CN106885986A - 一种功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率变流器开关动态参量提取装置，包括硬件测试平台、数据采集模块、控制器、上位机和数据后处理模块。本发明还公开了一种功率变流器开关动态参量提取方法，利用上述的功率变流器开关动态参量提取装置进行试验。该装置自动化程度高且易操作，可以快速而准确的提取出功率器件开关瞬态过程的电参量，用于指导功率变流器的可靠性设计，用于分析功率器件衰退过程中相关参量的变化规律进而评估功率变流器的健康状况。

Description

一种功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法

技术领域

本发明涉及一种功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法，属于电力电子在电力***应用领域。

背景技术

在新能源转换***中，影响可靠性的关键部分是功率变流器装置，而功率器件不仅是该装置中的核心元件，又是最脆弱的元件之一。因此以可靠性为导向的功率变流器设计与运行维护对于保证新能源发电***安全稳定运行具有重要意义。

半导体器件在其寿命历程中，其可靠性受多种内外因素影响，存在电、热和机械等多物理场耦合，其失效既可能是电磁瞬态失效，也可能是依赖于时间的热疲劳损伤累积导致的老化失效。以可靠性为导向的变流器设计在于降低两种失效形式的概率。

电磁瞬态失效主要受器件内部高温和电应力所致，电热应力与换流回路、驱动回路和散热器设计相关，因此变流器设计阶段需要关注电热应力相关的参量(例如关断电压尖峰、开通反向恢复电流、电压电流的变化率、功率器件结温和散热器温度等)是否在***安全稳定区域，这些电热参量可以通过测量及数据后处理获取。

功率器件依赖于时间的的老化失效，在其衰退过程中相关电热参量(例如饱和压降vce，阈值电压vgeth和热阻抗Zth等)会发生相应变化，为了降低因功率变流器老化失效而引起的不定期维修成本和停机损失等，需深入研究IGBT器件老化过程中相关电参量的变化规律，对运行过程的功率变流器相关电参量进行测试分析。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种功率变流器开关动态参量提取装置，自动化程度高且易操作，可以快速而准确的提取出功率器件开关瞬态过程的电参量，用于指导功率变流器的可靠性设计，用于分析功率器件衰退过程中相关参量的变化规律进而评估功率变流器的健康状况。

本发明的另外一个目的是提供一种功率变流器开关动态参量提取方法，利用上述的功率变流器开关动态参量提取装置进行开关动态参量提取。

实现上述目的技术方案是：一种功率变流器开关动态参量提取装置，包括硬件测试平台、数据采集模块、控制器、上位机和数据后处理模块；

所述硬件测试平台包括变压器、整流器、电容器、充电电阻、硬件测试平台、泄能电阻、叠层母排、功率器件和加热板；所述变压器、整流器、充电电阻、继电器依次串联后作为所述电容器的功率输入，所述电容器和功率器件分别安装到所述叠层母排上，所述泄能电阻与所述电容器并联；

所述功率器件通过导热硅脂固定在所述加热板上，所述加热板连接有温控仪；

所述数据采集模块包括数据采集器和示波器，所述数据采集器采集电流电压数据，并将电流电压数据上传到所述示波器和所述上位机；

所述控制器，用于接受上位机的指令，并通过光纤向所述功率器件下发触发脉冲指令和闭锁指令；

所述上位机，为控制指令层，将测试条件经通讯接口传送给所述控制器；将采样条件经通讯接口传送给所述数据采集器以及示波器；

所述数据后处理模块，完成电流电压数据的后处理操作，提取功率器件的开关动态参量，所述开关动态参量包括开关时间、开通电流过冲、关断电压和开关损耗。

上述的功率变流器开关动态参量提取装置，其中，所述控制器采用DSP控制器；所述上位机采用LabVIEW上位机；所述数据后处理模块采用数据后处理GUI(Graphical UserInterface，简称GUI，又称图形用户接口)界面。

上述的功率变流器开关动态参量提取装置，其中，交流电依次经所述变压器升压、整流器不可控整流后与所述充电电阻及继电器串联后作为所述电容器的功率输入，所述电容器和功率器件分别安装到所述叠层母排上，所述泄能电阻与所述电容器并联，释放所述电容器的能量；所述加热板通过所述温控仪控制其维持在设定的温度。

