专利名称：Igct三电平中压变频器用功率单元试验电路的制作方法
技术领域：
本发明属于中压变频器领域，尤其是一种IGCT三电平中压变频器用功率单元试 验电路。
背景技术：
IGCT (集成门极换向晶闸管)是一种应用于电力变换的大功率半导体开关器件， 具有导通电流大、通态导通压降低、以及快速关断的特点，是目前制造大功率三电平中压变 频器的主要功率开关器件。为深入了解IGCT器件特性，安全、高效使用IGCT，提升其应用设 计能力，研制高性能变频器以及进行出厂设备测试等需求，对IGCT三电平中压变频器用功 率单元进行试验是一项必不可少的工作。在大功率中压变频器设计中，为了设备制造和使用维护方便，通常按照功能将其 相关的功率器件(如电力电子器件、缓冲电路、散热器等)、控制电路、绝缘件和结构件等构 成一种整体的称为“功率单元”的模块，例如，通常以3个单相功率单元构成一套三相大功 率变频器。图1所示电路为一个中点钳位IGCT三电平变频器单相功率单元电气原理图，该 功率单元由多个IGCT器件、二极管及缓冲电路、散热器和绝缘件、结构件等组合而成，其中 V1-V4为IGCT器件，D1-D4为续流二极管，D5、D6为钳位二极管，LA、LB为di/dt限制电抗 器，图中所示相功率单元按三相公用di/dt限制电抗器方式，￥1、￥2、01、02、05组成的桥臂 称“上桥臂”，V3、V4、D3、D4、D6组成的桥臂称“下桥臂”，R1、Cl、D7与LA组成了上桥臂缓 冲电路，R2、C2、D8与LB组成了下桥臂缓冲电路。这样的单元设计不仅要考虑电应力、机械 应力、热应力等，还要考虑安装更换方便、体积小、美观等，这就使得功率单元成为一个最复 杂的电气部件，它的性能直接影响变频器的质量和效率，其电气性能指标与线路设计、压装 生产过程密切相关，是变频器设计的关键，需要有相应的试验电路对其电气特性做单独测 试。目前，由于大功率变频器设备额定出力测试受试验设备容量、场地、电源容量等的限制， 很难进行稳定的额定功率测试。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种IGCT三电平中压变频器用功 率单元试验电路，该试验电路通过选取不同负载的连接方式进行IGCT三电平相功率单元 的温升试验、单管开关性能试验及桥臂开关性能试验。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，包括进线开关、调压器、两分 开关、两变压器、两整流器、两滤波电容、放电回路、接地电路、di/dt缓冲回路、试验负载和 试验用控制器，进线开关Ql与调压器Tl相连接后经分开关Qll和分开关Q12分别接到变 压器Tll和变压器T12上，变压器Tll和变压器T12分别与整流器A和整流器B相连接，整 流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和滤波电容CB 的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制器与放电 回路及被试验功率单元相连接。而且，所述的放电回路由晶闸管串联电阻构成，所述的接地电路为接地接触器，所 述的di/dt缓冲回路为两个电抗器。而且，所述的试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载。而且，所述的IGCT温升试验负载由带抽头的电感Ll和带抽头的电感L2组成；所 述的IGCT开关试验负载由电感L3和电阻RO串联组成。而且，所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元 的温升试验。而且，所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件或上桥臂或下桥臂相 连接进行IGCT器件或上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验。本发明的优点和积极效果是本发明利用负载电感与滤波电容之间无功能量交换的原理实现IGCT三电平功率 单元在不同电压、电流和频率下的的多种工况温升试验，同时可实现IGCT三电平功率单元 中单个IGCT器件以及桥臂的开通和关断试验。本发明采用一个试验线路即可完成多种试 验，具有试验线路简单、总容量小、耗能低、对电网无污染、功能完备、操作方便以及实用性 强等特点。
