一种飞跨电容三电平DCDC功率组件的双脉冲测试电路及方法与流程

本发明涉及电力电子应用技术领域，特别是一种飞跨电容三电平dcdc功率组件的脉冲测试电路及方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，dcdc功率变换器在包括新能源电动汽车充电、储能式有轨电车充电系统等领域有着相当广泛的应用，充电系统容量和电压等级也越来越高。相对于传统的两电平变换器，飞跨电容式三电平dcdc变换器具有效率高、开关频率高的特点。更高的功率等级和开关频率同样意味着更高的电压电流变化率，叠加在换流回路中杂散电感上产生的电压尖峰附加在igbt两端可能造成器件的过压损坏。因此双脉冲测试作为考量杂散电感的重要手段，可以对开关器件的开关特性、驱动保护性能和过压吸收做全面测试。但传统的两电平dcdc功率组件双脉冲测试方法不能直接应用于飞跨电容式三电平功率组件，因此，研究飞跨电容三电平dcdc功率组件的双脉冲测试方法具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对飞跨电容三电平功率组件，提出一种双脉冲测试电路及测试方法，可用于对飞跨电容式三电平dcdc变换器进行测试，实现对开关器件的开关特性、驱动保护性能和过压吸收等的全面测试。

本发明采取的技术方案为：一种飞跨电容三电平dc/dc功率组件的双脉冲测试电路，包括三电平功率模块、可调直流源、放电支路和续流电感；

三电平功率模块包括飞跨电容、支撑电容、吸收电容和开关变换电路；所述开关变换电路包括依次同向串联的第一igbt、第二igbt、第三igbt和第四igbt；各igbt的发射极和集电极上分别反向并接有续流二极管；飞跨电容的一端连接在第一igbt发射极与第二igbt集电极之间，另一端连接在第三igbt发射极与第四igbt集电极之间；

各igbt的发射极和集电极上还分别并接有均压电阻；

所述可调直流源以及放电支路，分别与三电平功率模块的支撑电容、吸收电容和开关变换电路相互并联，且第一igbt的集电极和第四igbt的发射极分别连接可调直流源的正极和负极；

三电平功率模块工作于buck工作方式时，所述续流电感两端并接于第三igbt与第四igbt相串联的线路两端上；三电平功率模块工作于boost工作方式时，所述续流电感两端并接于第一igbt与第二igbt相串联的线路两端上。

优选的，所述放电支路包括相互串联的泄放电阻和放电接触器。每种开关变换方式测试完毕时，闭合放电接触器，则支撑电容cin上残余电压通过泄放电阻放电。

优选的，所述续流电感为空心电感，其感抗为：l＝v·t/i，其中v为所并联的igbt导通时续流电感两端的电压，对于飞跨电容三电平dcdc功率模块一般取vdc/2；i为测试过程中流过续流电感的最大电流，一般取所并联igbt管的耐受额定电流；t为igbt管的导通时间。

优选的，所述多个均压电阻的阻值关系为：r1＝r2，r3＝r4。则当调节可调直流源dc使支撑电容cin充电至额定电压vdc时，通过均压电阻可以将飞跨电容cfly充电至vdc/2。

具体的，所述buck工作方式包括四种开关变换形式：第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成1/0/0/0；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/1/0/0；第一至第四igbt的开关状态从0/1/0/0变成1/1/0/0；以及第一至第四igbt的开关状态从1/0/0/0变成1/1/0/0；

所述boost工作方式包括四种开关变换形式：第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/0/1；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/1/0；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/1变换成0/0/1/1；以及第一至第四igbt的开关状态从0/0/1/0变换成0/0/1/1。开关状态1表示开通，开关状态0表示关断。

本发明还公开一种基于前述飞跨电容三电平dc/dc功率组件的双脉冲测试电路的测试方法，包括：

调节可调直流源使支撑电容充电至额定电压vdc，进而通过均压电阻使得飞跨电容充电至vdc/2；

断开可调直流源，停止充电；

确定三电平功率模块的开关变换形式，以及相应的测试对象igbt开关管；

根据开关变换形式，控制测试对象igbt开关管之外的其它igbt开关管关断或常开；

对测试对象igbt开关管施加双脉冲；

测量双脉冲施加过程中，测试对象igbt开关管的门极-发射极电压vge、集电极-发射极电压vce，以及其它igbt开关管所并接的续流二极管的反向恢复电流ic。

优选的，在第二个脉冲开通时刻测量所述反向恢复电流ic，在第二个脉冲关断时刻测量测试对象igbt开关管的门极-发射极电压vge和集电极-发射极电压vce。可以突出反映三电平dcdc功率模块在工作期间的换流情况以及过电压的吸收效果。

