CN103105554A - 基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路及方法，电路包括：串联的第一IGBT和第二IGBT、第一IGBT驱动电路、第二IGBT驱动电路、脉冲发生器、直流支撑电容、叠层母排、直流电源以及续流电抗器。方法包括：脉冲发生器通过第二IGBT驱动电路控制第二IGBT保持关断，并通过第一IGBT驱动电路对第一IGBT施加双脉冲；利用第二个脉冲开通过程测量第二IGBT反并联二极管的反向恢复特性，以及第一IGBT驱动电路和第一IGBT的开通延时；利用第二个脉冲关断过程，测量第一IGBT驱动电路和第一IGBT的关断延时。本发明简单易行，能精确测量出两电平变流器系统开通、关断延时。

Description

基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路及方法

技术领域

本发明涉及电力电子应用领域，具体涉及一种利用双脉冲测试两电平变流器开关性能的电路以及测试方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展和应用领域的不断扩大，两电平变流器作为主流的拓扑结构在实际应用中仍占有较大的市场份额。而IGBT（绝缘栅双极型晶体管）自身及其驱动的技术指标，以及连接功率器件、直流支撑电容的叠层母排的技术性能，都是系统设计中的重要因素。在功率变换的应用场合，IGBT的死区设计是保证功率器件运行安全的主要手段，过小的死区将导致上下桥臂直通，造成器件过流甚至系统崩溃；过大的死区将增大系统的谐波输出，对负载以及电网造成污染。而死区设计的重要依据是变流器系统开通、关断时间的延时，包括IGBT自身的延时和驱动的延时。

同时，二极管的反向恢复特性在变流器的换流过程中起着举足轻重的作用，如果不能快速地恢复到阻断状态，下一个桥臂开通时将把直流母线短路，造成器件的损坏，掌握反向恢复电流的峰值，有助于系统保护策略的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路及方法，可以方便、精确地测量出两电平变流器系统开通、关断延时。

实现上述目的的技术方案是：

本发明之一的一种基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路，所述两电平变流器包括单相两电平桥臂，该单相两电平桥臂包括串联的带反并联二极管的第一IGBT和第二IGBT、用于驱动所述第一IGBT的第一IGBT驱动电路以及用于驱动所述第二IGBT的第二IGBT驱动电路；

所述测试电路包括所述第一IGBT、所述第二IGBT、所述第一IGBT驱动电路、所述第二IGBT驱动电路、脉冲发生器、直流支撑电容、叠层母排、直流电源以及续流电抗器，其中：

所述脉冲发生器分别连接所述第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路；

所述第一IGBT驱动电路连接所述第一IGBT的门极；

所述第二IGBT驱动电路连接所述第二IGBT的门极；

所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极；

所述续流电抗器的一端连接所述第二IGBT的集电极，另一端连接所述第二IGBT的发射极；

所述叠层母排的正端连接所述第一IGBT的集电极、所述直流支撑电容的正极以及所述直流电源的正极；所述叠层母排的负端连接所述第二IGBT的发射极、所述直流支撑电容的负极以及所述直流电源的负极。

本发明之二的基于本发明之一所述测试电路的两电平变流器开关性能的测试方法，包括下列步骤：

步骤一，所述脉冲发生器通过所述第二IGBT驱动电路控制所述第二IGBT保持关断，并通过所述第一IGBT驱动电路对所述第一IGBT施加双脉冲，即t0时刻开通，t1时刻关断，t2时刻再开通，t3时刻再关断；

步骤二，在t0至t1时刻内，依靠所述续流电抗器的阻抗，将流过所述第一IGBT的电流调节至第一额定电流；

步骤三，在t1至t2时刻内，所述第一额定电流在所述续流电抗器与第二IGBT的反并联二极管组成的回路中续流，直至t2时刻；

步骤四，利用t2时刻的开通过程，测量第二IGBT的反并联二极管的反向恢复特性，以及第一IGBT驱动电路的开通延时和第一IGBT的开通延时；

步骤五，在t2至t3时刻内，依靠所述续流电抗器的阻抗，将流过所述第一IGBT的电流调节至第二额定电流；

步骤六，利用t3时刻的关断过程，测量第一IGBT驱动电路的关断延时和第一IGBT的关断延时。

上述的两电平变流器开关性能的测试方法，其中，所述步骤四，具体包括：

在t2时刻的开通过程中，得到流过所述第二IGBT的尖峰电流及其时间跨度，所述尖峰电流即为所述第二IGBT的反并联二极管的反向恢复的尖峰电流，所述尖峰电流的时间跨度即为所述第二IGBT的反并联二极管的反向恢复时间；

同时，根据Vpulse上升沿和Vge上升沿之间的间隔，得到第一IGBT驱动电路的开通延时；根据Vge上升沿和Vce降至0时刻之间的间隔，得到第一IGBT的开通延时；其中，Vpulse为驱动电压，Vge为第二IGBT的门极和发射极之间的门极电压，Vce为第一IGBT集电极与发射极之间的电压。

