CN110726916B - 一种mmc功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置及方法，该装置包括主要包括电源、变压器T、整流桥、IGBT全桥逆变器、电加热夹具、电压表、电流表、整流桥控制器、IGBT控制器以及温度控制器。本发明所提供的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置可分别模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况，并通过自动调节整流桥触发角度实现测试电压的自动精准调节，可以准确的自动测试晶闸管的转折电压，从而更精准的筛选适用于功率模块的晶闸管，降低由于IGBT元件击穿导致的功率模块损坏的损失，降低整个换流器被迫停运的概率，提高***运行的可靠性。

Description

一种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置及方法。

背景技术

随着柔性直流输电技术的快速发展，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)已被应用到工程上。该种形式的换流器由数以千计的功率模块(拓扑见图1、图2)组成，某一功率模块如果失去控制(IGBT无法触发)导致电容电压升高，将导致该功率模块内IGBT过压击穿形成开路状态，最终引起整个换流器被迫停运。虽然在功率模块端口增加的旁路开关，在模块故障时旁路开关闭合从而将故障模块旁路。但是旁路开关可能存在拒动的问题，为了解决该问题，在功率模块端口增加了保护晶闸管。如果功率模块失去控制，在旁路开关拒动的情况下，模块电容电压升高并超过晶闸管的转折电压，该保护晶闸管将被击穿并形成通路，不影响换流器的运行。因此，筛选除合格转折电压范围内的晶闸管尤为重要。但目前保护晶闸管的转折电压的测试方法与功率模块实际运行工况不一致，导致保护晶闸管筛转折电压偏差较大。

发明内容

为了解决目前保护晶闸管的转折电压的测试方法与功率模块实际运行工况不一致，导致保护晶闸管筛转折电压偏差较大的问题，本发明实施例提供了一种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置及方法

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，包括：

电源；

变压器，其一次侧和电源相连接；

整流桥，其输入端和所述变压器的二次侧相连接，用以输出直流电压；

IGBT全桥逆变器，其和整流桥的输出端相连接，并根据控制命令来输出不同电压波形，所述IGBT全桥逆变器包括Q1、Q2、Q3、Q4四个开关，所述Q1、Q2、Q3、Q4四个开关顺时针依次串接形成回路；

电加热夹具，其一电源接口端连接在Q1和Q4开关之间，另一电源接口端连接在Q2开关和Q3开关之间；所述电加热夹具用于对被试晶闸管进行加热测试；

电压表，其用于测量被试晶闸管的实时电压；

电流表，其用于测量被试晶闸管的实时电流；

整流桥控制器，其和整流桥的输入端相连接，用以控制整流桥触发角度和触发脉冲；

IGBT控制器，其和IGBT全桥逆变器相连接，用以控制Q1、Q2、Q3、Q4的开关组合以及时序；

温度控制器，其和电加热夹具相连接，用以控制电加热夹具的加热温度。

进一步地，所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置还包括：人机操作界面，所述人机操作界面分别和整流桥控制器、IGBT控制器、温度控制器相连接，用以输出操作指令至整流桥控制器、IGBT控制器、温度控制器中。

进一步地，所述人机操作界面还分别电压表、电流表以及电加热夹具相连接，用以接收被试晶闸管实时电压、实时电流、实时温度信号。

进一步地，在所述整流桥和IGBT全桥逆变器之间并接有电容器。

进一步地，在所述整流桥和IGBT全桥逆变器之间串接有电抗器。

进一步地，所述整流桥控制器通过锁相环和整流桥的输入端相连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种半桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，该方法采用上述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将被试晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q3保持导通、Q2保持关断；

步骤5：IGBT控制器控制Q1导通、Q4关断，保持设定时间T1；

步骤6：IGBT控制器控制Q1关断、Q4导通，保持设定时间T2；

步骤7：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，从而缓慢增大整流桥输出电压，重复第5、6步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤8：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤9：数据分析：

(3)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(4)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

进一步地，所述设定时间T1和T2均为10ms。

第三方面，本发明实施例提供了一种全功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，该方法采用上述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将保护晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q1、Q3同时导通、Q2、Q4同时关断，保持设定时间T3；

步骤5：IGBT控制器控制Q1、Q3同时关断、Q2、Q4同时导通，保持设定时间T4；

步骤6：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，从而缓慢增大整流桥输出电压，重复第4、5步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤7：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤8：数据分析：

(1)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(2)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

