三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路的製作方法
2023-05-06 02:37:26
專利名稱：三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子應用領域，尤其涉及一種三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路。
背景技術：
隨著功率變換系統功率等級的提升以及電力電子技術的發展，IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)模塊的功率密度越來越高，開通關斷性能越來越好，這就意味著關斷電流及其斜率越來越大。此時將在三電平變流器的換流迴路的雜散電感上感生出電壓，該電壓連同直流母線電壓直接附加在關斷的IGBT兩端，進而有可能超越IGBT的額定電壓而導致器件的損壞。因此確切的掌握換流迴路雜散電感的數值，可以有效推斷不同功率等級下IGBT關斷過電壓的水平，有利於系統保護方案的設計以保證暫態過程中系統安全穩定的運行。三電平變流器存在兩個大換流迴路和兩個小換流迴路，由於換流迴路中包含多個功率器件，且功率器件的等效雜感與疊層母排的雜感相差在一個數量級以內，因此僅僅依靠疊層母排的雜感數值，並不能精確地判斷一定電流等級下IGBT的過電壓水平。傳統的疊層母排雜感測試方法依靠IGBT開通或者關斷瞬間器件的壓降，因此所測得的結果不包含該IGBT自身的等效雜感，並且測量過程中要求在壓降保持穩定階段內電流的變化率，測量的精確度與測試條件密切相關。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，可以方便、精確地測量出三電平變流器的換流迴路雜散電感。實現上述目的的技術 方案是:一種三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，包括第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極體、第二鉗位二極體、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續流電抗器，其中:所述第一 IGBT的發射極連接所述第二 IGBT的集電極；所述第二 IGBT的發射極連接所述第三IGBT的集電極；所述第三IGBT的發射極連接所述第四IGBT的集電極；所述疊層母排的正端分別連接所述第一 IGBT的集電極、所述第一直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負端分別連接所述第四IGBT的發射極、所述第二直流支撐電容的負極以及所述直流電源的負極；所述第一直流支撐電容的負極連接所述第二直流支撐電容的正極；所述第一諧振電容與所述第一直流支撐電容並聯；所述第二諧振電容與所述第二直流支撐電容並聯；所述第一鉗位二極體的陰極連接所述第一 IGBT的發射極；所述第一鉗位二極體的陽極連接所述第二鉗位二極體的陰極；所述第二鉗位二極體的陽極連接所述第四IGBT的集電極；[0013]所述第一鉗位二極體和第二鉗位二極體的相接端連接所述第一直流支撐電容和第二直流支撐電容的相接端；所述續流電抗器連接在所述第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發射極之間，或者連接在所述第二鉗位二極體的陰極和所述第四IGBT的集電極之間；所述疊層母排包括:正母排、負母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中: 正母排連接第一 IGBT的集電極和第一直流支撐電容的正極；負母排連接第四IGBT的發射極和第二直流支撐電容的負極；零母排連接第一鉗位二極體的陽極和第二鉗位二極體的陰極；交流母排連接第二 IGBT的發射極和第三IGBT的集電極；第一連接母排連接第一 IGBT的發射極和第一鉗位二極體的陰極；第二連接母排連接第四IGBT的集電極和第二鉗位二極體的陽極。所述三電平變流器的換流迴路包括第一換流迴路和第二換流迴路，其中:第一換流迴路包括所述正母排、第一 IGBT、第二 IGBT、交流母排、第三IGBT、第二連接母排、第二鉗位二極體、零母排和第一諧振電容；第二換流迴路包括第二諧振電容、零母排、第二鉗位二極體、第二連接母排、第四IGBT和負母排。