CN102495294A - 一种用于测试寄生电感的***及其方法 - Google Patents

一种用于测试寄生电感的***及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于测试寄生电感数值的***及其方法,该***包括:待测电路,其逆变桥臂由一直流源供电;驱动装置,电性连接至逆变桥臂中的每一开关体的控制极;以及测试装置,用于测量逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经该逆变桥臂的电流变化率,其中根据所测得的开关体电压、直流源电压以及流经其的电流变化率,计算获得寄生电感数值。采用本发明,通过驱动装置分别控制上桥臂开关体维持开通以及下桥臂开关体的开通和关断,并且利用测试装置来测量下桥臂开关体所承载的桥臂电压和流经其的电流变化率,计算获得寄生电感数值,为吸收电路的设计参数选择提供了量化依据,从而使逆变器的可靠性达到最优,同时还可降低产品的设计成本。

Description

一种用于测试寄生电感的***及其方法
技术领域
本发明涉及逆变电路中的寄生电感,尤其涉及用来测试该寄生电感的***和方法。
背景技术
当前,在逆变器主回路中,功率母线浪涌电压主要包括IGBT的关断浪涌电压和续流二极管的恢复浪涌电压。产生这些浪涌电压的主要原因是在于,逆变器主回路中不可避免地存在寄生电感,如直流母线的寄生电感、功率器件内部的寄生电感、功率器件引线时呈现出来的寄生电感等。当功率器件在驱动电路的作用下发生功率回路的换流时,流过寄生电感的电流会发生突变,因而寄生电感产生阻止电流改变的电压(也可称为寄生电动势)。该电压与直流母线电压叠加并以浪涌电压的形式加载于功率器件的两端,进而产生严重的电磁干扰。
此外,寄生电感是对逆变器性能十分不利的一个参数。在忽略主回路中的寄生电感时,往往不影响功率器件的正常工作。但是,在功率器件遇到大电流故障时,功率器件受控关断会在寄生电感上产生寄生电压,如果寄生电感过大,其在关断过程中存储的能量就会越多,进而其寄生电压越高。不难看出,当叠加于IGBT两端的电压一旦超过IGBT的额定耐压时,IGBT将被击穿而损坏。
现有技术中,一种解决方式是采用snubber(即缓冲器)来设计对应于寄生电感的吸收电路。例如,该缓冲器可为一电容,该电容的两端跨接于逆变主回路的逆变桥臂,在选择与寄生电感的电感值相匹配的电容值后,通过缓冲电容来吸收寄生电感中所存储的能量。然而,该缓冲电容与寄生电感之间的关系式为:
C sn = L S I O 2 ( V CM - V CC ) 2
其中,LS为逆变主回路中的寄生电感;IO为IGBT的关断电流,在极端条件下,该电流等于IGBT的最大短路电流;VCM为IGBT允许的最大峰值电压;以及VCC为直流母线电压。从上述关系式可知,在确定缓冲电容的电容值大小时,必须事先准确的计算出主回路中的寄生电感。
有鉴于此,如何设计一种测试方案,从而精准地测出逆变主回路中的寄生电感,以便提升逆变器的可靠性,是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的逆变主回路在设计寄生电感的吸收电路时计算寄生电感数值所存在的上述缺陷,本发明提供了一种用于测试寄生电感的***及其方法。
依据本发明的一个方面,提供了一种测试***,适于测试一电路中的寄生电感数值,该测试***包括:
一待测电路,具有一逆变桥臂,其中,该逆变桥臂由一直流源供电;
一驱动装置,电性连接至该逆变桥臂中的每一开关体的控制极,用于控制该逆变桥臂中的开关体;以及
一测试装置,用于测量该逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经该逆变桥臂的电流的变化率;
其中,根据该测试装置所测得的该开关体的电压、该直流源电压以及流经该逆变桥臂的电流的变化率,计算获得寄生电感的电感值。
优选地,该驱动装置为该待测电路提供彼此电性隔离的一第一驱动信号和一第二驱动信号;该第一驱动信号控制逆变桥臂中与该待测开关体串接的开关体维持开通状态,该第二驱动信号控制该测量装置测量的逆变桥臂中待测开关体的开通和关断。
