PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法研究

劉也可，向大為，袁逸超，錢金子陽(yáng)（.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海0804；.俄亥俄州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，美國(guó)俄亥俄州哥倫布市430）

PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法研究

劉也可1，向大為1，袁逸超1，錢金子陽(yáng)2
（1.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804；2.俄亥俄州立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系，美國(guó)俄亥俄州哥倫布市43210）

論文介紹了一種PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試的方法。該方法主要針對(duì)通用變頻器、光伏、風(fēng)電等各種變流器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)IGBT功率模塊進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，以驗(yàn)證變流器運(yùn)行性能或檢測(cè)功率模塊運(yùn)行狀態(tài)。以臺(tái)達(dá)3.7kw變頻器VFD037M43A為例，該方法通過(guò)特定的觸發(fā)脈沖導(dǎo)通或者關(guān)斷變頻器中相應(yīng)的IGBT，構(gòu)成Buck電路對(duì)IGBT進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?yán)米冾l器停機(jī)間隙和電容儲(chǔ)能對(duì)電機(jī)繞組放電進(jìn)行測(cè)試，無(wú)需額外增加硬件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法具有簡(jiǎn)單、安全以及不影響變流器正常運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

PWM變流器；電容儲(chǔ)能；IGBT；現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試

1　引言

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電越來(lái)越受人們的重視[1]。由于IGBT（Insulated gate Bipolar Transistor）綜合了GTR（Giant Transistor）和MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有控制方便、工作頻率高、安全工作區(qū)大等良好的性能。所以IGBT越來(lái)越廣泛的運(yùn)用于變頻器、電動(dòng)汽車以及光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中。實(shí)際工程中，了解IGBT的開(kāi)關(guān)特性對(duì)于優(yōu)化IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路、電氣主回路以及保證變流器安全、可靠地運(yùn)行十分重要。例如IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓以及二極管反向恢復(fù)電流是否在安全范圍內(nèi)，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程當(dāng)中是否存在不合適的振蕩等[2]。通常，大部分機(jī)電設(shè)備制造商以及終端用戶會(huì)選擇IGBT制造商給出的手冊(cè)來(lái)評(píng)估IGBT的運(yùn)行性能，但是在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，電路中往往存在寄生電容和寄生電感，此外門極電阻也會(huì)與IGBT制造商的測(cè)試時(shí)所用的門極電阻有所不同，可能導(dǎo)致實(shí)際的IGBT動(dòng)態(tài)特性與手冊(cè)上的有所不同[3-6]。在IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，往往采用簡(jiǎn)單模型來(lái)估算IGBT開(kāi)通和關(guān)斷損耗[7]。簡(jiǎn)單模型不能準(zhǔn)確的反應(yīng)在實(shí)際電路當(dāng)中IGBT的動(dòng)態(tài)參數(shù)，所以導(dǎo)致IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確。本文研究了PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法，相關(guān)工作對(duì)確保變流器系統(tǒng)安全、高效、可靠運(yùn)行以及IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有實(shí)際工程意義。

2　現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法

IGBT動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法通常分為單脈沖和雙脈沖測(cè)試兩種方法[8]。在大部分電力電子裝置中，負(fù)載中都含有電感。在IGBT關(guān)斷后，此時(shí)二極管會(huì)一直續(xù)流，負(fù)載電流一般不會(huì)斷流，在此時(shí)開(kāi)通IGBT，二極管會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)過(guò)程。而單脈沖實(shí)驗(yàn)中是沒(méi)有二極管反向恢復(fù)過(guò)程的，只能觀察到IGBT的關(guān)斷過(guò)程，因此雙脈沖實(shí)驗(yàn)比單脈沖實(shí)驗(yàn)真實(shí)，在IGBT動(dòng)態(tài)特性測(cè)試當(dāng)中應(yīng)用更多。

