利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗

2016-12-19向大为孙林波

电源学报 2016年6期

关键词：测试法变流器手册

宁晨，向大为，孙林波

(1.同济大学电气工程系，上海201804；2.武汉武新电气科技股份有限公司，武汉430345)

利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗

宁晨1，向大为1，孙林波2

(1.同济大学电气工程系，上海201804；2.武汉武新电气科技股份有限公司，武汉430345)

为克服传统方法存在误差较大或工程实施困难的不足，提出一种变流器IGBT模块损耗现场测量的新方法。该方法利用直流电容放电过程现场对变流器IGBT功率模块的损耗特性进行测试，以验证变流器性能或诊断功率模块早期故障；通过适当控制变流器内各个IGBT导通与关断，构成直流电容Buck放电电路实施损耗测试。采用英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4搭建的380 V/10 kW变频器进行了实验研究，实验结果验证了该方法的可行性与有效性。现场测试方法充分利用变流器停机间隙和电容储能对负载电感放电进行测试，无需额外增加硬件，具有经济、方便、安全等优点。

变流器；电容放电；IGBT模块；损耗

变流器作为电能变换系统中的重要部分，广泛应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通等新兴领域中［1］。作为变流器系统的核心部件，IGBT综合了GTR和MOSFET两者的优点，具有开关频率高、驱动功率小、输入阻抗高、通态电阻小等优点。随着电力电子技术的发展，IGBT正朝着高频化、大功率化以及高集成化方向发展，这使得业界对IGBT模块的损耗特性越来越关注。模块损耗对系统性能包括效率与器件发热有重要影响，此外较高的温度会加速IGBT模块的老化，降低系统的可靠性［2-3］。准确获得IGBT损耗数据，对于系统的结构设计、变流器效率、散热器的选择以及器件的寿命预测至关重要［4-5］。

目前，国内外学者对IGBT模块损耗的计算方法进行了深入研究，现有方法主要包括物理模型法、实验测试法和数据手册法［6-10］。物理模型法利用仿真软件计算IGBT模块损耗，通过器件半导体物理模型模拟IGBT的动静态特性，并仿真计算不同运行条件下器件的各种损耗。以开关损耗计算为例，首先仿真得到IGBT开通关断波形，再通过开关过程中电流电压乘积的积分得到开关损耗［6-8］。这种方法的优点是能精确模拟了器件运行的实际条件，缺点是需要用户对器件结构和各种参数有深入理解，工程实际应用较为困难。实验测试法利用高速电流、电压探头测试IGBT模块各种损耗。以开关损耗为例，通过对实测得到的电流电压开关波形的乘积进行积分可获得IGBT开通、关断以及二极管反向恢复损耗的数据［9］。该方法较为准确且能够反映实际系统中各种因素（如门极电阻、温度、寄生参数、直流电压等）对IGBT模块损耗的影响。但由于功率模块安装在变流器内部，IGBT电流（集电极电流）很难直接测量，因此该方法实际工程应用困难。数据手册法是根据IGBT生产商数据手册估算损耗的方法。文献［10］提出了利用手册给出的能量曲线计算不同温度、门极电阻时器件损耗的方法。该方法简单方便，但由于实际系统与生产商测试时系统的参数与工况有所差异，因此误差较大。

为克服传统方法存在的不足，本文研究了一种通过直流电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗的方法，相关工作对优化变流器的性能以及诊断功率器件早期故障具有实际工程意义。

1 变流器IGBT模块损耗现场测试方法

1.1 测试原理

IGBT模块损耗现场测试方法或电容放电法的基本思想是：利用变流器直流电容放电并根据能量守恒定律计算变流器中IGBT模块的各种损耗。

电容放电法的测试原理如图1所示，图中，T1、T2为A相上下管，T3、T4为B相上下管，T5、T6为C相上下管。选取A相下管T2管为被测器件，通过适当的门极脉冲配置，在变流器系统现场可以构成以T2管为开关管，D1为续流二极管，电流iL通过负载B相和A相的直流电容Buck放电电路。其具体方法为：控制T3保持常通，T1、T4、T5、T6管保持常闭，T2管施加恒定占空比的PWM脉冲。通过改变被测开关管的控制信号占空比，可控制直流电容放电电流的大小，让被测开关管处于不同电流工作状态。依此类推，同理可构造出以其它IGBT作为被测器件的Buck电路。

图1 电容放电法原理Fig.1 Principle of capacitor discharge testing method

根据能量守恒定律，直流电容放电过程中电容能量主要消耗于：D1、T2、T3管的导通损耗，T2管的开关损耗和D1管的反向恢复损耗，以及负载电阻的热损耗。能量守恒定律为