进一步地，所述设定时间T3和T4均为10ms

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明所提供的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置可分别模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况，并通过自动调节整流桥触发角度实现测试电压的自动精准调节，可以准确的自动测试晶闸管的转折电压，从而更精准的筛选适用于功率模块的晶闸管，降低由于IGBT元件击穿导致的功率模块损坏的损失，降低整个换流器被迫停运的概率，提高***运行的可靠性。

附图说明

图1为半桥功率模块拓扑图；

图2为全桥功率模块拓扑图；

图3为本发明实施例1提供的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置的测试原理图；

图4为半桥功率模块保护晶闸管电压时序图；

图5为全桥功率模块保护晶闸管电压时序图；

图中：1、电加热夹具；2、电压表；3、电流表；4、整流桥控制器；5、IGBT控制器；6、温度控制器；7、人机操作界面；8、锁相环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1：

参阅图1所示，为本实施例提供的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置的测试原理图，该装置主要包括电源、变压器T、整流桥、IGBT全桥逆变器、电加热夹具1、电压表2、电流表3、整流桥控制器4、IGBT控制器5以及温度控制器6。

其中，该电源在本实施例中采用的是U、V、W三相电源，变压器T采用的是变升压变压器，变压器T的一次侧和电源相连接，变压器T的二次侧则和整流桥的输入端相连接，具体地，该整流桥是由T1-T6六个二极管所组成，用以输出直流电压至IGBT全桥逆变器中；该IGBT全桥逆变器根据控制命令来输出不同电压波形，以实现模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况，如图4和5所示；具体地，该IGBT全桥逆变器包括Q1、Q2、Q3、Q4四个开关，Q1、Q2、Q3、Q4四个开关顺时针依次串接形成回路；电加热夹具，其一电源接口端连接在Q1和Q4开关之间，另一电源接口端连接在Q2开关和Q4开关之间；该电加热夹具1用于对被试晶闸管进行加热测试，具体使用时，被试晶闸管将会被放置于电加热夹具1中，以模拟功率模块工作时晶闸管两端散热器的温度。

而该电压表2则并接在电加热夹具1的两端，用以测量被试晶闸管的实时电压；电流表3则测量被试晶闸管的实时电流；该整流桥控制器4和整流桥的输入端相连接，用以控制整流桥触发角度和触发脉冲；IGBT控制器5则和IGBT全桥逆变器相连接，用以控制Q1、Q2、Q3、Q4的开关组合以及时序，从而自动准确地模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况；温度控制器6则和电加热夹具1相连接，用以控制电加热夹具的加热温度。

由此可见，本实施例提供的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置可分别模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况，并通过自动调节整流桥触发角度实现测试电压的自动精准调节，可以准确的自动测试晶闸管的转折电压，从而更精准的筛选适用于功率模块的晶闸管，降低由于IGBT元件击穿导致的功率模块损坏的损失，降低整个换流器被迫停运的概率，提高***运行的可靠性。

作为上述MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置的一种优选，该测试装置还包括人机操作界面7，该人机操作界面7分别和整流桥控制器4、IGBT控制器5、温度控制器6相连接，用以输出操作指令至整流桥控制器4、IGBT控制器5、温度控制器6中，以便于控制操作，比如可以输入被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts。进一步地，该人机操作界面7还分别与电压表2、电流表3以及电加热夹具1相连接，用以接收被试晶闸管实时电压、实时电流、实时温度信号，以便于实时获知相关的测量信息。

作为上述MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置的另一种优选，在该整流桥和IGBT全桥逆变器之间并接有电容器C，以起到稳压的作用。在该整流桥和IGBT全桥逆变器之间串接有电抗器L，以起到平滑电流和限制电流变化率的作用。同时，该整流桥控制器通过锁相环8和整流桥的输入端相连接，通过锁相环可以测量整流桥侧电压角度。

实施例2：

本实施例提供了一种半桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，该方法采用实施例1述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将被试晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q3保持导通、Q2保持关断；

步骤5：IGBT控制器控制Q1导通、Q4关断，保持设定时间T1；

步骤6：IGBT控制器控制Q1关断、Q4导通，保持设定时间T2；

步骤7：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，从而缓慢增大整流桥输出电压，重复第5、6步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤8：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤9：数据分析：

(5)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(6)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

具体地，该设定时间T1和T2均为10ms，以更为准确地模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况。

实施例3：

本实施例提供了一种全桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，该方法采用实施例1述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将保护晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q1、Q3同时导通、Q2、Q4同时关断，保持设定时间T3；