上述的功率变流器开关动态参量提取装置，所述数据采集器包括电流探头和电流探头，其中：

所述电流探头采集集电极电流数据，并把集电极电流数据上传到所述示波器和所述上位机；

所述电压探头采集集电极-发射极电压数据、二极管电压数据、门极驱动电压数据和辅助电压数据，并把采集的所有电压数据上传到所述示波器和所述上位机。

一种功率变流器开关动态参量提取方法，利用上述的功率变流器开关动态参量提取装置进行开关动态参量提取，包括以下步骤：

S1，将测试模块安装到所述叠层母排，将测试探头夹在需要测试的端子上，检查测试回路，保证控制线及功率线与加热板隔离；

S2，检查所述硬件测试平台的连线是否有短路点，然后检查DSP控制器与电脑的通讯线、驱动供电线以及电脑与示波器是否正确连接；

S3，打开电脑中的LabVIEW上位机，然后将所述硬件测试平台的辅助电源总开关闭合，依次将示波器、控制器和驱动电源开关闭合；

S4，将温控仪调到想要测试的温度点，闭合温控仪的温度电源开关；

S5，运行LabVIEW主界面，再输入测试信息后点击启动测试，进入示波器和参数设置界面；

S6，在测试条件输入栏内设置测试温度、测试电压和测试电流，然后在示波器设置栏设置采样条件；

S7，闭合主功率空气开关后，双脉冲测试自动完成，示波器数据自动传输到电脑中；

S8，运行MATLAB的数据后处理GUI界面，自动导入所采集的电流电压数据并计算出功率器件的开关动态参量。

本发明的功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法，可测量功率器件***开关过程的动态参量，提取能够反映功率器件健康状况的电参量，进而评估***的可靠性，以解决现有工程技术对功率器件参量提取不足，无法反映其运行健康状况的问题，以保证整个功率变流器***的可靠稳定运行，也可指导变流器的可靠性设计。

本发明的功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法，与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提供的提取装置，自动化程度高，简单易操作，界面友好，将功率器件安装在叠层母排端子上，可测多个功率器件的开关动态参量；

2、本发明提供的提取装置，在开关动态参量测量的基础上可进一步提取能够反映功率器件健康状况的电参量，可用于可靠性评估；

3、本发明提供的提取装置，采用以开关过程某一阶段电参量的变量的积分形式提取变流器换流回路的寄生参数，相比现有技术，准确度较高；

4、本发明提供的提取装置，可简单易提取与温度相关的动态参量，可用于功率器件的结温评估。

附图说明

图1为本发明的功率变流器开关动态参量提取装置的结构框图；

图2a为功率变流器开关动态参量提取装置的硬件测试平台的测试电路图；

图2b为功率变流器开关动态参量提取装置的硬件测试平台的测试时序图；

图3a为IGBT关断损耗与电流及温度的关系曲线；

图3b为IGBT开通损耗与电流及温度的关系曲线；

图4a为IGBT关断时间与电流及温度的关系曲线；

图4b为IGBT开通时间与电流及温度的关系曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的实施例，一种功率变流器开关动态参量提取装置，包括硬件测试平台1、数据采集模块2、控制器3、上位机4和数据后处理模块5。控制器3采用DSP控制器；上位机4采用LabVIEW上位机；数据后处理模块5采用数据后处理GUI界面。

硬件测试平台1包括变压器、整流器、电容器、充电电阻、硬件测试平台、泄能电阻、叠层母排、功率器件和加热板；变压器、整流器、充电电阻、继电器依次串联后作为所述电容器的功率输入，电容器和功率器件分别安装到叠层母排上，泄能电阻与电容器并联；功率器件通过导热硅脂固定在加热板上，加热板连接有温控仪。

数据采集模块2包括数据采集器和示波器，数据采集器采集电流电压数据，并将电流电压数据上传到示波器和LabVIEW上位机4；

控制器3，用于接受LabVIEW上位机4的指令，并通过光纤向功率器件下发触发脉冲指令和闭锁指令；LabVIEW上位机4，为控制指令层，将测试条件经通讯接口传送给所述控制器；将采样条件经通讯接口传送给所述数据采集器以及示波器；数据后处理模块5，完成电流电压数据的后处理操作，提取功率器件的开关动态参量，包括开关时间、开通电流过冲、关断电压和开关损耗。