具体的，三电平功率模块工作于buck工作方式时：

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成1/0/0/0，则测试对象为第一igbt，控制其它igbt全部关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第四igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第一igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/1/0/0，则测试对象为第二igbt，控制其它igbt全部关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第三igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第二igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/1/0/0变成1/1/0/0，则测试对象为第一igbt，控制第二igbt常开，第三和第四igbt关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第三和第四igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第一igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从1/0/0/0变成1/1/0/0，则测试对象为第二igbt，控制第一igbt常开，第三和第四igbt关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第三和第四igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第二igbt的电压尖峰vge和vce；

三电平功率模块工作于boost工作方式时：

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/0/1，则测试对象为第四igbt，控制其它igbt全部关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第一igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第四igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/1/0，则测试对象为第三igbt，控制其它igbt全部关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第二igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第三igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/1变换成0/0/1/1，则测试对象为第三igbt，控制第四igbt常开，第一和第二igbt关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第一和第二igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第三igbt的电压尖峰vge和vce；

开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/1/0变换成0/0/1/1，则测试对象为第四igbt，控制第三igbt常开，第一和第二igbt关断；双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻测量第一和第二igbt所并接续流二极管的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量第四igbt的电压尖峰vge和vce。

有益效果

本发明针对飞跨电容三电平dcdc功率模块的多种开关变换方式，提供了一种双脉冲测试电路和测试方法，可以对不同工作方式下的三电平dcdc功率模块进行测试：

本发明的测试电路和方法通过在各种开关变化方式下，向测试对象igbt施加双脉冲，使igbt经历开通-关断-开通-关断过程，从而可考核功率组件承受过电流的能力和开通关断特性，分析功率器件的开关时间、换流情况、各换流回路的杂散电感和由杂散电感引起的过电压情况。

利用本发明能真实的捕捉功率组件实际工作波形，并准确掌握飞跨电容三电平dcdc变换器在不同电流等级下功率器件的过电压水平，为飞跨电容三电平dcdc功率模块的生产研制以及应用提供一种可靠有效的测试方法。

附图说明

图1为飞跨电容三电平dcdc功率组件的电路原理图。

图2为第一种开关变换的电流流径图。

图3为第一种开关变换的测试脉冲。

图4为第二种开关变换的电流流径图。

图5为第二种开关变换的测试脉冲。

图6为第三、四种开关变换的电流流径图。

图7为第三种开关变换的测试脉冲。

图8为第四种开关变换的测试脉冲。

图9为第五种开关变换的电流流径图。

图10为第五种开关变换的测试脉冲。

图11为第六种开关变换的电流流径图。

图12为第六种开关变换的测试脉冲。

图13为第七、八种开关变换的电流流径图。

图14为第七种开关变换的测试脉冲。

图15为第八种开关变换的测试脉冲。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

参考图1所示，本实施例的飞跨电容三电平dc/dc功率组件的双脉冲测试电路，包括三电平功率模块、可调直流源dc、放电支路和续流电感l；

三电平功率模块包括飞跨电容cfly、直流支撑电容cin、吸收电容cs和开关变换电路；所述开关变换电路包括依次同向串联的第一igbt开关管q1、第二igbt开关管q2、第三igbt开关管q3和第四igbt开关管q4；各igbt的发射极和集电极上分别反向并接有续流二极管d1-d4；飞跨电容c的一端连接在第一igbt发射极与第二igbt集电极之间，另一端连接在第三igbt发射极与第四igbt集电极之间；

所述第一igbt、第二igbt、第三igbt和第四igbt依次同向串联，即第一igbt的发射极连接第二igbt的集电极，依次类推。

各igbt的发射极和集电极上还分别并接有均压电阻r1-r4；

可调直流源dc以及放电支路，分别与三电平功率模块的支撑电容cin、吸收电容cs和开关变换电路相互并联，且第一igbt开关管q1的集电极和第四igbt开关管q4的发射极分别连接可调直流源dc的正极和负极；

