武松劍,余志濤,謝明明

(株洲時(shí)代電氣股份有限公司 制造中心,湖南株洲412001)

IGBT器件是構(gòu)成各種電力電子電路最為關(guān)鍵的器件,其模塊化得到了廣泛的應(yīng)用,但其模塊的測試方法有多種,介紹持續(xù)斬波試驗(yàn)和電容充電斬波試驗(yàn)兩種方法,并對兩種方法的優(yōu)劣進(jìn)行對比。

1 持續(xù)斬波試驗(yàn)方法

試驗(yàn)電路圖如圖1所示。

試驗(yàn)采用電阻負(fù)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(jìn)行斬波試驗(yàn);斬波試驗(yàn)過程中,在電源持續(xù)給支撐電容充電的同時(shí),通過信號發(fā)生器持續(xù)給被測開關(guān)器件的驅(qū)動電路提供周期為100～300 μ s的連續(xù)脈沖信號,以此來驅(qū)動開關(guān)器件導(dǎo)通關(guān)斷,從而檢測開關(guān)器件截止電壓與導(dǎo)通電流等一系列關(guān)鍵性能指標(biāo)。

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

2 電容充電斬波試驗(yàn)方法

該方案中,斬波負(fù)載采用電感負(fù)載,試驗(yàn)時(shí)利用充電后電容內(nèi)的電量進(jìn)行斬波試驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)步驟根據(jù)產(chǎn)品變流電路結(jié)構(gòu)的區(qū)別,主要有以下2種。

2.1 兩電平模式

電路如圖2所示,每個(gè)橋臂上的可關(guān)斷開關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管,可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。該模式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實(shí)現(xiàn)有源逆變,因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型,也是多開關(guān)PWM變流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。

圖2中有(A)、(B)兩種負(fù)載接線方式,其試驗(yàn)情況如表1所示,其中UCE為IGBT切斷時(shí)兩端電壓,UCD為常開IGBT上續(xù)流二極管的恢復(fù)電壓。進(jìn)行過流關(guān)斷試驗(yàn)即將負(fù)載電感相應(yīng)減小。

圖1 試驗(yàn)電路圖

圖2 兩電平變流器斬波試驗(yàn)電路圖

表1 兩電平試驗(yàn)情況一覽表

根據(jù)考核器件的不同,通過表1選擇試驗(yàn)電路負(fù)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(jìn)行監(jiān)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(gè)不同脈沖寬度可調(diào)的脈沖(見圖3),控制功率器件1的開通和關(guān)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(lián)二極管的反向電壓UCD進(jìn)行采集并記錄。

對示波器采集到的電壓和電流波形進(jìn)行分析,以確認(rèn)被試功率器件是否滿足器件技術(shù)參數(shù)要求。

在該模式下,為了使模塊中相應(yīng)位置上的IGBT產(chǎn)生導(dǎo)通、斷開的動作,需要通過雙脈沖信號發(fā)生器給模塊驅(qū)動電路提供相應(yīng)的門極脈沖。圖3所示即為脈沖波形以及對應(yīng)時(shí)序的負(fù)載電流波形,其中t1=L′×希望電流值/V,其中L′為負(fù)荷感應(yīng)系數(shù);V為切換時(shí)的負(fù)荷電壓;t2與t3的值應(yīng)符合表1中的切換條件。脈沖波形處于t1下降沿時(shí)對斬波電壓進(jìn)行測量,處于t3上升沿時(shí)對二極管恢復(fù)電壓進(jìn)行檢測。

圖3 兩電平斬波試驗(yàn)門極驅(qū)動波形以及負(fù)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(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamped)電路。

圖4 三電平變流器斬波試驗(yàn)電路圖形示意圖

(1)穩(wěn)態(tài)斬波試驗(yàn)

三電平模式采用AC-P/M/C負(fù)載接線方式,試驗(yàn)情況如表2所示,其中UCE為IGBT切斷時(shí)兩端電壓,UCD為常開IGBT上續(xù)流二極管的恢復(fù)電壓。

表2 三電平穩(wěn)態(tài)斬波試驗(yàn)情況一覽表

與兩電平試驗(yàn)原理相似,為了使模塊中相應(yīng)位置上的IGBT產(chǎn)生導(dǎo)通、斷開的動作,需要通過兩通道雙脈沖信號發(fā)生器給模塊驅(qū)動電路提供相應(yīng)的門極脈沖,試驗(yàn)方法同兩電平模式。圖5所示即為兩個(gè)通道的脈沖波形以及對應(yīng)時(shí)序的負(fù)載電流波形,其中t1=L′×希望電流值/V,L′為負(fù)荷感應(yīng)系數(shù),V為切換時(shí)的負(fù)荷電壓;t2與t3的值應(yīng)符合表2中的切換條件。脈沖波形處于t1下降沿時(shí)對穩(wěn)態(tài)切斷電壓進(jìn)行測量,處于t3上升沿時(shí)對CD恢復(fù)電壓進(jìn)行檢測。

圖5 三電平穩(wěn)態(tài)斬波試驗(yàn)門極驅(qū)動波形以及負(fù)載電流波形示意圖

(2)OC斬波試驗(yàn)

OC斬波試驗(yàn)條件和穩(wěn)態(tài)斬波試驗(yàn)條件一樣,但考核器件的脈沖改為單脈沖,負(fù)載電感相應(yīng)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(fù)荷感應(yīng)系數(shù),V為切換時(shí)的負(fù)荷電壓。

表3 三電平OC斬波試驗(yàn)情況一覽表

圖6 三電平OC斬波試驗(yàn)門極驅(qū)動波形示意圖

3 2種方法優(yōu)劣對比

3.1 持續(xù)斬波試驗(yàn)方法

優(yōu)點(diǎn):(1)對模塊開關(guān)器件的截止電壓、導(dǎo)通電流、開關(guān)頻率以及儲能元件的耐壓性能等一些基本性能參數(shù)進(jìn)行了充分的持續(xù)考核;(2)該方案模擬了模塊在變流系統(tǒng)中實(shí)際工作的情況,可以用于確定整個(gè)模塊的控制電路、驅(qū)動電路以及變流電路工作是否正常,制造工藝是否滿足設(shè)計(jì)要求。

缺點(diǎn):(1)沒有對開關(guān)器件續(xù)流二極管的續(xù)流能力進(jìn)行考核;(2)對開關(guān)器件的過流能力以及過流保護(hù)功能的考核缺乏一定的針對性;(3)需要長時(shí)間占用測試臺電源負(fù)載,降低了試驗(yàn)效率。

3.2 電容充電斬波方案

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

缺點(diǎn):對開關(guān)器件以及儲能元件的持續(xù)工作運(yùn)行能力沒有進(jìn)行試驗(yàn)考核。

4 結(jié)束語

(1)在進(jìn)行功率模塊批量生產(chǎn)之前,應(yīng)對試制產(chǎn)品進(jìn)行電容充電斬波試驗(yàn)和老化功率試驗(yàn),充分對產(chǎn)品設(shè)計(jì)電路以及制造工藝進(jìn)行全方位性能考核;

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

[1] 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M],北京:清華大學(xué)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.