一種電力電子變換器直流母排雜散參數提取方法與流程

2023-05-05 03:49:37 2

本發明涉及電子電力變換器技術領域，具體涉及一種電力電子變換器直流母排雜散參數提取方法。

背景技術：

高壓大容量電力電子變換器在工業應用中的需求日益廣泛，大功率變換器和器件都處在快速發展的階段。而在大容量變換器中，直流母排的雜散電感值很大，與igbt器件關斷時較高的電流變化率相互作用，在igbt器件上引起電壓尖峰，引起器件過壓損耗、損耗增加、emi等一系列問題。因此，設計低雜散電感的母排成為變換器結構設計中需要關注的問題。為了優化直流母排結構，首先需要準確提取雜散電感。

目前提取雜散電感主要有兩類方法，計算法和實驗法。計算法是指根據母排結構，利用電磁場理論計算雜散電感值，包括解析計算法，有限元方法，部分元等效電路法等等。實驗法是利用器件瞬態過程和雜散參數之間的相互關係來提取雜散參數。傳統的微分法通過測試電路測試瞬態過程中igbt器件上的電壓電流波形，然後利用雜散電感值等於電感上的壓降除以雜散電感上的電流變化率這一關係計算雜散電感值。這種方法需要對瞬態過程中電流波形進行微分計算，其精度隨電流測量帶寬下降明顯下降，且計算結果隨工況發生變化。積分法用積分運算代替了微分運算，降低了提取方法對電流線性度的依賴，精度相對更高。這兩種實驗方法共同的不足之處在於：1、需測量igbt器件的集電極電流，可能需要對變換器結構進行改動，2、提取結果的精確度都依賴於高帶寬的電流測量設備。與高帶寬電壓探頭相比，高帶寬的電流探頭價格非常昂貴，測量成本很高，3、為保證結果的精確度，要求電壓電流探頭具有較高的同步性，實施複雜。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，利用電力電子器件瞬態電壓電流波形來提取直流母排雜散參數時，依賴高帶寬的電流測量設備和電壓電流測量設備之間的同步性來保證其精確度，測量成本很高。

為此，本發明提供了一種不依賴高帶寬電流測量設備的電力電子變換器直流母排雜散參數提取方法，其特徵在於，包括以下步驟：

步驟1、用被測變換器直流母排搭建雙脈衝測試電路，

所述的測試電路包括依次串聯的直流母線電容、直流母排、上管igbt，下管igbt構成，負載電感與下管igbt並聯；

對上管igbt發送雙脈衝驅動信號，測量上橋臂igbt器件在一定電流下開通暫態過程中的電壓電流波形；

所述的電壓電流波形包括：上管igbt集射極兩端電壓vce、下管續流二極體兩端電壓vd，以及負載電感上的負載電流il；

所述測試過程中下管igbt可靠關斷，其反並聯二極體起續流作用；

步驟2、根據步驟1中測量得到的波形數據，按公式(1)

計算直流母線電容的雜散電感lsc和直流母排的雜散電感lsb之和；

其中積分區域的選取，積分起始時刻ts選取為從上管igbt關斷穩態到上管igbt集射極電壓vce從直流母線電壓開始下降之前的時刻，積分終止時刻te為續流二極體兩端電壓vd從0開始上升的時刻，或選取為igbt穩定開通以後的時刻，即上管igbt集射極電壓vce和二極體兩端電壓vd都處於穩定狀態的時刻；

步驟3、將步驟2中得到的總雜散電感值減去直流母線電容的雜散電感值lsc，即得到直流母排的雜散電感值lsb。

進一步，步驟3中所述總雜散電感值包括直流母線電容的雜散電感值lsc，直流母排的雜散電感值lsb，和上管igbt引線的雜散電感lst和下管的雜散電感lsd。

本發明的有益效果：

1、實驗測量過程中不需要測量igbt集電極電流，避免了測量電流時對變換器與直流母排的連接結構進行改動。

2、提取得到的雜散電感的精確度不依賴於高帶寬的電流測量設備，可以使用較低帶寬的電流探頭測量負載電流，極大降低測量成本。

3、利用igbt器件與二極體暫態過程電壓的特徵，能夠準確地確定積分區間，保證結果精確度。

4、提取得到的雜散電感的精確度不依賴於電壓電流探頭之間的同步性，簡化實驗測量過程。

附圖說明

圖1是本發明的測試電路原理圖；

圖2是本發明中igbt開通暫態測試波形示意圖；

圖3是本發明的實施例的igbt開通暫態實驗波形圖。

具體實施方式

本發明實施例提供了一種不依賴高帶寬電流測量設備的電力電子變換器直流母排雜散參數提取方法，具體包括以下步驟：

步驟1、用被測變換器直流母排搭建雙脈衝測試電路，

所述的測試電路如圖1所示，包括依次串聯的直流母線電容cdc、直流母排、上管igbt(t1)，下管igbt(t2)，負載電感lload與下管igbt相併聯。測試過程中下管igbt可靠關斷，僅其反並聯二極體起續流作用。