图1为现有的IGCT三电平变频器单相功率单元电气原理图；图2为发明的电路原理图；图3为本发明进行三电平中压变频器IGCT相功率单元负载温升试验的接线原理 图，其中图3a为半额定电压、额定频率温升试验接线图，图北为额定电压、额定频率温升 试验接线图；图4为本发明进行三电平中压变频器IGCT相功率单元单管开关性能试验的接线 原理图，其中图如是Vl管开关性能试验接线图；图4b是V2管开关性能试验接线图，图 4c是V3管开关性能试验接线图，图4d是V4管开关性能试验接线图；图5为本发明进行三电平中压变频器IGCT相功率单元桥臂试验接线原理图，其 中图fe是上桥臂管开关性能试验接线图，图恥是下桥臂管开关性能试验接线图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例做进一步详述一种IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，如图2所示，包括进线开关Q1、 调压器Tl、分开关Q11、分开关Q12、变压器T11、变压器T12、整流器A、整流器B、滤波电容 CA和CB、放电回路、接地电路、试验负载和试验用控制器。其具体连接关系为进线开关Ql 与调压器Tl相连接后经分开关Qll和分开关Q12分别接到变压器Tll和变压器T12上，调 压器Tl可以调整中间直流回路的电压，实现在试验电源配电范围内任意电压下的试验，分 开关Qll和Q12可以选通变压器Tll或变压器T12分别工作、或者两个变压器同时工作，以 满足不同的试验要求。变压器Tll和变压器T12分别接至整流器A和整流器B上，变压器T11、T12均为双副边变压器，整流器A和整流器B为二极管三相全波整流桥，两变压器的每 组副边接至1个二极管三相全波整流桥，构成A、B两组直流电源整流电路。整流器A和整 流器B分别并联一组滤波电容CA和CB，在两组滤波电容CA和CB的两端分别并联有放电回 路，放电回路由晶闸管串联电阻构成，即晶闸管VA与电阻RA串联构成一放电回路并联在 滤波电容CA的两端，晶闸管VB与电阻RB串联构成另一放电回路并联在滤波电容CB的两 端；放电回路与接地电路相连接，该接地电路为接地接触器，放电回路和接地电路是为试验 安全考虑的设备，在开关分断后对直流回路滤波电容进行放电；两组滤波电容通过di/dt 缓冲回路与被试验功率单元相连接，di/dt缓冲回路是针对IGCT特性设置的di/dt缓冲回 路并与被试验功率单元相连接，di/dt缓冲回路中使用电抗器LA和LB ；被试验功率单元与 试验负载相连接可进行不同内容的试验，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连 接，试验用控制器可以按照不同的试验要求发出相应的控制指令。 试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载两部分IGCT温升试验负 载由电感Ll和电感L2组成，电感Ll和电感L2均为带抽头的电感，通过改变电感Ll、电感 L2抽头及电感Ll和电感L2的并联、串联方式，可以组合为多档不同的负载进行不同负载容 量IGCT功率单元的温升试验；IGCT开关试验负载由电感L3和电阻RO串联组成。本IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路可通过被试验功率单元与试验负 载的连接关系，实现IGCT三电平相功率单元的温升试验、单管开关性能试验及桥臂开关性 能试验功能，下面分别对三种试验的连接方式进行说明一、功率单元温升试验所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元的温升 试验。通过调整调压器Tl可以进行在试验电源配电范围内任意电压下的功率单元温升试 验。这里以半额定电压和额定电压下的温升试验为例进行说明。1、半额定电压、额定频率正弦波输出功能试验如图3a所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT温升试验负载的电感Ll 一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT温升试验负载的电感Ll的另一端，负载 电感值可以根据设计的功率单元额定输出电流进行选择。试验时，开关Q1、Q11、Q12合闸； 调压器Tl从零位升压，滤波电容CA、CB充电至半额定电压停止升压；按额定频率正弦波电 压给定形成PWM(脉冲宽度调制)脉冲信号控制V1-V4号IGCT的触发脉冲，观测负载电压、 电流波形应基本为正弦波。记录各IGCT、二极管从试验开始至温度趋于稳定期间的管壳温 度，以其中温升最高者作为确定功率单元半额定电压下最大输出能力的依据。2、额定电压、额定频率正弦波输出功能试验如图北所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT温升试验负载的电感Ll和 电感L2的一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT温升试验负载的电感Ll和电 感L2的另一端，负载电感值可以根据设计的功率单元额定输出电流进行选择。试验时，开关Q1、Q11、Q12合闸；调压器Tl从零位升压，滤波电容CA、滤波电容CB 充电至半额定电压停止升压；按额定频率正弦波电压给定形成PWM脉冲信号控制V1-V4号 IGCT的触发脉冲，观测负载电压、电流波形应基本为正弦波。记录各IGCT、二极管从试验开 始至温度趋于稳定期间的管壳温度，以其中温升最高者作为确定功率单元额定输出能力的 依据。