优选地,该第二驱动信号为一预设脉宽的方波脉冲驱动信号,并且利用该方波脉冲驱动信号控制该待测开关体接近或达到饱和状态后关断。此外,该方波脉冲驱动信号的宽度为0~10us之间。更优选地,该方波脉冲驱动信号的宽度为6~8us之间。
优选地,该逆变桥臂包括一上桥臂开关体和一与上桥臂开关体串接的下桥臂开关体,该下桥臂开关体为该待测开关体。
优选地,该测试装置为一带触发功能的示波器,其在该待测开关体关断的瞬间启动触发操作,抓取流经该逆变桥臂的电流波形。
优选地,该逆变桥臂中的开关体均为绝缘栅双极型晶体管。
依据本发明的又一个方面,提供了一种用于测试寄生电感的电感值的方法,该方法包括:
提供一待测电路,该待测电路包括一逆变桥臂,该逆变桥臂由一直流源供电;
提供多个驱动信号,利用该多个驱动信号来控制该逆变桥臂中的开关体;
测量该逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经该逆变桥臂的电流的变化率;以及
根据该直流源的电压值、该待测开关体关断瞬间测得的该待测开关体承载的逆变桥臂的电压以及流经该逆变桥臂的电流变化率,计算获得该逆变桥臂与该直流源之间所存在的寄生电感的电感值。
优选地,该直流源为一整流器输出端的母线电容。
优选地,该待测开关体关断瞬间为该待测开关体接近饱和导通状态或饱和导通状态向关断变化。
优选地,该多个驱动信号包括一第一驱动信号和一第二驱动信号,该第一驱动信号控制逆变桥臂中与该待测开关体串接的开关体维持开通状态;该第二驱动信号控制该测量装置测量的逆变桥臂中待测开关体的开通和关断。
优选地,该第二驱动信号为一预设脉宽的方波脉冲。此外,该方波脉冲宽度为0~10us之间。更优选地,该方波脉冲宽度为6~8us之间。
优选地,该逆变桥臂包括一上桥臂开关体和一与上桥臂开关体串接的下桥臂开关体,该下桥臂开关体为该待测开关体。
优选地,该逆变桥臂中的开关体均为绝缘栅双极型晶体管。
采用本发明的用于测试寄生电感的***及其方法,通过来自驱动装置的幅值恒定的第一驱动信号以及脉宽可调且幅值恒定的第二驱动信号来分别驱动逆变桥臂的上桥臂开关体和下桥臂开关体,并且利用测试装置来测量该逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经该逆变桥臂的电流的变化率,计算获得该寄生电感的电感值,为吸收电路的设计参数选择提供了量化依据,从而使逆变器的可靠性达到最优,同时还可降低产品的设计成本。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后,将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中,
图1示出逆变主回路中对于寄生电感LS的缓冲电路的原理图;
图2A示出依据本发明的一个方面,用于测试一待测电路中的寄生电感数值的***原理图;
图2B示出图2A中的测试***的驱动装置的结构框图;
图2C示出图2A中的逆变桥臂的待测开关体的驱动电压与短路时间以及短路电流的关系示意图;
图2D示出图2A中的测试***的测试装置的结构框图;以及
图3示出依据本发明的另一个方面,用于测试寄生电感的电感值的方法流程图。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备,可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例,附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而,本领域的普通技术人员应当理解,下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外,附图仅仅用于示意性地加以说明,并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图,对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出逆变主回路中对于寄生电感LS的缓冲电路的原理图。参照图1,将该逆变主回路的直流母线上的电感LS等效表示为环路中的寄生电感,该环路的路径为自节点P,依次经由上桥IGBTQ1、下桥IGBT Q2、节点N和能量存储电容C1,最后回到节点P。此外,采用缓冲电容C2作为对应于寄生电感LS的缓冲电路,该电容C2的两端跨接于逆变主回路的逆变桥臂,即,电容C2的一端电性连接至上桥IGBT Q1的集电极,电容C2的另一端电性连接至下桥IGBT Q2的发射极。
