三相逆變系統(tǒng)中IGBT模塊功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李曉光

（國網(wǎng)河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061113）

三相逆變系統(tǒng)中IGBT模塊功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李曉光

（國網(wǎng)河北省電力公司滄州供電分公司，河北 滄州 061113）

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電流器中IGBT模塊壽命主要受風(fēng)速隨機(jī)性和內(nèi)部溫度變化的影響，采用電壓型三相SPWM逆變電路的結(jié)構(gòu)對IGBT模塊功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建功率循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，通過分析其輸出結(jié)果，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺可以很好的模擬IGBT實(shí)際工作環(huán)境，對研究IGBT功率循環(huán)的失效分析有著重要意義。

三相逆變系統(tǒng)；功率循環(huán)；實(shí)驗(yàn)平臺

0　引言

隨著風(fēng)力發(fā)電的成熟以及市場的不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電正逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化。而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中換流器的IGBT模塊是系統(tǒng)運(yùn)行中可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)，IGBT不斷的工作在開通關(guān)斷狀態(tài)下，會導(dǎo)致溫度高低不停的變化，從而產(chǎn)生溫差，溫差越大功率循環(huán)次數(shù)越低。因此搭建功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺模擬以上情況的出現(xiàn)，對研究功率循環(huán)和溫度變化帶來的損傷對IGBT壽命的影響有著十分重要的意義［1］。

目前的研究多是針對功率循環(huán)與IGBT壽命的關(guān)系。文獻(xiàn)［2］采用功率循環(huán)測試對IGBT進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn)來研究循環(huán)次數(shù)與電壓、溫度間的關(guān)系。文獻(xiàn)［3］運(yùn)用功率循環(huán)技術(shù)對功率模塊的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。文獻(xiàn)［4］提出一種機(jī)側(cè)變流器IGBT模塊的功率循環(huán)能力評估方法，研究了風(fēng)速對功率循環(huán)能力的影響。文獻(xiàn)［5］利用電子設(shè)備評估模型，對IGBT模塊的功率循環(huán)能力進(jìn)行了評估。以上文獻(xiàn)均未對功率循環(huán)系統(tǒng)搭建進(jìn)行說明。采用電壓型三相SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)對模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)此模型搭建三相逆變系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，通過仿真實(shí)驗(yàn)，對其工作原理、控制電路及諧波等進(jìn)行分析，為研究IGBT模塊的電氣性能及逆變系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性奠定了良好的基礎(chǔ)。

1　三相逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變具有實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成交流電的功能。逆變系統(tǒng)是通過電力電子裝置的導(dǎo)通與關(guān)斷完成逆變的開關(guān)電路。控制電路是產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路，產(chǎn)生的脈沖是由改變電壓信號來改變的，這些脈沖可以用來驅(qū)動電力電子器件的通斷。在逆變電路中，除了逆變電路和控制電路外，還有輸入電路、保護(hù)電路和輸出電路。

由于逆變主電路輸入要求為穩(wěn)定的直流電，輸入電路主要功能為將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟槭沟玫降碾妷浩椒€(wěn)，還應(yīng)采用濾波器。輸出電路包括濾波電路和負(fù)載電路，隔離式逆變系統(tǒng)的輸出電路前還有隔離變壓器。控制電路是根據(jù)輸出的波形的要求來生成一系列脈沖，通過改變脈沖信號，來控制IGBT模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而完成逆變。保護(hù)電路主要包括：輸入過壓、欠壓保護(hù)，輸出過壓、欠壓保護(hù)。逆變電路是由開關(guān)管、電阻、電感和電容等器件組成的變換電路，以下研究主要使用隔離式逆變器。