同理调整调压器Tl输出电压，调整给定电压频率，以及选择不同的负载电感的组 合，还可实现试验参数范围内任意电压下功率单元任意频率正弦波输出能力试验。需要强调的是，采用电感作为温升试验负载，其有功功率消耗很小，试验时，只在 滤波电容和负载电感间进行无功功率交换而形成负载电流，无功功率不流经变压器，试验 过程中变压器只需补充试验电路线路中很小的有功损耗，故容量可以很小，仅为功率单元 额定容量的5%以下，因而是一种节能有效的试验方法，同时也不会对电网和其他设备造成 影响。二、功率单元的单管开关特性试验所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件相连接进行IGCT器件的开 通和关断性能试验。通过调整调压器Tl可以进行在试验电源配电范围内任意电压下的功 率单元单管开关特性试验，这里仅举半额定电压和额定电压下的单管开关特性试验为例进 行说明。1、Vl管半额定电压开关特性试验如图如所示，IGCT器件Vl和V2的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3 一端，两个钳位二极管D5和D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻RO —端，两个钳 位二极管D5和D6的公共端与IGCT器件Vl和V2的公共端连接在一起。试验时，开关Q1、 Ql 1合闸；调压器Tl从零位升压，使A组电容CA充电至半额定电压停止升压；给Vl号IGCT 发触发脉冲(其余IGCT封锁)，记录其开关过程电压、电流波形，即可得到Vl的半额定电压 开关特性。2、V2管半额定电压开关特性试验如图4b所示，IGCT器件Vl —端连接到IGCT开关试验负载的电感L3 —端，IGCT 器件Vl另一端连接到IGCT开关试验负载的电阻RO —端，两个钳位二极管D5和D6的公共 端与IGCT器件Vl和V2的公共端连接在一起。其操作过程与Vl管半额定电压开关特性试 验相同，只需将触发脉冲改为V2即可测试。3、V3管半额定电压开关特性试验如图如所示，IGCT器件V4 —端连接到IGCT开关试验负载的电阻RO —端，IGCT 器件V4另一端连接到IGCT开关试验负载的电感L3 —端，两个钳位二极管D5和D6的公共 端与IGCT器件Vl和V2的公共端连接在一起。试验时，开关Ql、Q12合闸；调压器Tl从零 位升压，使B组电容CB充电至半额定电压停止升压；给V3号IGCT发触发脉冲(其余IGCT 封锁)，记录其开关过程电压电流波形，即可得到V3的半额定电压开关特性。4、V4管半额定电压开关特性试验 如图4d所示，IGCT器件V3和V4的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻RO — 端，两个钳位二极管D5和D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3 —端，两个钳位 二极管D5和D6的公共端与Vl和V2的公共端连接在一起。其操作过程与V3管半额定电 压开关特性试验相同，只将触发脉冲改为V4，即可测试V4管半额定电压开关特性。上述试验中调压器Tl升压，使滤波电容CA或滤波电容CB充电至额定电压，按照 上述方法，即可分别完成额定电压下的单管开关特性试验。三、功率单元桥臂开关特性试验所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的上桥臂或下桥臂相连接进行上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验1、半额定电压上桥臂开关特性试验如图fe所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT开关试验负载的电感L3 — 端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电阻RO —端。试验时，开 关Ql、Qll、Q12合闸；调压器Tl从零位升压，使滤波电容CA、滤波电容CB充电至半额定电 压停止升压；先给V2号IGCT触发脉冲，延时再给Vl号IGCT发触发脉冲(V3、V4封锁)；其 后封锁Vl触发脉冲，延时封锁V2触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定半额定 电压时功率单元上桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。2、半额定电压下桥臂开关试验如图恥所示，IGCT器件V2和V3的公共端连接在IGCT开关试验负载的电阻RO 一端，两个钳位二极管D5、D6的公共端连接到IGCT开关试验负载的电感L3—端。