上述三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，其中，在對第一換流迴路進行測試時，續流電抗器連接在第一 IGBT的集電極和第二IGBT的發射極之間；在對第二換流迴路進行測試時，續流電抗器連接在第二鉗位二極體的陰極和第四IGBT的集電極之間。本實用新型的有益效果是:本實用新型利用LC並聯諧振測試三電平變流器換流迴路雜感，不依靠IGBT開通或關斷瞬間的電壓和電流，而是利用器件開通的整個過程，且只使用集電極電流的頻率值，從而使得測試結果包含迴路中所有的功率器件的等效雜感以及疊層母排的雜感，更加精確、可信。同時，本實用新型只需要測量器件的電流，變量少，有利於實際操作，便於準確把握三電平變流器在不同電流等級下，功率器件的過電壓水平，以指導系統控制策略的制定。
圖1為本實用新型的測試電路示意圖；圖2為本實用新型的第一換流迴路實驗波形圖；圖3為傳統測試方法第一換流迴路的實驗波形圖；圖4為本實用新型的第二換流迴路實驗波形圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步說明。請參閱圖1，本實用新型的三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，包括第一IGBT S1、第二 IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第一鉗位二極體D1、第二鉗位二極體D2、第一諧振電容Csl、第二諧振電容Cs2、第一直流支撐電容Cl、第二直流支撐電容C2、疊層母排(圖中未示)、直流電源DCs以及續流電抗器L，其中:第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT同向串聯，即:第一 IGBTSl的發射極連接第二 IGBT S2的集電極；第二 IGBT S2的發射極連接第三IGBT S3的集電極；第三IGBTS3的發射極連接第四IGBT S4的集電極；疊層母排的正端DC+分別連接第一 IGBT SI的集電極、第一直流支撐電容Cl的正極以及直流電源DCs的正極；疊層母排的負端DC-分別連接第四IGBT S4的發射極、第二直流支撐電容C2的負極以及直流電源DCs的負極；第一直流支撐電容Cl的負極連接第二直流支撐電容C2的正極；第一諧振電容Csl與第一直流支撐電容Cl並聯；第二諧振電容Cs2與第二直流支撐電容C2並聯；第一鉗位二極體Dl的陰極連接第一 IGBT SI的發射極；第一鉗位二極體Dl的陽極連接第二鉗位二極體D2的陰極；第二鉗位二極體D2的陽極連接第四IGBTS4的集電極；第一鉗位二極體Dl和第二鉗位二極體D2的相接端連接第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相接端；續流電抗器L連接在第一 IGBT SI的集電極和第二 IGBT S2的發射極之間，或者連接在第二鉗位二極體D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間；第一IGBT S1、第二 IGBT S2、第三 IGBT S3、第四 IGBT S4、第一鉗位二極體 Dl 和第二鉗位二極體D2組成單相三電平電路 ；疊層母排包括:正母排、負母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中:正母排連接第一 IGBT SI的集電極和第一直流支撐電容Cl的正極；負母排連接第四IGBT S4的發射極和第二直流支撐電容C2的負極；零母排連接第一鉗位二極體Dl的陽極和第二鉗位二極體D2的陰極；交流母排連接第二 IGBT S2的發射極和第三IGBT S3的集電極；第一連接母排連接第一 IGBT SI的發射極和第一鉗位二極體Dl的陰極；第二連接母排連接第四IGBT S4的集電極和第二鉗位二極體D2的陽極；三電平變流器的換流迴路包括第一換流迴路、第二換流迴路、第三換流迴路和第四換流迴路，其中:第一換流迴路由正母排、第一 IGBT S1、第二 IGBT S2、交流母排、第三IGBT