變流器模塊斬波試驗方法的應用與探討

武松劍,余志濤,謝明明

(株洲時代電氣股份有限公司 制造中心,湖南株洲412001)

IGBT器件是構成各種電力電子電路最為關鍵的器件,其模塊化得到了廣泛的應用,但其模塊的測試方法有多種,介紹持續斬波試驗和電容充電斬波試驗兩種方法,并對兩種方法的優劣進行對比。

1 持續斬波試驗方法

試驗電路圖如圖1所示。

試驗采用電阻負載,通過電路圖中所示的兩種接法,分別對變流模塊單橋臂的上管和下管進行斬波試驗;斬波試驗過程中,在電源持續給支撐電容充電的同時,通過信號發生器持續給被測開關器件的驅動電路提供周期為100～300 μ s的連續脈沖信號,以此來驅動開關器件導通關斷,從而檢測開關器件截止電壓與導通電流等一系列關鍵性能指標。

通過示波器對被試變流器功率模塊的電壓和電流波形進行采集,對示波器采集到的電壓和電流波形進行分析,以確認功率器件是否滿足器件技術參數要求。然后通過外圍電路來模擬模塊在變流系統中的實際運行情況,帶一定量模擬負載來檢測模塊工作的可靠性。

2 電容充電斬波試驗方法

該方案中,斬波負載采用電感負載,試驗時利用充電后電容內的電量進行斬波試驗。實際試驗步驟根據產品變流電路結構的區別,主要有以下2種。

2.1 兩電平模式

電路如圖2所示,每個橋臂上的可關斷開關管都帶有反并聯二極管,可以實現能量的雙向流動。該模式的特點是結構簡單且宜于實現有源逆變,因而是目前應用和研究最為活躍的一種類型,也是多開關PWM變流電路中應用最為廣泛的一種。

圖2中有(A)、(B)兩種負載接線方式,其試驗情況如表1所示,其中UCE為IGBT切斷時兩端電壓,UCD為常開IGBT上續流二極管的恢復電壓。進行過流關斷試驗即將負載電感相應減小。

圖1 試驗電路圖

圖2 兩電平變流器斬波試驗電路圖

表1 兩電平試驗情況一覽表

根據考核器件的不同,通過表1選擇試驗電路負載連接方法,以考核同一橋臂上的上管功率器件1為例,選擇(B)連接方式,通過高壓電源為被試模塊中的電容(FC)充電,并用萬用表進行監測,充到一定電壓值后,斷開高壓電源的輸出,對功率器件1的門極提供兩個不同脈沖寬度可調的脈沖(見圖3),控制功率器件1的開通和關斷,通過示波器對功率器件1的電壓UCE、電流和功率器件2的并聯二極管的反向電壓UCD進行采集并記錄。

對示波器采集到的電壓和電流波形進行分析,以確認被試功率器件是否滿足器件技術參數要求。

在該模式下,為了使模塊中相應位置上的IGBT產生導通、斷開的動作,需要通過雙脈沖信號發生器給模塊驅動電路提供相應的門極脈沖。圖3所示即為脈沖波形以及對應時序的負載電流波形,其中t1=L′×希望電流值/V,其中L′為負荷感應系數;V為切換時的負荷電壓;t2與t3的值應符合表1中的切換條件。脈沖波形處于t1下降沿時對斬波電壓進行測量,處于t3上升沿時對二極管恢復電壓進行檢測。

圖3 兩電平斬波試驗門極驅動波形以及負載電流波形示意圖

2.2 三電平模式

在大功率PWM 變流裝置中,常采用如圖4所示的三電平模式電路,這種電路也稱為中點鉗位型(Neutral Point Clamped)電路。

圖4 三電平變流器斬波試驗電路圖形示意圖

(1)穩態斬波試驗

三電平模式采用AC-P/M/C負載接線方式,試驗情況如表2所示,其中UCE為IGBT切斷時兩端電壓,UCD為常開IGBT上續流二極管的恢復電壓。

表2 三電平穩態斬波試驗情況一覽表

與兩電平試驗原理相似,為了使模塊中相應位置上的IGBT產生導通、斷開的動作,需要通過兩通道雙脈沖信號發生器給模塊驅動電路提供相應的門極脈沖,試驗方法同兩電平模式。圖5所示即為兩個通道的脈沖波形以及對應時序的負載電流波形,其中t1=L′×希望電流值/V,L′為負荷感應系數,V為切換時的負荷電壓;t2與t3的值應符合表2中的切換條件。脈沖波形處于t1下降沿時對穩態切斷電壓進行測量,處于t3上升沿時對CD恢復電壓進行檢測。

圖5 三電平穩態斬波試驗門極驅動波形以及負載電流波形示意圖

(2)OC斬波試驗

OC斬波試驗條件和穩態斬波試驗條件一樣,但考核器件的脈沖改為單脈沖,負載電感相應減小。見表3。

圖6所示即為單通道的脈沖波形,其中t1=L′×希望電流值/V,其中L′為負荷感應系數,V為切換時的負荷電壓。

表3 三電平OC斬波試驗情況一覽表

圖6 三電平OC斬波試驗門極驅動波形示意圖

3 2種方法優劣對比

3.1 持續斬波試驗方法

優點:(1)對模塊開關器件的截止電壓、導通電流、開關頻率以及儲能元件的耐壓性能等一些基本性能參數進行了充分的持續考核;(2)該方案模擬了模塊在變流系統中實際工作的情況,可以用于確定整個模塊的控制電路、驅動電路以及變流電路工作是否正常,制造工藝是否滿足設計要求。

缺點:(1)沒有對開關器件續流二極管的續流能力進行考核;(2)對開關器件的過流能力以及過流保護功能的考核缺乏一定的針對性;(3)需要長時間占用測試臺電源負載,降低了試驗效率。

3.2 電容充電斬波方案

優點:(1)在對開關器件以及儲能元件基本性能進行考核的同時,利用電感負載對變化電流具有阻礙作用的特性對二極管的續流能力進行了考核;(2)有針對性的對開關器件的過流能力以及過流保護功能進行了考核;(3)分別對開關管截止電壓以及恢復電壓波形進行了考核;(4)試驗時由于是利用電容放電進行斬波,可以節省測試臺電源資源,簡化試驗操作方法,提高工作效率。

缺點:對開關器件以及儲能元件的持續工作運行能力沒有進行試驗考核。

4 結束語

(1)在進行功率模塊批量生產之前,應對試制產品進行電容充電斬波試驗和老化功率試驗,充分對產品設計電路以及制造工藝進行全方位性能考核;

(2)進入模塊批量生產之后,采用電容充電斬波為主,結合功率試驗的方式。如果變流器模塊為單一橋臂,無法進行功率試驗,只做電容充電斬波試驗。特別是對IGBT器件并聯的功率模塊,必須做斬波試驗。

[1] 趙良炳.現代電力電子技術基礎[M],北京:清華大學出版社,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.