试验时， QU QlU Q12合闸；调压器Tl从零位升压，使滤波电容CA、滤波电容CB充电至半额定电压 停止升压；先给V3号IGCT触发脉冲，延时再给V4号IGCT发触发脉冲(V1、V2封锁)；其后 封锁V4触发脉冲，延时封锁V3触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定半额定电 压时功率单元下桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。同理，调整调压器Tl输出，可试验在额定电压时上、下桥臂的开关过程以及缓冲 吸收回路特性。根据IGCT、二极管允许的最高结温、热阻、以及功耗，计算出元件允许的最高壳温 升，通过测量额定电压、额定频率下负载试验过程管壳温升，并测量功率单元在达到稳定 的、考虑了安全裕量下的最高壳温升(该温升应低于元件允许的最高壳温升)下的负载电 流，该负载电流即为功率单元额定(或最大)的输出电流。因此，温升试验是确定功率单元 额定输出能力的主要方法。需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并 不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出 的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征在于包括进线开关、调 压器、两分开关、两变压器、两整流器、两滤波电容、放电回路、接地电路、di/dt缓冲回路、试 验负载和试验用控制器，进线开关Ql与调压器Tl相连接后经分开关Qll和分开关Q12分 别接到变压器Tll和变压器T12上，变压器Tll和变压器T12分别与整流器A和整流器B 相连接，整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和 滤波电容CB的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过 di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制 器与放电回路及被试验功率单元相连接。
2.根据权利要求1所述的IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征在于 所述的放电回路由晶闸管串联电阻构成，所述的接地电路为接地接触器，所述的di/dt缓 冲回路为两个电抗器。
3.根据权利要求1所述的IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征在于 所述的试验负载包括IGCT温升试验负载和IGCT开关试验负载。
4.根据权利要求3所述的IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征在于 所述的IGCT温升试验负载由带抽头的电感Ll和带抽头的电感L2组成；所述的IGCT开关 试验负载由电感L3和电阻RO串联组成。
5.根据权利要求3或4所述的IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征在 于所述的IGCT温升试验负载与被试验功率单元相连接进行被试验功率单元的温升试验。
6.根据权利要求3或4所述的IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其特征 在于所述的IGCT开关试验与被试验功率单元的IGCT器件或上桥臂或下桥臂相连接进行 IGCT器件或上桥臂或下桥臂的开通和关断性能试验。
全文摘要
本发明涉及一种IGCT三电平中压变频器用功率单元试验电路，其技术特点是进线开关Q1与调压器T1相连接后经分开关Q11和分开关Q12分别接到变压器T11和变压器T12上，变压器T11和变压器T12分别与整流器A和整流器B相连接，整流器A和整流器B分别并联一组滤波电容CA和滤波电容CB，在滤波电容CA和滤波电容CB的两端分别并联有放电回路，放电回路与接地电路相连接，两组滤波电容通过di/dt缓冲回路与被试验功率单元相连接，被试验功率单元与试验负载相连接，试验用控制器与放电回路及被试验功率单元相连接。本发明实现了被试验功率单元的温升试验、单个IGCT器件以及桥臂的开通和关断试验，具有试验线路简单、总容量小、耗能低、对电网无污染、操作方便等特点。
文档编号G01R31/327GK102141597SQ201010609599
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者伍丰林, 徐道恒, 李红霞, 楚子林, 王建峰, 许希, 金雪峰 申请人:天津天传电气有限公司, 天津电气传动设计研究所