在选择与寄生电感LS的电感值相匹配的电容C2后,通过缓冲电容C2来吸收寄生电感中所存储的能量。具体地,
当寄生电感LS短路时,电压间的关系可表示为公式1:
v ce ( t ) = V CC + 1 C ∫ i ( t ) dt
V CC - v ce ( t ) = - 1 C ∫ i ( t ) dt
当缓冲电容C2断路时,电压间的关系可表示为公式2:
v ce ( t ) = V CC - L di ( t ) dt
L di ( t ) dt = V CC - v ce ( t )
结合公式1和公式2,则:
di ( t ) dt = - 1 L S C ∫ i ( t ) dt
处理后得到寄生电感LS上的电流随时间变化的函数关系为:
i ( t ) = I O * cos ( t / L S C )
求导后,上述函数可变换为:
di ( t ) dt = - I O L S C sin ( t L S C )
则通过Vce(t),并获得IGBT允许加载的最大峰值电压VCM为:
V CM = V CC + I O L S / C
因此,缓冲电容C2(即Csn)与寄生电感LS之间的关系为:
C sn = L S I O 2 ( V CM - V CC ) 2
其中,IO为IGBT的关断电流,在极端条件下,该电流等于IGBT的最大短路电流;VCC为直流母线电压。
由上述可知,在确定了寄生电感LS的电感值后,就可以精确选择缓冲电容C2的电容值了。
为此,本发明提供了一种精确测量待测电路的逆变桥臂中的寄生电感数值的***和方法。详细地,图2A示出依据本发明的一个方面,用于测试一待测电路中的寄生电感数值的***原理图,图2B示出图2A中的测试***的驱动装置的结构框图,图2C示出图2A中的逆变桥臂的待测开关体的驱动电压与短路时间以及短路电流的关系示意图,以及图2D示出图2A中的测试***的测试装置的结构框图。
参照图2A、2B、2C和2D,该测试***包括一待测电路、一驱动装置和一测试装置30。其中,该待测电路具有一逆变桥臂,该逆变桥臂由一直流源供电,例如,该直流源可以是存储电容C1或其他可提供直流电的元器件或设备,该逆变桥臂包括多个开关体,这些开关体可以是诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT,InsulatedGate Bipolar Transistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT,IntegratedGate Commutated Thyristors、注入增强栅晶体管(IEGT,InjectionEnhanced Gate Transistor)等功率开关器件。以IGBT为例,在图2A中,存储电容C1与IGBT逆变桥臂并联连接,并且该IGBT逆变桥臂具有IGBT Q1和IGBT Q2。当存储电容C1开始放电,且IGBT Q1和IGBT Q2电性导通时,逆变主回路中的环路电流路径可表示为:自存储电容C1的一端(如节点P)出发,依次经由IGBTQ1的集电极C和发射极E、IGBT Q2的集电极C和发射极E,到达存储电容C1的另一端(如节点N)。由于该逆变主回路中存在寄生电感,根据寄生电感在环路电流变化时的寄生电动势的计算公式(即,LS×di/dt),该测试***需要确定寄生电动势的电压数值以及电流在单位时间内的变化量(也可称为电流变化率),即可得到寄生电感的电感数值LS