S3、第二連接母排、第二鉗位二極體D2、零母排和第一諧振電容Csl構成；第二換流迴路包括第二諧振電容Cs2、零母排、第二鉗位二極體D2、第二連接母排、第四IGBT S4和負母排構成；第三換流迴路由第二諧振電容Cs2、零母排、第一箝位二極體D1、第一連接母排、第二 IGBT S2、交流母排、第三IGBT S3、第四IGBT S4和負母排構成；第四換流迴路由第一諧振電容Csl、正母排、第一 IGBT S1、第一連接母排、第一鉗位二極體Dl和零母排構成；兩個大換流迴路(第一換流迴路和第三換流迴路)在結構上對稱，等效雜感相等；兩個小換流迴路(第二換流迴路和第四換流迴路)在結構上也是對稱分布，其等效雜感相等；因此，分別測試其中的一個大換流迴路和小換流迴路即可，本實用新型測試其中的第一換流迴路和第二換流迴路。在對第一換流迴路(大換流迴路)進行測試時，續流電抗器L連接在第一 IGBTSl的集電極和第二 IGBT S2的發射極之間；在對第二換流迴路(小換流迴路)進行測試時，續流電抗器L連接在第二鉗位二極體D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間，即第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相接端與第三IGBTS3和第四IGBT S4的相接端之間。另外，圖1中，1^。1、1^。2、1^。3、1^。4、1^。5、]^。6分別為正母排、負母排、零母排、交流母排、上連接母排和下連接母排的等效雜散電感；Lsl、Ls2、Ls3> Ls4分別為第一 IGBT S1、第二 IGBTS2、第三IGBT S3、第四IGBT S4的等效雜散電感；Ldl、Ld2分別為第一、第二鉗位二極體D1、D2的等效雜感；直流電源DCs施加於疊層母排的正端DC+和負端DC-;其中，DCO表示第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相交點，即直流中線端；AC表示輸出交流。本實用新型的測試電路的工作原理，如下:對第一換流迴路進行測試時:續流電抗器L連接在第一 IGBT SI的集電極和第二 IGBT S2的發射極之間；此時，使得第一 IGBT SI和第四IGBT S4保持關斷，第二 IGBT S2保持開通，對第三IGBT S3施加雙脈衝，即:使得第三IGBT S3在t0時刻開通，tl時刻關斷，t2時刻再次開通，t3時刻再次關斷；如圖2所示，為本實用新型的第一換流迴路實驗波形圖；圖2中Vpulse為第三IGBTS3的驅動電壓，Ic為流過第三IGBT S3集電極的電流；Vce表示第三IGBT S3集電極和發射極之間的電壓，即第三IGBT S3的端電壓；t0時刻第三IGBT S3開通，疊層母排的正端DC+通過續流電抗器L向端點DCO放電，Ic線性上升；由圖1可以看出，此時Csl與L。外+L。4+Ls3+U6+Ld2+L。3組成LC並聯諧振，在Ic上表現為衰減振蕩。tl和t3時刻第三IGBT S3關斷，流經續流電抗器L的電流通過第一、第二 IGBT S1、S 2的反並聯二極體續流，Ic為雜散電感中的儲能與第一諧振電容Csl諧振，並最終衰減至O。t2時刻第三IGBT S3再次開通，續流電抗器L中的電流通過第三IGBT S3流向端點DC0，第一 IGBT SI的反並聯二極體進入反向恢復過程，此時第一 IGBT SI等效為開通；由此可得LC諧振電路中的雜感L1=L。J [L// (Ls1+Ls2) ] +L。4+Ls3+L。6+Ld2+L。3，式中L// (Lsl+Ls2)表示第一、第二 IGBT S1、S2的等效雜感串聯後再與L並聯，通常Ls1+Ls2與 L 相差在二個數量級左右，因此 L// (Ls1+Ls2)=Ls1+Ls2,即 L1=L 0 !+L^+L^+L 0 4+Ls3+L 0 6+Ld2+L。3，說明在此過程中第一換流迴路內所有雜感都包含在內:正母排、第一 IGBT S1、第二 IGBTS2、交流母排、第三IGBT S3、第二連接母排、第二鉗位二極體D2和零母排各自的雜感。由圖2可得，Ic電流在At時間內的頻率為，f=4.5/At=730kHz，At表示圖中所示4.5個周波的時長；f即為第一諧振電容Csl與第一換流迴路的雜散電感形成的並聯諧
振電流的頻率；已知第一諧振電容Csl=0.22uF，根據LC並聯諧振的特性/ =，則得