三相逆變主體結(jié)構(gòu)采用三相全橋逆變，以得到三相逆變波形。由于輸入電源為220 V的交流電，用5 k W，1∶1的隔離變壓器將220 V交流電與設(shè)計(jì)電路隔離。用75 A，220 V的全控整流模塊將其整流，得到直流電流。在整流回路中放置一個(gè)負(fù)反饋環(huán)節(jié)使輸出電流更加穩(wěn)定。在輸入電路中并聯(lián)3 000μF/450 V的電容，對輸入電流進(jìn)行直流濾波，來消除輸入電流中的高次諧波。在SPWM三相全橋逆變環(huán)節(jié)中，將逆變輸出連接電感、電容，進(jìn)行LC濾波，來避免輸出電流有高次諧波。實(shí)驗(yàn)連接斷相過流保護(hù)器保護(hù)輸出電流。其中在SPWM三相逆變器調(diào)制電路中，連接IGBT過流報(bào)警，使其起到對IGBT進(jìn)行保護(hù)。加60～380 V隔離變壓器將輸出的60 V左右的電壓轉(zhuǎn)換成380 V。將0～80Ω的三相可調(diào)負(fù)載連接進(jìn)電路，并測負(fù)載兩端的電壓，完成三相逆變器的設(shè)計(jì)。三相逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2　三相逆變器主要硬件的選取

2.1斷相過流保護(hù)

逆變后的三相電路需要經(jīng)過變壓器升壓以達(dá)到380 V，為了保證變壓器的正常工作，需要對三相電路進(jìn)行保護(hù)。使用BHQ-Y式電動機(jī)斷相保護(hù)裝置，它利用電磁感應(yīng)和電流平衡控制方法的原理，可以快速切斷額定電流內(nèi)缺相故障的電源，達(dá)到保護(hù)電動機(jī)的目的。

2.2電壓負(fù)反饋模塊

為了使整流模塊輸出的電壓更穩(wěn)定，需要增加負(fù)反饋模塊來穩(wěn)定輸出電壓。選用直流電壓負(fù)反饋模塊，其工作原理為：從整流模塊輸出的電壓負(fù)反饋信號，在負(fù)反饋模塊中，通過隔離與檢測，經(jīng)PID運(yùn)算的控制電壓Ug信號會產(chǎn)生無靜差的控制信號CON，這個(gè)產(chǎn)生的控制信號CON會作用于整流電路的控制端，使整流電路輸出電壓不會隨著外界因素變化，只隨Ug線性改變。在電壓負(fù)反饋模塊中，強(qiáng)電壓完全與人工直接控制部分電隔離，所以負(fù)反饋模塊可以安全方便地進(jìn)行控制。

2.3IGBT驅(qū)動電路

選取PSHI23系列驅(qū)動器來控制驅(qū)動電路。其具有發(fā)生短路時(shí)的軟開斷功能和電氣隔離等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于單路或橋式電路、變頻器、大功率高頻開關(guān)電源燈領(lǐng)域。

輸入電平選擇電路的輸入信號分為5 V或15 V，而且可以整形輸入信號通過輸入信號與一個(gè)電平進(jìn)行比較，使驅(qū)動電路抗外界干擾的能力得到提升。為了防止在半橋模式時(shí)，IGBT上下兩管同時(shí)導(dǎo)通。使用互鎖電路，其原理是使上下管之間能夠形成死區(qū)時(shí)間。輸入緩沖電路是用來轉(zhuǎn)換輸入信號，使其達(dá)到變壓器傳遞信號的要求，還可以保證別的信號不能被傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。如果發(fā)生IGBT過流或母線電壓欠壓，故障記憶電路便會切斷并鎖住IGBT的信號，并輸出故障信號。一旦發(fā)生供電電壓低于13 V的工作情況，欠壓檢測電路將切斷所有IGBT的輸入信號。VCE監(jiān)控電路通過監(jiān)測IGBT的電壓VCE來監(jiān)測短路故障。

3　三相逆變模型仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，取UV相負(fù)載電阻電壓進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖2所示。

電壓、電流諧波畸變的準(zhǔn)確計(jì)算和測量非常重要。設(shè)基波電流有效值為I1，總的電流有效值為I，則電流諧波畸變率如式1所示。

式中：γ為輸入電流的波形畸變因數(shù)。

整流部分要選擇合適的電路拓?fù)洌拍軌蜻_(dá)到預(yù)期的諧波標(biāo)準(zhǔn)。THD（總諧波失真）是指用信號源輸入時(shí)，輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全線性造成的，它通常用百分?jǐn)?shù)來表示。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。它是一個(gè)測量波形偏離純正正弦波程度的數(shù)值，其值越大，波形失真度越大，波形畸變越嚴(yán)重。