2.1測(cè)試原理

本文用的是雙脈沖測(cè)試方法。測(cè)試原理如圖1所示，T1，T3，T5為上半橋臂IGBT，T2，T4，T6分別為下半橋臂IGBT。為構(gòu)成雙脈沖測(cè)試的Buck電路，觸發(fā)脈沖分配的具體方法為：設(shè)Tk表示編號(hào)為k（k=1，2，…6）的IGBT的觸發(fā)脈沖狀態(tài)（Tk=1，0，X分別對(duì)應(yīng)開(kāi)通，關(guān)斷或雙脈沖）。當(dāng)被測(cè)IGBT 編號(hào)i＜=3時(shí)，則有Ti=X，Ti+3=1，Tk=0（k=1，2，…6且k≠i，k≠i+3），通過(guò)改變脈沖的寬度，能夠得到不同電流條件下的第i個(gè)IGBT動(dòng)態(tài)特性；當(dāng)被測(cè)IGBT 編號(hào)i＞3時(shí)，Ti=X，Ti-3=1，Tk=0（k=1，2，…6且k≠i，k≠i-3），測(cè)試方法與前面相同。在測(cè)試過(guò)程中，電機(jī)兩相繞組為測(cè)試提供感性負(fù)載，且脈沖測(cè)試時(shí)間很短（通常在毫秒級(jí)），測(cè)試過(guò)程中IGBT的結(jié)溫Tj近似等于模塊殼溫Tc。

2.2IGBT動(dòng)態(tài)特性

在變頻器工作現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)的時(shí)候，對(duì)變頻器中的IGBT進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，分別測(cè)量開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程的IC，VCE，VGE這三個(gè)參數(shù)，通過(guò)分析這三個(gè)參數(shù)能夠獲取IGBT的動(dòng)態(tài)特性，通常包括開(kāi)通（ton）、關(guān)斷時(shí)間（toff）、開(kāi)通損耗（Eon）、關(guān)斷損耗（Eoff）等等。利用高速電流探頭測(cè)量 IGBT的集電極電流IC，利用兩個(gè)差分電壓探頭分別測(cè)量VCE和VGE。IGBT開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程如圖2所示：IGBT開(kāi)通時(shí)間ton是指VGE從0V開(kāi)始至VCE下降到10%，此階段所用的時(shí)間其中開(kāi)通損耗Eon為VCE×IC在時(shí)間ton內(nèi)的積分，IGBT關(guān)斷過(guò)程中關(guān)斷時(shí)間toff是指從VGE下降到90%開(kāi)始至IC下降到10%時(shí)所用的時(shí)間，其中IGBT的關(guān)斷損耗Eoff等于VCE×IC在時(shí)間toff內(nèi)的積分。

圖1　雙脈沖測(cè)試原理圖Fig. 1 Double pulse testing principle diagram

2.3測(cè)試步驟

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行的時(shí)候，按照?qǐng)D3進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。具體步驟如下：

（1）直流母線電容充電：利用系統(tǒng)中現(xiàn)成的輸入電源（如整流器）對(duì)變流器直流母線電容進(jìn)行充電。

（2）電源隔離：斷開(kāi)被測(cè)變流器與輸入電源的電氣連接，保證測(cè)試的安全性。

（3）產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

（4）數(shù)據(jù)測(cè)量：兩個(gè)電壓探頭分別用于測(cè)量被測(cè)IGBT集電極-發(fā)射集電壓（VCE）以及柵極-發(fā)射極電壓（VGE），高速電流探頭用于測(cè)量IGBT集電極電流（ic）。

（5）數(shù)據(jù)處理：提取測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出IGBT的開(kāi)關(guān)特性參數(shù)，如開(kāi)通時(shí)間（ton），關(guān)斷時(shí)間（toff），開(kāi)通損耗（Eon）與關(guān)斷損耗（Eoff）。

（6）改變測(cè)試條件：改變步驟（3）中雙脈沖的寬度或者變流器中IGBT的殼溫，然后重復(fù)步驟（1）～（5），獲得不同運(yùn)行條件下IGBT開(kāi)關(guān)特性，如開(kāi)通時(shí)間（ton），關(guān)斷時(shí)間（toff），開(kāi)通損耗（Eon）與關(guān)斷損耗（Eoff）并且繪制曲線。

（7）改變被測(cè)IGBT：待某一IGBT測(cè)試完成后，需改變觸發(fā)脈沖配置對(duì)另一個(gè)IGBT進(jìn)行測(cè)試。重復(fù)步驟（1）～（6）可測(cè)得變流器中各個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)特性。