驱动装置电性连接至逆变桥臂中的每一开关体的控制极(如IGBT的栅极),用于控制该逆变桥臂中的开关体。在一具体实施例中,该驱动装置为该逆变桥臂提供彼此电性隔离的一第一驱动电压VD1和一第二驱动电压VD2,其中,该第一驱动电压VD1电性连接至IGBT Q1的栅极和发射极之间,用于控制逆变桥臂中与待测开关体IGBT Q2串接的开关体IGBT Q1维持开通状态,该第二驱动电压VD2电性连接至IGBT Q2的栅极和发射极之间,用于控制该测量装置测量的逆变桥臂中待测开关体IGBT Q2的开通和关断。如图2A所示,在一具体实施例中,该驱动装置包括一微处理器201和一缓冲电路203。该微处理器201的多个外部I/O对应设置多个按键,当这些按键处于预定的按键组合状态时,由缓冲电路203输出上述第一驱动电压VD1和第二驱动电压VD2。其中,第一驱动电压VD1和第二驱动电压VD2彼此电性隔离,亦即,缓冲电路203输出两路相对独立的驱动电压VD1和VD2。较佳地,为配合本发明的测试***,该第一驱动电压VD1为一恒定的直流电压,以及该第二驱动电压VD2为脉宽可调、幅值恒定的一方波脉冲驱动电压,并且利用该方波脉冲控制该待测开关体IGBT Q2接近或达到饱和状态后关断。例如,该第一驱动电压VD1和第二驱动电压VD2的电压幅值可设置为相同,如+15V。以待测开关体加载15V电压为例,为避免待测开关体IGBT Q2损坏,该方波脉冲宽度为0~10us之间。考虑到待测开关体IGBT Q2关断时间等延迟影响,该方波脉冲宽度为6~8us之间。由图2C中可看出,随着待测晶体管加载的电压幅值的不同,方波脉冲的宽度是可以变化的。更详细地,加载于IGBT Q2的栅极和发射极之间的第二驱动电压VD2幅值越高,其对应的脉宽应设置为较小。相反地,当第二驱动电压VD2幅值降低时,其对应的脉宽可相应地增加。例如,当第二驱动电压的幅值为+15V时,该方波脉冲宽度为0~10us之间;而当第二驱动电压的幅值降至+11V时,该方波脉冲宽度可为0~20us之间。在本实施例中,通过加载15V幅值,6~8us脉冲宽度的方波脉冲使得待测开关体IGBT Q2能在接近或到达饱和状态后关断,便于测到逆变回路最大工作电流下存在的寄生电感。在其他实施例中,也可当待测开关体IGBT Q2到达预设额定值时,关断待测开关体IGBT Q2。因此,方波脉冲的宽度,可根据逆变回路工作的最大工作电流去设定,且依据待测开关体的类型去设定,并不局限于此处例举的具体数字。参照图2D,测试装置30用于测量逆变桥臂中的待测开关体IGBT Q2关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经逆变桥臂的电流的变化率,并且该测试***根据测试装置所测得的开关体的电压、直流源的电压以及流经逆变桥臂的电流的变化率,计算获得寄生电感的电感值。
在一具体实施例中,测试装置为一带触发功能的示波器,其在待测开关IGBT Q2关断的瞬间启动示波器的触发操作,抓取流经逆变桥臂的电流波形。如图2C所示,带触发功能的示波器具有一第一电压测试通道301、一第二电压测试通道303和一电流测试通道305。其中,第一电压测试通道301用于测量IGBT Q2的栅极和发射极之间的电压VGE,监测IGBT Q2的栅极电压变化,避免IGBT Q2损坏,同时可提供触发信号给示波器,触发示波器抓取电流波形。例如IGBT Q2关断时,检测到IGBT Q2栅极电压跳变为零时,即IGBT Q2发生从导通状态向截止状态转变,触发示波器抓取电流波形。第二电压测试通道303用于测量IGBT Q2的集电极和发射极之间的电压VCE,以及电流测试通道305用于测量流经IGBT Q2的电流Ic。例如,第一电压测试通道301的测试探棒的正极电性连接至IGBT Q2的栅极(标记为Q2G),第二电压测试通道303的测试探棒的正极电性连接至IGBT Q2的集电极(标记为Q2C),并且第一电压测试通道301和第二电压测试通道303各自的测试探棒的负极均电性连接至IGBT Q2的发射极(标记为Q2E)。又如,电流测试通道305电性连接至IGBT Q2的发射极,以测量待测开关体IGBT Q2关断瞬间流经IGBT Q2的电流Ic,即流经逆变桥臂的电流。在此实施例中,第一电压测试通道301也可不与待测开关体连接,通过电流测试通道305的电流采样信号或者第二电压测试通道的电压采样信号触发示波器抓取逆变桥臂的电流波形。当待测开关体IGBT Q2关断时引起电流的变化或者电压VCE的变化均可作为示波器抓取IGBT Q2关断时电流变化的波形的触发信号。