三相負(fù)載均選80Ω，IGBT并聯(lián)電容0.47 μF。將逆變后的電壓進(jìn)行LC濾波，每相串聯(lián)2 m H電感，并聯(lián)50μF/750 V電容，將變壓后的電壓也進(jìn)行濾波，每相并聯(lián)0.47μF電容，三相負(fù)載均改為40Ω。輸出波形為其中UV相輸出電阻兩端的電壓，經(jīng)過濾波后，波形較好，符合輸出要求，并且諧波畸變率為2%～3%，小于5%，符合逆變結(jié)果要求。

功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)重要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)重要參數(shù)設(shè)置

取20μs為單位，t1為導(dǎo)通延遲時(shí)間、t2為上升時(shí)間、t3為開通時(shí)間、t4為關(guān)斷延遲時(shí)間組成一個(gè)開斷周期。即：T=t1+t2+t3+t4

一個(gè)周期內(nèi)，IGBT的功率P=P1+P2+P3+P4（P1、P2、P3、P4分別為時(shí)間1、2、3、4段的功率）。

每個(gè)周期內(nèi)共采集n個(gè)點(diǎn)的電流與電壓。所以一個(gè)周期內(nèi)的IGBT的總功率為P。

IGBT的PWM輸入波形中，每相的上下橋臂嚴(yán)格按照不能同時(shí)開啟的原則，死區(qū)時(shí)間設(shè)為1μs。

經(jīng)過逆變及LC濾波后波形如圖3所示，輸出的波形非常平穩(wěn)，符合實(shí)驗(yàn)要求。

設(shè)計(jì)的基于IGBT模塊的三相開環(huán)逆變功率循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬IGBT模塊實(shí)際工作情況，對研究IGBT模塊的重要電參量（門極電壓VGE、門極電流Ic、集射極電壓VCE、集電極電流Ic以及開關(guān)損耗等）與其殼溫（Tc）和結(jié)溫（Tj）的關(guān)系，打下了良好的基礎(chǔ)。

圖3　實(shí)際輸出三相波形

4　結(jié)束語

通過對三相逆變系統(tǒng)中IGBT模塊功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)電路的仿真，得到了穩(wěn)定平滑的三相波形。搭建了功率循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用來模擬IGBT實(shí)際工作環(huán)境，對研究IGBT模塊的殼溫和結(jié)溫等重要電參數(shù)，及老化實(shí)驗(yàn)有著重要意義。

［1］ 楊 旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態(tài)評估方法研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［2］ 李世平，黃 蓉，奉 琴，等.IGBT模塊功率循環(huán)能力與可靠性實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)車電傳動，2015（3）：15-18.

［3］ 姚二現(xiàn)，莊偉東，常海萍.IGBT模塊功率循環(huán)疲勞壽命預(yù)測［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境實(shí)驗(yàn)，2013（2）：12-17.

［4］ 李 輝，秦 星，劉盛權(quán)，等.雙饋風(fēng)電變流器IGBT模塊功率循環(huán)能力評估［J］.電力自動化設(shè)備，2015（1）：6-12.

［5］ HIRSCHMANN D，TISSEN D，SCHRODER S，et al.Reliability prediction for inverters in hybrid electrical vehicles［J］.IEEE Transcations on Power Electronics，2007，22（6）：2511-2517.

本文責(zé)任編輯：靳書海

Design of IGBT Module Power Cycling Test in Three-phase Inverting System

Li Xiaoguang
（State Grid Hebei Electric Power Corporation Cangzhou Power Supply Branch，Cangzhou 061113，China）

In the wind power generation system，because of the wind speed changing constantly，the IGBT module in the converter is constantly affected by the power cycle，and the temperature changing caused by heating gradually tends to failure.In this paper，the structure of the three-phase SPWM inverting circuit is used to design the IGBT module function cycle test.The test platform of three-phase inverting system is built according to the simulation model，and the output results are analyzed，which verifies that the test platform can simulate the actual working environment of IGBT.The power cycling test platform has important significance for the study of IGBT failure analysis.

three-phase inverting system；power cycling；test platform

TM322.8

A

1001-9898（2016）02-0032-03

2015-10-16

李曉光（1983-），男，助理工程師，主要從事電能計(jì)量及智能電表現(xiàn)場檢定工作。