交流电依次经所述变压器升压、整流器不可控整流后与充电电阻及继电器串联后作为电容器的功率输入，电容器和功率器件分别安装到叠层母排上，泄能电阻与电容器并联，释放电容器的能量；加热板通过温控仪控制其维持在设定的温度。

数据采集器包括电流探头和电流探头，电流探头采集集电极电流数据i_c，并把集电极电流数据i_c上传到所述示波器和所述上位机；电压探头采集集电极-发射极电压数据V_ce、二极管电压数据V_D、门极驱动电压数据V_ge和辅助电压数据V_eE，并把采集的所有电压数据上传到所述示波器和所述上位机。

请参阅图2a和图2b，硬件测试平台1，采用典型的双脉冲测试电路测试功率器件的开关动态波形，测试对象为下管IGBT和上管二极管，包括步骤：

(1)0～t₁：t＝0时刻，被测IGBT开通，母线通过IGBT给电感L充电，电感电流I_L线性上升，直至t₁时刻电感电流I_L上升到指定测试值I₁；

(2)t₁～t₂：t₁时刻，关断被测IGBT，可捕获IGBT关断电压、电流等关断参数波形，电感电流I_L通过上管二极管进行续流，直至t₂时刻IGBT再次开通；

(3)t₂～t₃：t₂时刻，IGBT再次导通，可捕获IGBT开通电压、电流等开通参数波形。当负载电感足够大时，可认为此时IGBT开通的电流值I₂等于t₁时刻关断的电流值I₁；在该阶段，负载电流I_L继续上升直至t₃时刻，此时电流为I₃；

(4)t₃以后：t₃时刻，IGBT再次关断，电感电流I_L通过上管二极管D进行续流，直至电流降为零，单个双脉冲测试周期结束。

上述步骤(1)-(4)中涉及的上下桥臂功率器件开关时序由所述DSP数字控制器发出，而控制指令来源于上位机；

上述步骤(1)-(4)中涉及的上下桥臂功率器件的集电极电流i_c、集电极-发射极电压V_ce、二极管电压V_D和门极驱动电压V_ge等电参量由电压电流探头获取并自动上传到示波器和上位机；

上述步骤(1)-(4)中涉及的开关动态电参量数据上传至上位机后需通过GUI界面操作进行数据后处理，提取包括开关时间，开通电流过冲，关断电压尖峰、功率器件的开关损耗、大电流下饱和压降和开关米勒平台电压等开关动态参量。

待测IGBT器件为Infineon公司的FF400R33KF2C模块，实施例中硬件测试平台的相关参数如表1所示：

参数	取值
		直流母线电压	2000V
直流侧电容	15000μF
		双脉冲实验电流	≤3600A
滤波电感	320μH
			室温～125℃

表1

测试过程严格按照本下述试验步骤进行。

一种功率变流器开关动态参量提取方法，包括以下步骤：

S1，将测试模块安装到所述叠层母排，将测试探头夹在需要测试的端子上，检查测试回路，保证控制线及功率线与加热板隔离；

S2，检查所述硬件测试平台的连线是否有短路点，然后检查控制器与电脑的通讯线、驱动供电线以及电脑与示波器是否正确连接；

S3，打开电脑中的上位机，然后将所述硬件测试平台的辅助电源总开关闭合，依次将示波器、控制器和驱动电源开关闭合；

S4，将温控仪调到想要测试的温度点，闭合温控仪的温度电源开关；

S5，运行LabVIEW主界面，再输入测试信息后点击启动测试，进入示波器和参数设置界面；

S6，在测试条件输入栏内设置测试温度、测试电压和测试电流等，然后在示波器设置栏设置采样条件；

S7，闭合主功率空气开关后，双脉冲测试自动完成，示波器数据自动传输到电脑中；

S8，运行MATLAB的数据后处理模块，自动导入所采集的电流电压数据并计算出功率器件的开关动态参量。

请参阅图3a、图3b、图4a和图4b分别为IGBT开关损耗、开关时间与电流及温度的关系曲线，由变化趋势可知，随着负载电流等级的升高，待测器件的开关损耗不断增加，且待测器件的开关损耗具有正的温度系数，器件的结温越高，损耗越大；不同结温下，器件的开通时间随负载电流水平变化的趋势比较一致，负载电流越大，开通时间越长，且待测器件的开通时间具有正的温度系数。本装置还可提取其他与温度相关的开关动态参量，但是限于篇幅原因，未全部列出。