在测试过程中,首先,将微处理器201外部的I/O按键设置为预定的按键组合状态(也可称为触发信号),以便缓冲电路203输出第一驱动电压VD1和第二驱动电压VD2。然后,测试装置30获取待测开关体IGBT Q2由接近饱和或饱和导通状态向关断变化流经该逆变桥臂的电流Ic的变化率,以及待测开关体IGBT Q2两端电压。
如前所述,由于环路中寄生电感的存在,在IGBT关断和导通时,电流的增加会对寄生电感充电从而产生寄生电动势Vε,该寄生电动势与寄生电感大小Ls之间的数学关系为:
Vε=Ls×dIc/dt
另外,由于寄生电动势Vε与存储电容C1两端的电压VPN之和等于IGBT Q2的集电极和发射极之间的电压VCE,因而在VPN和VCE已知的情形下,即可精确地得到寄生电感Ls的电感值。
图3示出依据本发明的另一个方面,用于测试逆变主回路中的寄生电感大小的方法流程图。参照图3,并结合图2A,在该测试方法中,首先执行步骤S31,提供一待测电路,该待测电路包括一逆变桥臂。逆变桥臂由一直流源供电。然后,执行步骤S33,提供多个驱动信号,利用多个驱动信号来控制逆变桥臂中的开关体,例如,将一第一驱动电压VD1(即第一驱动信号)和一第二驱动电压VD2(即第二驱动信号)分别输出至IGBT Q1和IGBT Q2,其中,第一驱动电压VD1控制逆变桥臂中IGBT Q1维持开通状态,第二驱动电压VD2控制测量装置测量的逆变桥臂中IGBT Q2的开通和关断。接着,执行步骤S35和S37,测量逆变桥臂中的待测开关体IGBT Q2关断瞬间所承载的逆变桥臂中的电压和流经逆变桥臂的电流的变化率,然后根据直流源的电压值、开关体IGBT Q2关断瞬间所测得的电压以及流经逆变桥臂的电流变化率,计算获得逆变桥臂与直流源之间所存在的寄生电感的电感值。
在一具体实施例中,直流源为一整流器输出端的母线电容,通过该母线电容加载的直流电压对逆变桥臂进行供电。
在另一具体实施例中,该第二驱动信号为一预设脉宽的方波脉冲,并且利用该方波脉冲控制待测开关体IGBT Q2接近或达到饱和状态后关断。例如,该方波脉冲宽度为0~10us之间。较佳地,该方波脉冲宽度为6~8us之间。该方波脉冲宽度设计理由与上述测试装置实施例中描述一致,因此在此测量方法的实施例中不再赘还。
本领域的技术人员应当理解,图3示意性地描述了将逆变桥臂的下桥臂开关体作为待测开关体来测量寄生电感的方法流程,但本发明并不只局限于此。例如,在其他实施例中,还可将逆变桥臂的上桥臂开关体作为待测开关体,并利用一驱动信号控制测量装置测量的逆变桥臂中的上桥臂开关体的开通和关断,而利用另一驱动信号控制逆变桥臂中与上桥臂开关体串接的下桥臂开关体维持开通状态。
采用本发明的用于测试寄生电感的***及其方法,通过来自驱动装置的幅值恒定的第一驱动信号以及脉宽可调且幅值恒定的第二驱动信号来分别驱动逆变桥臂的上桥臂开关体和下桥臂开关体,并且利用测试装置来测量逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经逆变桥臂的电流的变化率,计算获得寄生电感的电感值,为吸收电路的设计参数选择提供了量化依据,从而使逆变器的可靠性达到最优,同时还可降低产品的设计成本。
上文中,参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是,本领域中的普通技术人员能够理解,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (17)

1.一种测试***,适于测试一电路中的寄生电感数值,其特征在于,所述测试***包括:
一待测电路,具有一逆变桥臂,其中,所述逆变桥臂由一直流源供电;