式中：C为直流电容；U1、U2为直流电容放电区间的上下限值；D为T2管控制信号的占空比；R为负载电阻；fsw为T2管开关频率；ΔT为电容放电时间，iL_ΔT为负载电流iL在放电区间内的平均值；Pcon_D1、Pcon_T2、Pcon_T3分别为D1、T2、T3的导通损耗功率；Eon_T2、Eoff_T2、Erec_D1分别为T2管的开通、关断损耗以及二极管D1的反向恢复损耗。一般取U1略大于变流器额定直流电压而U2略小。在放电区间内，由于iL变化不大且呈线性，可近似认为被测器件处于恒电流iL_ΔT工作条件下。

由于实际系统中负载电阻阻值通常很小，因此T2占空比很小，可忽略T2导通损耗，而近似认为D1处于恒导通状态。式（1）可进一步简化得

进一步分离出IGBT模块中的通态损耗与开关损耗。首先，由于改变开关频率会导致开关损耗发生变化，因此通过记录不同开关频率下直流电容放电时间ΔT的变化，可以根据式（2）分离出IGBT模块在相应负载电流下的开关损耗为

式中：fsw1和fsw2为2次实验采用的开关频率；ΔT1、ΔT2为相应开关频率下直流电容的放电时间；然后在得到Esw后，带入式（2）可得到对应电流下D1和T3管导通损耗功率之和，即通态损耗 Pcon=Pcon_D1+ Pcon_T3；最后，通过改变被测IGBT的占空比，可调节工作电流，得到IGBT模块在不同电流下的开关和导通损耗。

1.2 测试步骤

电容放电法测试流程如图2所示。在变流器系统现场，系统停机时损耗测试步骤如下。

（1）测试准备：现场测量直流电容与负载电阻。

（2）直流电容充电：对变流器直流母线电容进行充电，使母线电压略大于额定直流电压。

（3）电源隔离：断开变流器与输入电源的电气连接。

（4）产生控制信号。

（5）数据测量：在负载电流等于iL_ΔT的条件下，分别测量开关频率 fsw1、fsw2条件下电容放电时间ΔT1、ΔT2。

（6）数据处理：根据式（3）计算出该电流下被测器件的开关损耗Esw。

（7）改变被测条件：改变测试IGBT脉冲占空比，重复步骤（5）、（6），测量不同电流下器件的损耗情况。

（8）测量其他功率器件损耗:改变IGBT脉冲控制配置，重复步骤（2）～（7），可得出变流器所有功率器件在各种工况条件下的损耗情况。

图2 电容放电法测试流程Fig.2 Flow chart of capacitor discharge testing method

2 实验研究

2.1 实验系统

实验以380 V/10 kW变频器为研究对象，采用英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4，通过直流电容放电法现场测量IGBT模块的损耗特性。实验系统如表1和图3所示，其中直流电容和负载电阻通过电桥现场测量。

2.2 实验测试法与数据手册法

实验测试法是目前工程上能够较为准确测量IGBT模块开关损耗的方法。利用高带宽电流探头测量IGBT模块集电极电流Ic，高带宽差分电压探头测量IGBT管压降Vce，在IGBT开关过程中，通过对VceIc积分，得到IGBT模块的开关损耗，如图4所示。

数据手册法是一种通过查阅IGBT功率模块的技术手册［11］计算模块损耗的方法。该方法使用方便，但实际系统的参数与运行工况与手册中数据往往不尽相同，导致实际损耗与数据手册法计算得到的结果存在较大差异。

表1 系统参数Tab.1 Parameters of the experimental system

图3 电容放电法测试实验系统Fig.3 Experimental system of the capacitor discharge testing method

表2是分别通过实验测试法和数据手册法得到的IGBT模块器件在壳温25°C时不同电流条件下的各种开关损耗（Eon_T2,Eoff_T2及Erec_D1），表中括号内的数据为数据手册法与实验测试法结果的相对误差。结果表明数据手册法计算得到的损耗数据与实验测试法有较大偏差，不能准确反映实际变流器系统中IGBT模块开关损耗的情况。

图4 实验测试法测量开关损耗的波形Fig.4 Waveforms of switching losses with the experimental testing method

表2 实验测试法与数据手册法测得的开关损耗（25°C）Tab.2 Switching losses comparison between the experimental testing and the datasheet methods（at 25°C）