測(cè)試過(guò)程中需注意電容電壓是否運(yùn)行在額定值，以免電壓過(guò)低影響測(cè)試結(jié)果。

圖2　開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的定義[9]Fig. 2 Definition of On-time and off-time

圖3　雙脈沖測(cè)試流程圖Fig. 3 Double pulse testing flowchart

圖4　雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)圖Fig. 4 Double pulse testing system diagram

3　實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文以3.7kw臺(tái)達(dá)VFD037M43A變頻器為例，對(duì)PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示：

實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備如下：

變頻器：臺(tái)達(dá)VFD037M43A變頻器

IGBT：7MBR25SA120

電機(jī)：3kW東元感應(yīng)電機(jī)

控制器：DSP-F28335

差分電壓探頭：知用DP6130A

高速電流探頭：知用CP8030A

示波器：普源DZ1000

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)示波器數(shù)據(jù)采集軟件傳輸至電腦，然后用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。讀取IGBT開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間，并且計(jì)算出開(kāi)通、關(guān)斷損耗。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在不同電流下開(kāi)展雙脈沖測(cè)試，最終得到開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間與電流的關(guān)系以及開(kāi)通、關(guān)斷損耗與電流的關(guān)系。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的在IC=20A時(shí)IGBT開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程的波形，如圖5-6所示。在IC=0～25A時(shí)IGBT開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間與集電極電流的關(guān)系如圖7所示。開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗與集電極電流的關(guān)系如圖8所示。

圖5　IGBT開(kāi)通過(guò)程Fig. 5 IGBT turn-on process

圖6　IGBT關(guān)斷過(guò)程Fig. 6 IGBT turn-off process

圖7　IGBT開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間與電流的關(guān)系Fig. 7 Relationshipbetween IGBT turn on

圖8　IGBT開(kāi)通、關(guān)斷損耗與電流的關(guān)系Fig. 8 Relationship between IGBT turn on and turn off time and currentand turn off loss and current

4　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法的可行性。通過(guò)與IGBT手冊(cè)上參數(shù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)[10]：在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中IGBT的動(dòng)態(tài)特性與手冊(cè)上的動(dòng)態(tài)特性有較大差別。在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的前提下，通過(guò)該測(cè)試方法，能夠準(zhǔn)確測(cè)得IGBT實(shí)際運(yùn)行的開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等動(dòng)態(tài)特性，分析得到IGBT的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，這對(duì)IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化以及變流器的主回路設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

[

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Study on The In-situ Method of Double-pulse Test for the PWM Converter

LIU Ye-ke1, XIANG Da-wei1, YUAN Yi-chao1, QIAN Jin-zi-yang2
(1. Electrical Engineering Department of TongjiUniversity , Shanghai 201804, China; 2. Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, Columbus, OHIO 43210, USA)

An in-situ method of double-pulse test forthe PWM converter is studied in this paper. The method can be applied in the field to verify the performances of converter and/or detect the conditions of IGBT power modules inside the converter, which is suitable forthe general VFD, photovoltaic and wind power converters and so on.As an example, a380V/3.7kW Delta inverter VFD037M43A was tested by the method experimentally. During the downtime of the inverter system, a Buck circuit is constructed by a series of specially allocated gate pluses and the IGBT under test were tested on-line. No hardware is need in the test since the storage energy of DC-capacitor and the motor windings serve as the power source and load respectively. The experimental results prove the validation of the method, which has many advantages such as simple, safe and not affecting the normal operation of converter system.

PWM converter;IGBT;In-situ double-pulse test

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.03

LIU Ye-ke, XIANG Da-wei, YUAN Yi-chao, et al. Study on The In-situ Method of Double-pulse Test for the PWM Converter[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 16-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金（51207110）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51137006）

劉也可（1989-），男，碩士，主要研究方向：變流器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷；向大為（1978-），男，教授，主要研究方向：電力電子可靠性與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、新能源發(fā)電以及電機(jī)運(yùn)行與控制；袁逸超（1992-），男，碩士，主要研究方向：IGBT結(jié)溫監(jiān)測(cè)；錢金子陽(yáng)（1992-），女，碩士，主要研究方向：IGBT封裝結(jié)構(gòu)

本文引用格式：劉也可，向大為，袁逸超，等. PWM變流器現(xiàn)場(chǎng)雙脈沖測(cè)試方法研究[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（10）：16-20.