上述的两电平变流器开关性能的测试方法，其中，所述步骤六，具体包括：

在t3时刻的关断过程中，根据Vpuls下降沿和Vge下降沿之间的间隔，得到第一IGBT驱动电路的关断延时；根据Vge下降沿和Vce升至所述直流电源的电压的时刻之间的间隔，得到第一IGBT的关断延时；其中，Vpulse为驱动电压，Vge为第二IGBT S2门极和发射极之间的门极电压，Vce为第一IGBT集电极与发射极之间的电压。

本发明的有益效果是：本发明通过测试IGBT双脉冲触发的形式，精确地测量出两电平变流器系统中的IGBT驱动、IGBT的开通和关断延时，并测试反并联二极管的恢复特性，对于两电平变流器的死区和保护策略的设计起着非常重要的作用。本发明对实验条件要求宽松，便于实际操作，测试结果精度高。

附图说明

图1是本发明的基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路的电路图；

图2为本发明的实验波形图；

图3为本发明的第二个脉冲开通过程的实验波形图；

图4为本发明的第二个脉冲关断过程的实验波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

两电平变流器包括单相两电平桥臂，该单相两电平桥臂包括两只串联的IGBT及其驱动，即第一IGBT S1、第二IGBT S2、用于驱动第一IGBT S1的第一IGBT驱动电路100以及用于驱动第二IGBT S2的第二IGBT驱动电路200；其中，第一IGBT S1和第二IGBT S2均带反并联二极管。

请参阅图1，本发明之一的基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路，包括第一IGBT S1、第二IGBT S2、第一IGBT驱动电路100、第二IGBT驱动电路200、脉冲发生器300、直流支撑电容C、叠层母排（图中未示）、直流电源DCs以及续流电抗器L，其中：

第一IGBT驱动电路100连接第一IGBT S1的门极；第二IGBT驱动电路200连接第二IGBT S2的门极；本实施例中，第一、第二IGBT驱动电路100、200均选用Concept公司型号为1SD210F2的的驱动板；

脉冲发生器300通过光纤分别连接第一IGBT驱动电路100和第二IGBT驱动电路200，通过将电信号转化为光信号分别输给第一IGBT驱动电路100和第二IGBT驱动电路200，第一IGBT驱动电路100和第二IGBT驱动电路200将接收到的光信号转化为电信号，从而分别控制第一IGBT S1和第二IGBT S2；脉冲发生器300输出驱动电压Vpulse；本实施例中，脉冲发生器300可以选用现有产品实现，例如：选择型号为NF1535的脉冲信号发生器；也可以通过自主开发的型号为WPDC BD V5.0的控制板实现；

第一IGBT S1的发射极连接第二IGBT S2的集电极；

续流电抗器L的一端连接第二IGBT S2的集电极，另一端连接第二IGBT S2的发射极；

叠层母排的正端DC+连接第一IGBT S1的集电极、直流支撑电容C的正极以及直流电源DCs的正极；叠层母排的负端DC-连接第二IGBT S2的发射极、直流支撑电容C的负极以及直流电源DCs的负极。

图1中，Lσ1、Lσ2为叠层母排的等效杂散电感；AC表示交流输出。

本发明之一的测试电路的工作原理，即本发明之二的两电平变流器开关性能的测试方法（基于本发明之一的测试电路），如下：

直流电源DCs施加额定电压于叠层母排的正端DC+和负端DC-；脉冲发生器300通过第二IGBT驱动电路200控制第二IGBT S2保持关断，并通过第一IGBT驱动电路100对第一IGBT S1施加双脉冲，即：使得第一IGBT S1在t0时刻开通、t1时刻关断、t2时刻再开通、t3时刻再关断。

请参阅图2，为发明的实验波形图，图中Vpul se为驱动电压，Vge为第二IGBTS2门极和发射极之间的门极电压，Vce为第一IGBT S1集电极与发射极之间的电压，Ic为流过第一IGBT S1集电极的电流；

为了测试不同电压、电流等级下第一IGBT S1的性能参数，需严格控制两个脉冲的开通和关断时间，需要直流电源DCs和续流电抗器L的相互协调；在第一个开通区间t0至t1内，电流Ic线性上升，此处的目的是保证在第二个开通时刻t2流过第一IGBT S1的电流足够大至测试值Ict1（第一额定电流）。所需的开通时间可以由电感的动态特性得出：

t1-t0=Ict1×L/Vce；

在t1至t2时间内第一IGBT S1关断，Ict1在续流电抗器L与第二IGBT S2的反并联二极管组成的回路中续流至第一IGBT S1再次开通时刻t2；一般情况下对IGBT的关断性能有更高的要求，即可以关断更大的电流；因此可以利用t2至t3的开通时间，将流经第一IGBT S1的电流调节至更高的值Ict2（第二额定电流），所需的开通时间为：

t3-t2=I ct2×L/Vce-（t1-t0）；

请参阅图3，图3为图2中1区域的放大波形，即第二个脉冲开通过程的实验波形图。第一IGBT S1再次开通后，续流电抗器L中的电流流经第一IGBT S1，此时与第二IGBT S2反并联的二极管承受反压，经历反向恢复过程。比较Vpulse和Vge脉冲上升沿的间隔，可以得到第一IGBT驱动电路100的开通延时Tdon1；当第一IGBT S1完全开通时Vce下降至0，比较该时刻和Vge的上升沿，可以得出第一IGBT S1自身的开通延时Tdon2；由此可以得到整个两电平变流器系统的开通延时Tdon=Tdon1+Tdon2；Ic尖峰的时间跨度为第二IGBT S2反并联二极管的反向恢复时间Trr，并由此波形可以得到反向恢复的尖峰电流Irr-peak。