步骤5：IGBT控制器控制Q1、Q3同时关断、Q2、Q4同时导通，保持设定时间T4；

步骤6：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，从而缓慢增大整流桥输出电压，重复第4、5步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤7：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤8：数据分析：

(1)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(2)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

具体地，该设定时间T1和T2均为10ms，以更为准确地模拟失控的半桥功率模块和全桥功率模块中保护晶闸管的实际运行工况。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，包括：

电源；

变压器，其一次侧和电源相连接；

整流桥，其输入端和所述变压器的二次侧相连接，用以输出直流电压；

IGBT全桥逆变器，其和整流桥的输出端相连接，并根据控制命令来输出不同电压波形，所述IGBT全桥逆变器包括Q1、Q2、Q3、Q4四个开关，所述Q1开关的集电极和Q2开关的集电极相连接，Q2开关的发射极和Q3开关的集电极相连接，Q3开关的发射极和Q4开关的发射极相连接，Q4开关的集电极和Q1开关的发射极相连接；

电加热夹具，其一电源接口端连接在Q1和Q4开关之间，另一电源接口端连接在Q2开关和Q3开关之间；所述电加热夹具用于对被试晶闸管进行加热测试；

电压表，其用于测量被试晶闸管的实时电压；

电流表，其用于测量被试晶闸管的实时电流；

整流桥控制器，其和整流桥的输入端相连接，用以控制整流桥触发角度和触发脉冲；

IGBT控制器，其和IGBT全桥逆变器相连接，用以控制Q1、Q2、Q3、Q4的开关组合以及时序；

温度控制器，其和电加热夹具相连接，用以控制电加热夹具的加热温度。

2.如权利要求1所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，还包括：人机操作界面，所述人机操作界面分别和整流桥控制器、IGBT控制器、温度控制器相连接，用以输出操作指令至整流桥控制器、IGBT控制器、温度控制器中。

3.如权利要求2所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，所述人机操作界面还分别电压表、电流表以及电加热夹具相连接，用以接收被试晶闸管实时电压、实时电流、实时温度信号。

4.如权利要求1所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，在所述整流桥和IGBT全桥逆变器之间并接有电容器。

5.如权利要求1所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，在所述整流桥和IGBT全桥逆变器之间串接有电抗器。

6.如权利要求1所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置，其特征在于，所述整流桥控制器通过锁相环和整流桥的输入端相连接。

7.一种半桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，采用权利要求3-6任一所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将被试晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q3保持导通、Q2保持关断；

步骤5：IGBT控制器控制Q1导通、Q4关断，保持设定时间T1；

步骤6：IGBT控制器控制Q1关断、Q4导通，保持设定时间T2；

步骤7：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，缓慢增大整流桥输出电压，重复第5、6步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤8：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤9：数据分析：

(1)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(2)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

8.如权利要求7所述的半桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，其特征在于，所述设定时间T1和T2均为10ms。

9.一种全功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，采用权利要求3-6任一所述的MMC功率模块保护晶闸管转折电压自动测试装置进行，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在人机界面设置被试晶闸管Th的最大测试电压Vs、漏电流Is、测试温度Ts；

步骤2：将保护晶闸管T安装至加热夹具内，并加热至测试温度Ts；

步骤3：调节整流桥晶闸管触发角度为90°，使整流桥输出电压为0；

步骤4：IGBT控制器控制Q1、Q3同时导通、Q2、Q4同时关断，保持设定时间T3；

步骤5：IGBT控制器控制Q1、Q3同时关断、Q2、Q4同时导通，保持设定时间T4；

步骤6：整流桥控制器逐步减小整流桥晶闸管触发角度，缓慢增大整流桥输出电压，重复第4、5步，电压表测量被试晶闸管电压V并与最大测试电压Vs比较，电流表显示的电流值I与漏电流设置值Is比较；

步骤7：满足下列任意条件停止升压，并记录该时刻被试晶闸管电压V和电流I：

(1)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs；

(2)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is；

步骤8：数据分析：

(1)被试晶闸管电流值I大于等于漏电流设置值Is，若被试晶闸管电压V不在晶闸管电压要求Vs±△V范围内，则被试晶闸管不满足要求；

(2)被试晶闸管电压V大于等于最大测试电压Vs，若被试晶闸管电流I不在晶闸管漏电流要求Is±△I，则被试晶闸管不满足要求。

10.如权利要求9所述的全桥功率模块保护晶闸管转折电压测试方法，其特征在于，所述设定时间T3和T4均为10ms。

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