到整個第一換流迴路的雜散電感L1=I/ (4Csl Ji 2f2) =216nH。請參閱圖3，為傳統測試方法第一換流迴路的實驗波形圖，即圖2中t2時刻第三IGBT S3開通時的波形，圖3中Vge為第三IGBT S3的門極電壓；AVm為S3發射極與集電極電壓的變化值；△ I。為S3集電極電流的變化值；△ t』表示Vm保持穩定的時間長度。根據楞次定律，疊層母排的等效雜散電感中Lm、U6會感生出左正右負的電壓，Lsl, Ls2, L04,Ls3、Ld2、U3會感應出上正下負的電壓。此時第三IGBT S3的端電壓Vce表現為較直流母線電壓DCs會有所降低，該電壓差為第一換流迴路中LM、Lsl、Ls2、L「、I^6、Ld2、U3的壓降，並不包括Ls3自身的雜感引起的壓降。同時為了測得精確的雜感數值，應保證Vce有一個穩定、明顯的電壓階梯。必須保證t20至t21時間內Vce獲得一個穩定的電壓，就要求續流電抗器L中的電流足夠大，勢必要提高直流電源DCs的供電電壓或者大幅度減小續流電抗器L的電感數值，這就要求IGBT在測試過程中需要承受過高的電壓和電流，進而有可能造成測試器件的損壞。根據電感的動態特性得出雜感數值，Ll=AVce/ ( AIe/At』)=300V/(297A/198ns)=199nH。與本實用新型的方法，兩者之間的差值17nH為第三IGBT S3自身的雜散電感，與所使用IGBT ABB 5SNA 1200G450300數據手冊中18nH的雜感值吻合。對第二換流迴路進行測試時:續流電抗器L連接在第二鉗位二極體D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間；此時，使得第一、第二、第三IGBT S1、S2、S3保持關斷，對第四IGBT S4施加雙脈衝，S卩:使得第四IGBT S4在t0』時刻開通，tl』時刻關斷，t2』時刻再次開通，t3』時刻再次關斷。如圖4所示，為本實用新型的第二換流迴路實驗波形圖；圖4中，Vpulse』為第四IGBT S4的驅動電壓，Ic』為流過第四IGBT S4集電極的電流；Vce』表示第四IGBT S4集電極和發射極之間的電壓，即第四IGBT S4的端電壓；Vge』表示第四IGBT S4的門極電壓:t0』時刻第四IGBT S4開通，端點DCO通過續流電抗器L向疊層母排的負端DC-放電，Ic』線性上升。由圖1可以看出，此時Cs2與L+Ls4+U2組成LC並聯諧振，在Ic』上表現為衰減振蕩。tl』和t3』時刻第四IGBT S4關斷，流經續流電抗器L的電流通過第二鉗位二極體D2續流，Ic』為雜散電感中的儲能與第二諧振電容Cs2諧振，並最終衰減至O。t2』時刻第四IGBT S4再次開通，流電抗器L中的電流通過第四IGBT S4流向疊層母排的負端DC-，第二鉗位二極體D2進入反向恢復過程，此時第二鉗位二極體D2等效為開通。由此可得LC諧振電路中的雜感L2=U3+[L// (Ld2+LQ6)]+Ls4+LQ2，式中L// (Ld2+U6)表示第二鉗位二極體D2、第二連接母排的等效雜感串聯後再與L並聯，通常Ld2+U6與L相差在三個數量級左右，因此L// (Ld2+Lo6)=Ld2+Lo6,即 2=Ι^3+Ι^2+Ι^6+Ι^4+Ι^2,說明在此過程中第二換流迴路內所有雜感都包含在內 :零母排、第二鉗位二極體D2、第二連接母排、第四IGBT S4和負母排各自的雜感。由圖4可得，Ic』電流在八七」時間內的頻率為，廣=7/八儼=8011^，At」表示圖中所示7個周波的時長；f 』即為第二諧振電容Cs2與第二換流迴路的雜散電感形成的並聯
諧振電流的頻率；已知第一諧振電容Cs2=0.22uF,根據LC並聯諧振的特性/ =，則
整個第二換流迴路的雜散電感L2=I八4Cs2 Ji 2f2)=177nH。對比第一換流迴路的雜感有39nH的差值，主要是因為第一換流迴路比第二換流迴路多包含2隻IGBT和交流母排的雜感，其中2隻IGBT大約為36nH (由IGBTABB 5SNA 1200G450300數據手冊得出)，進一步說明了本實用新型所公開方法的準確性。以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關技術領域的技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術方案也應該屬於本實用新型的範疇，應由各權利要求所限定。
