?IGBT SI完全開通時(shí)Vce下降至0，比較該時(shí)刻和Vge的上升沿，可以得出第一 IGBT SI自身的開通延時(shí)Tdon2 ;由此可以得到整個(gè)兩電平變流器系統(tǒng)的開通延時(shí)Td0n=Tdonl+Tdon2 ；Ic尖峰的時(shí)間跨度為第二 IGBT S2反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間Trr，并由此波形可以得到反向恢復(fù)的尖峰電流Irr-peak。請參閱圖4，圖4為圖2中2區(qū)域的放大波形，即第二個(gè)脈沖關(guān)斷過程的實(shí)驗(yàn)波形圖。比較Vpulse和Vge脈沖下降沿的間隔，可以得到第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路100的關(guān)斷延時(shí)Tdoffl ;當(dāng)?shù)谝?IGBT SI完全關(guān)斷時(shí)Vce上升至直流母線電壓DCs，比較該時(shí)刻和Vge的下降沿，可以得出第一 IGBT SI自身的關(guān)斷延時(shí)Tdoff2;由此可以得到整個(gè)兩電平變流器系統(tǒng)的關(guān)斷延時(shí) Tdoff=Tdoffl+Tdoff2。因此，本發(fā)明通過測試IGBT雙脈沖觸發(fā)的形式，精確地測試IGBT驅(qū)動(dòng)、IGBT的開通和關(guān)斷延時(shí)，以及測試反并聯(lián)二極管的恢復(fù)特性，對于二電平變流器的死區(qū)和保護(hù)策略的設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。
權(quán)利要求
1.一種基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路，所述兩電平變流器包括單相兩電平橋臂，該單相兩電平橋臂包括串聯(lián)的帶反并聯(lián)二極管的第一 IGBT和第二 IGBT、用于驅(qū)動(dòng)所述第一 IGBT的第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及用于驅(qū)動(dòng)所述第二 IGBT的第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路； 其特征在于，所述測試電路包括所述第一 IGBT、所述第二 IGBT、所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路、所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路、脈沖發(fā)生器、直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器，其中: 所述脈沖發(fā)生器分別連接所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路和第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路； 所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接所述第一 IGBT的門極； 所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接所述第二 IGBT的門極； 所述第一 IGBT的發(fā)射極連接所述第二 IGBT的集電極； 所述續(xù)流電抗器的一端連接所述第二 IGBT的集電極，另一端連接所述第二 IGBT的發(fā)射極； 所述疊層母排的正端連接所述第一 IGBT的集電極、所述直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負(fù)端連接所述第二 IGBT的發(fā)射極、所述直流支撐電容的負(fù)極以及所述直流電源的負(fù)極。
2.一種基于權(quán)利要求1所述測試電路的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟一，所述脈沖發(fā)生器通過所述第二 IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制所述第二 IGBT保持關(guān)斷，并通過所述第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路對所述第一 IGBT施加雙脈沖，即tO時(shí)刻開通，tl時(shí)刻關(guān)斷，t2時(shí)刻再開通，t3時(shí)刻再關(guān)斷； 步驟二，在tO至tl時(shí)刻內(nèi)，依靠所述續(xù)流電抗器的阻抗，將流過所述第一 IGBT的電流調(diào)節(jié)至第一額定電流； 步驟三，在tl至t2時(shí)刻內(nèi)，所述第一額定電流在所述續(xù)流電抗器與第二 IGBT的反并聯(lián)二極管組成的回路中續(xù)流，直至t2時(shí)刻； 步驟四，利用t2時(shí)刻的開通過程，測量第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性，以及第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的開通延時(shí)和第一 IGBT的開通延時(shí)； 步驟五，在t2至t3時(shí)刻內(nèi)，依靠所述續(xù)流電抗器的阻抗，將流過所述第一 IGBT的電流調(diào)節(jié)至第二額定電流； 步驟六，利用t3時(shí)刻的關(guān)斷過程，測量第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷延時(shí)和第一 IGBT的關(guān)斷延時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，其特征在于，所述步驟四，具體包括: 在t2時(shí)刻的開通過程中，得到流過所述第二 IGBT的尖峰電流及其時(shí)間跨度，所述尖峰電流即為所述第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)的尖峰電流，所述尖峰電流的時(shí)間跨度即為所述第二 IGBT的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間； 同時(shí)，根據(jù)Vpulse上升沿和Vge上升沿之間的間隔，得到第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的開通延時(shí)；根據(jù)Vge上升沿和Vce降至O時(shí)刻之間的間隔，得到第一 IGBT的開通延時(shí)；其中，Vpulse為驅(qū)動(dòng)電壓，Vge為第二 IGBT的門極和發(fā)射極之間的門極電壓，Vce為第一 IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的兩電平變流器開關(guān)性能的測試方法，其特征在于，所述步驟六，具體包括: 在t3時(shí)刻的關(guān)斷過程中，根據(jù)Vpuls下降沿和Vge下降沿之間的間隔，得到第一 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷延時(shí)；根據(jù)Vge下降沿和Vce升至所述直流電源的電壓的時(shí)刻之間的間隔，得到第一 IGBT的關(guān)斷延時(shí)；其中，Vpulse為驅(qū)動(dòng)電壓，Vge為第二 IGBT S2門極和發(fā)射極之間的門極電壓，Vce為第一 IGBT`集電極與發(fā)射極之間的電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙脈沖的兩電平變流器開關(guān)性能的測試電路及方法，電路包括串聯(lián)的第一IGBT和第二IGBT、第一IGBT驅(qū)動(dòng)電路、第二IGBT驅(qū)動(dòng)電路、脈沖發(fā)生器、直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器。方法包括脈沖發(fā)生器通過第二IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制第二IGBT保持關(guān)斷，并通過第一IGBT驅(qū)動(dòng)電路對第一IGBT施加雙脈沖；利用第二個(gè)脈沖開通過程測量第二IGBT反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性，以及第一IGBT驅(qū)動(dòng)電路和第一IGBT的開通延時(shí)；利用第二個(gè)脈沖關(guān)斷過程，測量第一IGBT驅(qū)動(dòng)電路和第一IGBT的關(guān)斷延時(shí)。本發(fā)明簡單易行，能精確測量出兩電平變流器系統(tǒng)開通、關(guān)斷延時(shí)。
文檔編號G01R31/27GK103105554SQ201310032900
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者張魯華, 宋小亮, 尹正兵, 吳競之, 陳國棟, 董祖毅 申請人:上海電氣集團(tuán)股份有限公司