数据手册法损耗计算结果偏差较大的原因主要是由于实际系统杂散电感［12］与数据手册不同。开通过程中，杂散电感导致开通过程管压降Vce减小，开通损耗减小；而关断过程中，杂散电感导致关断电压过冲Vce增加，关断损耗增加。本实验系统杂散电感比手册中测试开关损耗时的杂散电感大，导致实验测试的开通损耗比手册小，而关断损耗比手册大。实验结果验证了采用数据手册法计算IGBT模块开关损耗的局限性。

2.3 电容放电法

设定IGBT模块FF50R12RT4的额定直流工作电压为600 V，选择U1=610 V～U2=590 V作为直流电容的放电区间。在负载电感的作用下，放电区间内负载电流iL变化不大，可将负载电流的平均值iL_ΔT近似作为该区间IGBT模块的工作电流。利用电容放电法测得的直流电容电压Vdc及负载电流iL波形如图5所示。

以壳温25°C时负载电流等于30 A为例，当开关频率为fsw1=4 kHz时，T2管控制信号的占空比D= 2.71%，记录直流电容由610 V放电到590 V的时间ΔT1=18.0 ms。改变开关频率fsw2=8 kHz，D=2.68%（忽略调节占空比D引起的导通损耗的变化），使放电区间内运行电流的平均值保持30 A不变，测得电容放电时间ΔT2=17.2 ms。由于开关损耗的变化，导致放电时间变化，根据式（2）和式（3）可以得到额定直流电压条件下，运行电流为iL_ΔT=30 A时的通态与开关损耗分别为Pcon=79.74 W和Esw=5.61 mJ。

表3是不同温度条件下实验测试法与电容放电法得到的IGBT模块开关损耗Esw及其相对误差。分析表中数据可知:电容放电法测得的结果与实验测试法测得结果的误差小于10%。

图5 电容放电法测试波形Fig.5 Waveforms of the capacitor discharge testing method

表3 电容放电法与实验测试法测得的开关损耗Tab.3 Comparison of switching losses between the capacitor discharging and experimental testing methods

表4比较了电容放电法测得的模块导通损耗Pcon与数据手册法计算的结果。分析表中数据可知：电容发电法测得的通态损耗与数据手册法相比误差小于10%。由于实际系统参数（如门极电阻、直流电压、杂散电感等）对IGBT与二极管导通损耗影响不大，因此数据手册法计算的导通损耗与实际导通损耗偏差不大，接近理论值。表3～表4的实验结果验证了利用直流电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗方法的可行性与有效性。

图6为电容放电法测得的IGBT模块开关损耗随壳温变化的情况。由图可知，随着温度的上升，IGBT模块的开关损耗相应增加。在实际系统中，IGBT模块失效过程大多引起模块温度上升。通过现场测量功率器件损耗变化的情况，可及时诊断出模块内部健康状态信息，防止变流器系统灾难性故障的发生。

表4 电容放电法与数据手册法测得的通态损耗Tab.4 Comparison of conduction losses between the capacitor discharging and the datasheet methods

图6 电容放电法测得的不同壳温条件下开关损耗Fig.6 Switching losses measured by capacitor discharge testing method at different temperatures

3 结语

本文提出一种利用直流电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗的方法。实验研究表明：由于杂散电感等参数不同，实际系统中IGBT模块的开关损耗与数据手册法计算的结果存在较大差异，而电容放电法能较准确地测出模块不同条件下通态与开关损耗的数据（误差小于10%）。所提方法无需修改变流器系统硬件结构，能在工程现场准确方便地测量IGBT模块损耗的情况，可用于优化变流器运行性能以及诊断IGBT模块早期故障。

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On-site Measurement of IGBT Module Lossesin Power Converter System by Discharging DC Capacitor

NING Chen1,XIANG Dawei1,SUN Bill2
(1.Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Wuhan Woostar Electric Science and Technology Co.Ltd.,Wuhan 430345,China)

This paper presents a new on-site testing method for IGBT power loss in order to overcome the shortcomings of traditional method with large error or difficulty in engineering implementation.The method can be applied to verify the performances of converter or diagnosethe early fault of power modules by measuring the losses characteristic of IGBT module on-site by discharging DC capacitor.During the test,a DC capacitor discharging circuit is constructed by proper control of IGBTs inside the converter.Experimental study is carried out on a 380 V/10 kW variable frequency drive（VFD）with Infineon IGBT module FF50R12RT4 in this paper and the results prove the feasibility and effectiveness of the method.The proposed method take use of the existing DC capacitor and load inductance to perform the on-site losses testing when system is shutdown,so that it has advantages of no hardware modification,safe,simple and cost-effective.

power converter;capacitor discharge;IGBT module;power losses