對上管igbt發送雙脈衝驅動信號，測量上橋臂igbt器件在一定電流下開通暫態過程中的電壓電流波形；實施波形包括上管igbt集射極兩端電壓vce、下管續流二極體兩端電壓vd，以及負載電感上的負載電流il。

其中，由於負載電感較大，負載電流il在暫態過程中幾乎保持不變，因此測量負載電流il可以不必使用高帶寬的電流測量設備。

步驟2、圖2是本發明中igbt開通暫態測試波形示意圖。

igbt開通的動態過程可以分為六個階段，如圖2所示。由於直流母線電容值很大，暫態過程中可認為電容電壓不發生變化。

t0時刻向上管igbt驅動發送開通信號，t1時刻igbt柵極電壓達到閾值，上管igbt集電極電流ic開始快速上升。t2時刻，上管igbt集電極電流ic上升到負載電流，此時ic與il相等，二極體開始進入反向恢復階段，因此ic由於二極體反向恢復繼續上升，二極體電壓vd從0開始上升。

t3時刻，ic達到最大值，二極體電壓vd達到直流母線電壓值。

t3-t6，二極體反向恢復電流從最大值開始減小，ic從最大值逐步下降穩定到負載電流值il，vce由於柵極電容的性質逐漸下降到開通穩態電壓。因此，t6時刻以及之後的穩定開通階段，同樣可以保證ic與il相等。

根據電感lsb和lsc兩端電壓和流過電感的電流ic之間的關係，有公式(2)

由於電容兩端電壓在暫態過程中近似不變，可以用igbt關斷時的電壓vce(ts)來代替，其中ts為從上管igbt關斷穩態到上管igbt集射極電壓vce從直流母線電壓開始下降之前的時刻。

所以

從ts時刻到te時刻，對公式兩邊做積分，得到公式(4)

由於ts時刻igbt還未開通，此時ic(ts)為零；

將積分終止時刻te選取為續流二極體兩端電壓vd從0開始上升的時刻，或選取為igbt穩定開通以後的時刻，即上管igbt集射極電壓vce和二極體兩端電壓vd都處於穩定狀態的時刻，根據之前的分析，有ic(te)＝il(te)，即可以測量負載電流來代替集電極電流。

整理得到公式(1)

根據步驟1中測量得到的波形數據，計算得到直流母線電容的雜散電感lsc和直流母排的雜散電感lsb之和。

其中積分區域的選取，積分起始時刻ts選取為從上管igbt關斷穩態到上管igbt集射極電壓vce從直流母線電壓開始下降之前的時刻，積分終止時刻te為續流二極體兩端電壓vd從0開始上升的時刻，或選取為igbt穩定開通以後的時刻，即上管igbt集射極電壓vce和二極體兩端電壓vd都處於穩定狀態的時刻。

步驟3、將步驟2中得到的總雜散電感值減去直流母線電容的雜散電感值lsc，即得到直流母排的雜散電感值lsb。電路中的雜散電感值包括直流母線電容的雜散電感值lsc，直流母排的雜散電感值lsb，和上管igbt引線的雜散電感lst，下管的雜散電感lsd。

實施例1

將本發明的方法，應用於提取一臺實際的單相兩電平變換器的直流母排雜散電感參數。該變換器中使用4500v/3000a的igbt器件。在直流母線電壓約2500v，負載電流約2800a的條件下進行雙脈衝實驗，圖3是本發明的實施例的igbt開通暫態實驗波形圖。為了與傳統方法進行比較，在測量負載電流的同時還使用了高帶寬的電流探頭對igbt集電極電流ic進行了測量。應用本發明的方法提取該變換器的直流母排雜散電感，選擇積分終止時刻te為續流二極體兩端電壓vd從0開始上升的時刻，得到直流母排雜散電感值為478nh；選擇積分起始時刻積分終止時刻te為igbt穩定開通以後的時刻，得到直流母排雜散電感值為466nh。採用帶寬為10mhz的高帶寬電流探頭測量igbt集電極電流的積分法的提取結果得到直流母排的雜散電感值為461nh，這幾種方法所得結果相對誤差在4％以下。說明本發明提供的方法可以在不使用高帶寬電流探頭的情況下，保證測量直流母排雜散參數提取結果仍然具有高精度。

上述實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明。顯然，本發明並不局限於所描述的實施例。基於本發明中的實施例，熟悉本技術領域的人員還可據此做出多種變化，但任何與本發明等同或相類似的變化都屬於本發明保護的範圍。