權利要求1.一種三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，其特徵在於，包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極體、第二鉗位二極體、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續流電抗器，其中: 所述第一 IGBT的發射極連接所述第二 IGBT的集電極；所述第二 IGBT的發射極連接所述第三IGBT的集電極；所述第三IGBT的發射極連接所述第四IGBT的集電極； 所述疊層母排的正端分別連接所述第一 IGBT的集電極、所述第一直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負端分別連接所述第四IGBT的發射極、所述第二直流支撐電容的負極以及所述直流電源的負極； 所述第一直流支撐電容的負極連接所述第二直流支撐電容的正極； 所述第一諧振電容與所述第一直流支撐電容並聯； 所述第二諧振電容與所述第二直流支撐電容並聯； 所述第一鉗位二極體的陰極連接所述第一 IGBT的發射極；所述第一鉗位二極體的陽極連接所述第二鉗位二極體的陰極；所述第二鉗位二極體的陽極連接所述第四IGBT的集電極； 所述第一鉗位二極體和第二鉗位二極體的相接端連接所述第一直流支撐電容和第二直流支撐電容的相接端； 所述續流電抗器連接在所述第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發射極之間，或者連接在所述第二鉗位二極體的陰極和所述第四IGBT的集電極之間； 所述疊層母排包括:正母排、負母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中: 正母排連接第一 IGBT的集電極和第一直流支撐電容的正極； 負母排連接第四IGBT的發射極和第二直流支撐電容的負極； 零母排連接第一鉗位二極體的陽極和第二鉗位二極體的陰極； 交流母排連接第二 IGBT的發射極和第三IGBT的集電極； 第一連接母排連接第一 IGBT的發射極和第一鉗位二極體的陰極； 第二連接母排連接第四IGBT的集電極和第二鉗位二極體的陽極； 所述三電平變流器的換流迴路包括第一換流迴路和第二換流迴路，其中: 第一換流迴路包括所述正母排、第一 IGBT、第二 IGBT、交流母排、第三IGBT、第二連接母排、第二鉗位二極體、零母排和第一諧振電容； 第二換流迴路包括第二諧振電容、零母排、第二鉗位二極體、第二連接母排、第四IGBT和負母排。
2.根據權利要求1所述三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，其特徵在於， 在對第一換流迴路進行測試時，續流電抗器連接在第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發射極之間； 在對第二換流迴路進行測試時，續流電抗器連接在第二鉗位二極體的陰極和第四IGBT的集電極之間。
專利摘要本實用新型公開了一種三電平變流器的換流迴路雜感的測量電路，包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極體、第二鉗位二極體、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續流電抗器。本實用新型通過續流電抗器構成不同的續流迴路，對相應IGBT施加雙脈衝，取開通和關斷時刻諧振電流頻率的平均值，利用諧振電容與迴路雜散電感形成的LC並聯諧振特性，精確地計算換流迴路的雜感。本實用新型利於實際操作，可以精確地測量出三電平變流器的換流迴路雜散電感，便於準確把握三電平變流器在不同電流等級下，功率器件的過電壓水平，以指導系統控制策略的制定。
文檔編號G01R27/26GK203101521SQ20132004729
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者張魯華, 尹正兵, 宋小亮, 吳競之, 陳國棟, 董祖毅 申請人:上海電氣集團股份有限公司