一驱动装置,电性连接至所述逆变桥臂中的每一开关体的控制极,用于控制所述逆变桥臂中的开关体;以及
一测试装置,用于测量所述逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经所述逆变桥臂的电流的变化率;
其中,根据所述测试装置所测得的所述开关体的电压、所述直流源电压以及流经所述逆变桥臂的电流的变化率,计算获得所述寄生电感的电感值。
2.根据权利要求1所述的测试***,其特征在于,所述驱动装置为所述待测电路提供彼此电性隔离的一第一驱动信号和一第二驱动信号;所述第一驱动信号控制逆变桥臂中与所述待测开关体串接的开关体维持开通状态,所述第二驱动信号控制所述测量装置测量的逆变桥臂中待测开关体的开通和关断。
3.根据权利要求2所述的测试***,其特征在于,所述第二驱动信号为一预设脉宽的方波脉冲驱动信号,并且利用所述方波脉冲驱动信号控制所述待测开关体接近或达到饱和状态后关断。
4.根据权利要求3所述的测试***,其特征在于,所述方波脉冲驱动信号的宽度为0~10us之间。
5.根据权利要求4所述的测试***,其特征在于,所述方波脉冲驱动信号的宽度为6~8us之间。
6.根据权利要求1所述的测试***,其特征在于,所述逆变桥臂包括一上桥臂开关体和一与上桥臂开关体串接的下桥臂开关体,所述下桥臂开关体为所述待测开关体。
7.根据权利要求1所述的测试***,其特征在于,所述测试装置为一带触发功能的示波器,其在所述待测开关体关断的瞬间启动触发操作,抓取流经所述逆变桥臂的电流波形。
8.根据权利要求1所述的测试***,其特征在于,所述逆变桥臂中的开关体均为绝缘栅双极型晶体管。
9.一种用于测试寄生电感的电感值的方法,其特征在于,该方法包括:
提供一待测电路,该待测电路包括一逆变桥臂,所述逆变桥臂由一直流源供电;
提供多个驱动信号,利用所述多个驱动信号来控制所述逆变桥臂中的开关体;
测量所述逆变桥臂中的一待测开关体关断瞬间所承载的逆变桥臂电压和流经所述逆变桥臂的电流的变化率;以及
根据所述直流源的电压值、所述待测开关体关断瞬间测得的所述待测开关体承载的逆变桥臂的电压以及流经所述逆变桥臂的电流变化率,计算获得所述逆变桥臂与所述直流源之间所存在的寄生电感的电感值。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述直流源为一整流器输出端的母线电容。
11.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述待测开关体关断瞬间为所述待测开关体接近饱和导通状态或饱和导通状态向关断变化。
12.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述多个驱动信号包括一第一驱动信号和一第二驱动信号,所述第一驱动信号控制控制逆变桥臂中与所述待测开关体串接的开关体维持开通状态;所述第二驱动信号所述测量装置测量的逆变桥臂中待测开关体的开通和关断。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,所述第二驱动信号为一预设脉宽的方波脉冲。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述方波脉冲宽度为0~10us之间。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述方波脉冲宽度为6~8us之间。
16.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述逆变桥臂包括一上桥臂开关体和一与上桥臂开关体串接的下桥臂开关体,所述下桥臂开关体为所述待测开关体。
17.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述逆变桥臂中的开关体均为绝缘栅双极型晶体管。
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