综上所述，本发明的功率变流器开关动态参量提取装置及提取方法，自动化程度高且易操作，可以快速而准确的提取出功率器件开关瞬态过程的电参量，用于指导功率变流器的可靠性设计，用于分析功率器件衰退过程中相关参量的变化规律进而评估功率变流器的健康状况。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种功率变流器开关动态参量提取装置，其特征在于，包括硬件测试平台、数据采集模块、控制器、上位机和数据后处理模块；

所述硬件测试平台包括变压器、整流器、电容器、充电电阻、继电器、泄能电阻、叠层母排、功率器件和加热板；所述变压器、整流器、充电电阻、继电器依次串联后作为所述电容器的功率输入，所述电容器和功率器件分别安装到所述叠层母排上，所述泄能电阻与所述电容器并联；

所述功率器件通过导热硅脂固定在所述加热板上，所述加热板连接有温控仪；

所述数据采集模块包括数据采集器和示波器，所述数据采集器采集电流电压数据，并将电流电压数据上传到所述示波器和所述上位机；

所述控制器，用于接受上位机的指令，并通过光纤向所述功率器件下发触发脉冲指令和闭锁指令；

所述上位机，为控制指令层，将测试条件经通讯接口传送给所述控制器；将采样条件经通讯接口传送给所述数据采集器以及示波器；

所述数据后处理模块，完成电流电压数据的后处理操作，提取功率器件的开关动态参量，所述开关动态参量包括开关时间、开通电流过冲、关断电压和开关损耗。

2.根据权利要求1所述的功率变流器开关动态参量提取装置，其特征在于，所述控制器采用DSP控制器；所述上位机采用LabVIEW上位机；所述数据后处理模块采用数据后处理GUI界面。

3.根据权利要求1所述的功率变流器开关动态参量提取装置，其特征在于，交流电依次经所述变压器升压、整流器不可控整流后与所述充电电阻及继电器串联后作为所述电容器的功率输入，所述电容器和功率器件分别安装到所述叠层母排上，所述泄能电阻与所述电容器并联，释放所述电容器的能量；所述加热板通过所述温控仪控制其维持在设定的温度。

4.根据权利要求1所述的功率变流器开关动态参量提取装置，其特征在于，所述数据采集器包括电流探头和电流探头，其中：

所述电流探头采集集电极电流数据，并把集电极电流数据上传到所述示波器和所述上位机；

所述电压探头采集集电极-发射极电压数据、二极管电压数据、门极驱动电压数据和辅助电压数据，并把采集的所有电压数据上传到所述示波器和所述上位机。

5.一种功率变流器开关动态参量提取方法，利用权利要求2所述的功率变流器开关动态参量提取装置进行开关动态参量提取，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将测试模块安装到所述叠层母排，将测试探头夹在需要测试的端子上，检查测试回路，保证控制线及功率线与加热板隔离；

S2，检查所述硬件测试平台的连线是否有短路点，然后检查DSP控制器与电脑的通讯线、驱动供电线以及电脑与示波器是否正确连接；

S3，打开电脑中的LabVIEW上位机，然后将所述硬件测试平台的辅助电源总开关闭合，依次将示波器、控制器和驱动电源开关闭合；

S4，将温控仪调到想要测试的温度点，闭合温控仪的温度电源开关；

S5，运行LabVIEW主界面，再输入测试信息后点击启动测试，进入示波器和参数设置界面；

S6，在测试条件输入栏内设置测试温度、测试电压和测试电流，然后在示波器设置栏设置采样条件；

S7，闭合主功率空气开关后，双脉冲测试自动完成，示波器数据自动传输到电脑中；

S8，运行MATLAB的数据后处理GUI界面，自动导入所采集的电流电压数据并计算出功率器件的开关动态参量。