三电平功率模块工作于buck工作方式时，所述续流电感两端并接于第三igbt与第四igbt相串联的线路两端上；三电平功率模块工作于boost工作方式时，所述续流电感两端并接于第一igbt与第二igbt相串联的线路两端上。

放电支路包括相互串联的泄放电阻rs和放电接触器s1。放电支路用于：每种开关变换方式测试完毕时，闭合放电接触器s1，则测试电路通过泄放电阻rs放电。

续流电感l为空心电感，其感抗为：l＝v·t/i，其中v为所并联的igbt导通时续流电感两端的电压，对于飞跨电容三电平dcdc功率模块一般取vdc/2；i为测试过程中流过续流电感的最大电流，一般取所并联igbt管的耐受额定电流；t为igbt管的导通时间。

多个均压电阻的阻值关系为：r1＝r2，r3＝r4。则当调节可调直流源dc使支撑电容cin充电至额定电压vdc时，通过均压电阻可以将飞跨电容cfly充电至vdc/2。

图1中的三电平功率模块，其可工作于buck工作方式或boost工作方式，：

buck工作方式包括四种开关变换形式：第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成1/0/0/0，参考图2；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/1/0/0，参考图4；第一至第四igbt的开关状态从0/1/0/0变成1/1/0/0，参考图6；以及第一至第四igbt的开关状态从1/0/0/0变成1/1/0/0；

boost工作方式包括四种开关变换形式：第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/0/1，参考图9；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/1/0，参考图11；第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/1变换成0/0/1/1，参考图13；以及第一至第四igbt的开关状态从0/0/1/0变换成0/0/1/1。开关状态1表示开通，开关状态0表示关断。

实施例2

基于实施例1的测试电路，本实施例为飞跨电容三电平dc/dc功率组件的双脉冲测试电路的测试方法，包括：

调节可调直流源dc使支撑电容充电至额定电压vdc，进而通过均压电阻r1-r4使得飞跨电容充电至vdc/2；

断开可调直流源dc，停止充电；

确定三电平功率模块的开关变换形式，以及相应的测试对象igbt开关管；

根据开关变换形式，控制测试对象igbt开关管之外的其它igbt开关管关断或常开；

对测试对象igbt开关管施加双脉冲；

测量双脉冲施加过程中，测试对象igbt开关管的门极-发射极电压vge、集电极-发射极电压vce，以及其它igbt开关管所并接的续流二极管的反向恢复电流ic。

具体的，本实施例选择在第二个脉冲开通时刻测量所述反向恢复电流ic，在第二个脉冲关断时刻测量测试对象igbt开关管的门极-发射极电压vge和集电极-发射极电压vce。

参考图2至图15，三电平功率模块工作于buck工作方式时，续流电感l接在第三igbt开关管q3和第四igbt开关管q4之间：

结合图2和图3，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成1/0/0/0，则测试对象即双脉冲激励对象为第一igbt开关管q1。当第一igbtq1开通，第二igbtq2、第三igbtq3、第四igbtq4关断时，电流回路由吸收电容cs、第一igbtq1、飞跨电容cfly、第三续流二极管d3、空心电感l构成；当第一igbtq1关断时，电流回路由续流二极管d3、d4和续流电感l构成。

测试时，首先通过可调直流源为飞跨电容充电，飞跨电容充电完成后，断开可调直流源dc，控制q1之外的其它igbt全部关断，给q1施加双脉冲，实现buck变换的电平转换。在双脉冲施加过程中，在第二个脉冲开通时刻观察第四igbt所并接续流二极管d4上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻观察第一igbt的电压尖峰vge和vce。

结合图4和图5，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/1/0/0，则测试对象为第二igbt开关管q2。当第二igbtq2开通，第一igbtq1、第三igbtq3、第四igbtq4关断时，电流回路由飞跨电容cfly、第二igbtq2、空心电感l、第四续流二极管d4构成；当第二igbtq2关断时，电流回路由第三续流二极管d3、第四续流二极管d4、续流电感l构成。