请参阅图4，图4为图2中2区域的放大波形，即第二个脉冲关断过程的实验波形图。比较Vpulse和Vge脉冲下降沿的间隔，可以得到第一IGBT驱动电路100的关断延时Tdoff1；当第一IGBT S1完全关断时Vce上升至直流母线电压DCs，比较该时刻和Vge的下降沿，可以得出第一IGBT S1自身的关断延时Tdoff2；由此可以得到整个两电平变流器系统的关断延时Tdoff=Tdoff1+Tdoff2。

因此，本发明通过测试IGBT双脉冲触发的形式，精确地测试IGBT驱动、IGBT的开通和关断延时，以及测试反并联二极管的恢复特性，对于二电平变流器的死区和保护策略的设计起着非常重要的作用。

Claims (4)

1.一种基于双脉冲的两电平变流器开关性能的测试电路，所述两电平变流器包括单相两电平桥臂，该单相两电平桥臂包括串联的带反并联二极管的第一IGBT和第二IGBT、用于驱动所述第一IGBT的第一IGBT驱动电路以及用于驱动所述第二IGBT的第二IGBT驱动电路；

其特征在于，所述测试电路包括所述第一IGBT、所述第二IGBT、所述第一IGBT驱动电路、所述第二IGBT驱动电路、脉冲发生器、直流支撑电容、叠层母排、直流电源以及续流电抗器，其中：

所述脉冲发生器分别连接所述第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路；

所述第一IGBT驱动电路连接所述第一IGBT的门极；

所述第二IGBT驱动电路连接所述第二IGBT的门极；

所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极；

所述续流电抗器的一端连接所述第二IGBT的集电极，另一端连接所述第二IGBT的发射极；

所述叠层母排的正端连接所述第一IGBT的集电极、所述直流支撑电容的正极以及所述直流电源的正极；所述叠层母排的负端连接所述第二IGBT的发射极、所述直流支撑电容的负极以及所述直流电源的负极。

2.一种基于权利要求1所述测试电路的两电平变流器开关性能的测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一，所述脉冲发生器通过所述第二IGBT驱动电路控制所述第二IGBT保持关断，并通过所述第一IGBT驱动电路对所述第一IGBT施加双脉冲，即t0时刻开通，t1时刻关断，t2时刻再开通，t3时刻再关断；

步骤二，在t0至t1时刻内，依靠所述续流电抗器的阻抗，将流过所述第一IGBT的电流调节至第一额定电流；

步骤三，在t1至t2时刻内，所述第一额定电流在所述续流电抗器与第二IGBT的反并联二极管组成的回路中续流，直至t2时刻；

步骤四，利用t2时刻的开通过程，测量第二IGBT的反并联二极管的反向恢复特性，以及第一IGBT驱动电路的开通延时和第一IGBT的开通延时；

步骤五，在t2至t3时刻内，依靠所述续流电抗器的阻抗，将流过所述第一IGBT的电流调节至第二额定电流；

步骤六，利用t3时刻的关断过程，测量第一IGBT驱动电路的关断延时和第一IGBT的关断延时。

3.根据权利要求2所述的两电平变流器开关性能的测试方法，其特征在于，所述步骤四，具体包括：

在t2时刻的开通过程中，得到流过所述第二IGBT的尖峰电流及其时间跨度，所述尖峰电流即为所述第二IGBT的反并联二极管的反向恢复的尖峰电流，所述尖峰电流的时间跨度即为所述第二IGBT的反并联二极管的反向恢复时间；

同时，根据Vpulse上升沿和Vge上升沿之间的间隔，得到第一IGBT驱动电路的开通延时；根据Vge上升沿和Vce降至0时刻之间的间隔，得到第一IGBT的开通延时；其中，Vpulse为驱动电压，Vge为第二IGBT的门极和发射极之间的门极电压，Vce为第一IGBT集电极与发射极之间的电压。

4.根据权利要求2或3所述的两电平变流器开关性能的测试方法，其特征在于，所述步骤六，具体包括：

在t3时刻的关断过程中，根据Vpuls下降沿和Vge下降沿之间的间隔，得到第一IGBT驱动电路的关断延时；根据Vge下降沿和Vce升至所述直流电源的电压的时刻之间的间隔，得到第一IGBT的关断延时；其中，Vpulse为驱动电压，Vge为第二IGBT S2门极和发射极之间的门极电压，Vce为第一IGBT集电极与发射极之间的电压。

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