变流器模块斩波试验方法的应用与探讨

武松剑,余志涛,谢明明

(株洲时代电气股份有限公司 制造中心,湖南株洲412001)

IGBT器件是构成各种电力电子电路最为关键的器件,其模块化得到了广泛的应用,但其模块的测试方法有多种,介绍持续斩波试验和电容充电斩波试验两种方法,并对两种方法的优劣进行对比。

1 持续斩波试验方法

试验电路图如图1所示。

试验采用电阻负载,通过电路图中所示的两种接法,分别对变流模块单桥臂的上管和下管进行斩波试验;斩波试验过程中,在电源持续给支撑电容充电的同时,通过信号发生器持续给被测开关器件的驱动电路提供周期为100～300 μ s的连续脉冲信号,以此来驱动开关器件导通关断,从而检测开关器件截止电压与导通电流等一系列关键性能指标。

通过示波器对被试变流器功率模块的电压和电流波形进行采集,对示波器采集到的电压和电流波形进行分析,以确认功率器件是否满足器件技术参数要求。然后通过外围电路来模拟模块在变流系统中的实际运行情况,带一定量模拟负载来检测模块工作的可靠性。

2 电容充电斩波试验方法

该方案中,斩波负载采用电感负载,试验时利用充电后电容内的电量进行斩波试验。实际试验步骤根据产品变流电路结构的区别,主要有以下2种。

2.1 两电平模式

电路如图2所示,每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管,可以实现能量的双向流动。该模式的特点是结构简单且宜于实现有源逆变,因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型,也是多开关PWM变流电路中应用最为广泛的一种。

图2中有(A)、(B)两种负载接线方式,其试验情况如表1所示,其中UCE为IGBT切断时两端电压,UCD为常开IGBT上续流二极管的恢复电压。进行过流关断试验即将负载电感相应减小。

图1 试验电路图

图2 两电平变流器斩波试验电路图

表1 两电平试验情况一览表

根据考核器件的不同,通过表1选择试验电路负载连接方法,以考核同一桥臂上的上管功率器件1为例,选择(B)连接方式,通过高压电源为被试模块中的电容(FC)充电,并用万用表进行监测,充到一定电压值后,断开高压电源的输出,对功率器件1的门极提供两个不同脉冲宽度可调的脉冲(见图3),控制功率器件1的开通和关断,通过示波器对功率器件1的电压UCE、电流和功率器件2的并联二极管的反向电压UCD进行采集并记录。

对示波器采集到的电压和电流波形进行分析,以确认被试功率器件是否满足器件技术参数要求。

在该模式下,为了使模块中相应位置上的IGBT产生导通、断开的动作,需要通过双脉冲信号发生器给模块驱动电路提供相应的门极脉冲。图3所示即为脉冲波形以及对应时序的负载电流波形,其中t1=L′×希望电流值/V,其中L′为负荷感应系数;V为切换时的负荷电压;t2与t3的值应符合表1中的切换条件。脉冲波形处于t1下降沿时对斩波电压进行测量,处于t3上升沿时对二极管恢复电压进行检测。

图3 两电平斩波试验门极驱动波形以及负载电流波形示意图

2.2 三电平模式

在大功率PWM 变流装置中,常采用如图4所示的三电平模式电路,这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped)电路。

图4 三电平变流器斩波试验电路图形示意图

(1)稳态斩波试验

三电平模式采用AC-P/M/C负载接线方式,试验情况如表2所示,其中UCE为IGBT切断时两端电压,UCD为常开IGBT上续流二极管的恢复电压。

表2 三电平稳态斩波试验情况一览表

与两电平试验原理相似,为了使模块中相应位置上的IGBT产生导通、断开的动作,需要通过两通道双脉冲信号发生器给模块驱动电路提供相应的门极脉冲,试验方法同两电平模式。图5所示即为两个通道的脉冲波形以及对应时序的负载电流波形,其中t1=L′×希望电流值/V,L′为负荷感应系数,V为切换时的负荷电压;t2与t3的值应符合表2中的切换条件。脉冲波形处于t1下降沿时对稳态切断电压进行测量,处于t3上升沿时对CD恢复电压进行检测。

图5 三电平稳态斩波试验门极驱动波形以及负载电流波形示意图

(2)OC斩波试验

OC斩波试验条件和稳态斩波试验条件一样,但考核器件的脉冲改为单脉冲,负载电感相应减小。见表3。

图6所示即为单通道的脉冲波形,其中t1=L′×希望电流值/V,其中L′为负荷感应系数,V为切换时的负荷电压。

表3 三电平OC斩波试验情况一览表

图6 三电平OC斩波试验门极驱动波形示意图

3 2种方法优劣对比

3.1 持续斩波试验方法

优点:(1)对模块开关器件的截止电压、导通电流、开关频率以及储能元件的耐压性能等一些基本性能参数进行了充分的持续考核;(2)该方案模拟了模块在变流系统中实际工作的情况,可以用于确定整个模块的控制电路、驱动电路以及变流电路工作是否正常,制造工艺是否满足设计要求。

缺点:(1)没有对开关器件续流二极管的续流能力进行考核;(2)对开关器件的过流能力以及过流保护功能的考核缺乏一定的针对性;(3)需要长时间占用测试台电源负载,降低了试验效率。

3.2 电容充电斩波方案

优点:(1)在对开关器件以及储能元件基本性能进行考核的同时,利用电感负载对变化电流具有阻碍作用的特性对二极管的续流能力进行了考核;(2)有针对性的对开关器件的过流能力以及过流保护功能进行了考核;(3)分别对开关管截止电压以及恢复电压波形进行了考核;(4)试验时由于是利用电容放电进行斩波,可以节省测试台电源资源,简化试验操作方法,提高工作效率。

缺点:对开关器件以及储能元件的持续工作运行能力没有进行试验考核。

4 结束语

(1)在进行功率模块批量生产之前,应对试制产品进行电容充电斩波试验和老化功率试验,充分对产品设计电路以及制造工艺进行全方位性能考核;

(2)进入模块批量生产之后,采用电容充电斩波为主,结合功率试验的方式。如果变流器模块为单一桥臂,无法进行功率试验,只做电容充电斩波试验。特别是对IGBT器件并联的功率模块,必须做斩波试验。

[1] 赵良炳.现代电力电子技术基础[M],北京:清华大学出版社,1995.

[2] Eric Carroll,Sven Klaka,Stefan Linder.Integrated Gate-Commutated Thyristors;A New Approach to High Power Electionics[A].IEMDC'97[C].wau-kee,May 1997.

[3] Lee F C,Dengming Peng.Power electionics bluding block and system intergration[C].Conference Record of IEEEPIEMC,2001:1-8.