测试时，飞跨电容充电完成后，控制q2之外的其它igbt全部关断，给q2施加双脉冲，实现buck变换的电平转换；然后在第二个脉冲开通时刻测量续流二极管d3上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻测量q2的电压尖峰vge和vce。

结合图6、图7和图8，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/1/0/0变成1/1/0/0，则双脉冲激励对象为第一igbtq1；开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从1/0/0/0变成1/1/0/0，则双脉冲激励对象为第二igbtq2。当第一igbtq1、第二igbtq2开通，第三igbtq3、第四igbtq4关断时，电流回路由吸收电容cs、第一igbtq1、第二igbtq2、续流电感l构成；当第一igbtq1关断或第二igbtq2关断时，电流回路由第三续流二极管d3、第四续流二极管d4、续流电感l构成。

测试时，飞跨电容充电完成后，控制第三和第四igbt关断，轮流向q1、q2中的一个施加双脉冲，另一个控制常开，实现buck变换的电平转换。然后在第二个脉冲开通时刻测量续流二极管d3和d4上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻观察双脉冲激励对象q1或q2的电压尖峰vge和vce。

三电平功率模块工作于boost工作方式时，续流电感l接在第一igbt开关管q1和第二igbt开关管q2之间：

结合图9和图10，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/0/1，则脉冲激励对象为第四igbtq4。当第四igbtq4开通，第一igbtq1、第二igbtq2、第三igbtq3关断时，电流回路由吸收电容cs、空心电感l、第二续流二极管d2、飞跨电容cfly、第四igbtq4构成；当第四igbtq4关断时，电流回路第一续流二极管d1、第二续流二极管d2、续流电感l构成。

测试时，飞跨电容充电完成后，控制q4之外的其它igbt全部关断，给q4施加双脉冲，实现boost变换的电平转换；然后在第二个脉冲开通时刻可观察到接续流二极管d1上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻可观察到第四igbtq4的电压尖峰vge和vce。

结合图11和图12，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/0变换成0/0/1/0，则脉冲激励对象为第三igbtq3。当第三igbtq3开通，第一igbtq1、第二igbtq2、第四igbtq4关断时，电流回路由飞跨电容cfly、第一续流二极管d1、空心电感l、第三igbtq3构成；当第三igbtq3关断时，电流回路由第一续流二极管d1、第二续流二极管d2、续流电感l构成。

测试时，飞跨电容充电完成后，控制q3之外的其它igbt全部关断，给q3施加双脉冲；然后在第二个脉冲开通时刻可观察续流二极管d2上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻可观察第三igbtq3的电压尖峰vge和vce。

结合图13、图14和图15，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/0/1变换成0/0/1/1，则脉冲激励对象为第三igbt，开关变换形式为第一至第四igbt的开关状态从0/0/1/0变换成0/0/1/1，则脉冲激励对象为第四igbt。当第三igbtq3、第四igbtq4开通，第一igbtq1、第二igbtq2关断时，电流回路由吸收电容cs、空心电感l、第三igbtq3、第四igbtq4构成；当第三igbtq3关断或第四igbtq4关断时，电流回路由第三续流二极管d3、第四续流二极管d4、续流电感l构成。

测试时，飞跨电容充电完成后，控制第一和第二igbt关断，轮流给q3和q4中的一个施加双脉冲，另一个控制常开；然后在第二个脉冲开通时刻可观察续流二极管d1和d2上的反向恢复电流，在第二个脉冲关断时刻可观察脉冲激励对象q3或q4的电压尖峰vge和vce。

本发明测试方法具体操作步骤如下：

(1)调节可调直流源dc使支撑电容cin充电至额定电压vdc，取均压电阻r1＝r2，r3＝r4，故通过均压电阻可以将飞跨电容cfly充电至vdc/2；

(2)断开可调直流源dc，针对相应开关变换模态的igbt开关管施加双脉冲，测量vge、vce以及反向恢复电流的波形；

(3)闭合放电接触器s1，通过泄放电阻rs将母线电压放电。

综上所述的飞跨电容三电平dcdc功率模块的双脉冲测试方法，分别针对八种开关变换设计了测试电路，可以对三电平dcdc功率模块在工作期间的换流情况、功率器件开关时间、过电压的吸收效果以及驱动短路保护情况进行测试，为飞跨电容三电平dcdc功率模块的研制提供一种可靠有效的测试方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。