一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法与流程

本发明涉及一种IGBT模块损耗测量方法，尤其是涉及一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法。

背景技术：

IGBT模块作为变流器系统的重要组成部分，广泛应用于新能源发电，电动汽车，轨道交通等新兴领域中。随着电力电子技术的发展，IGBT正朝着高频化，大功率化以及高集成化方向发展，这使得业界对IGBT模块的损耗特性越来越关注。IGBT模块损耗对系统性能(如效率与器件发热)有重要影响，此外较高的温度会加速IGBT模块的老化，降低系统的可靠性。准确获得IGBT模块的损耗数据，对于变流器系统的结构设计，运行效率，散热器选择以及器件的健康状态评估至关重要。

夏加宽等人的题名为“Saber和Matlab在IGBT动态特性仿真中的应用研究”的文章以及Miyake M等人的题名为“Modeling of SiC IGBT Turn-Off Behavior Valid for Over 5-kV Circuit Simulation”的文章利用物理仿真软件计算IGBT模块损耗。该方法通过半导体器件物理模型模拟IGBT的动静态特性，并仿真计算不同运行条件下器件的各种损耗。以开关损耗计算为例，该方法首先仿真得到IGBT开通关断波形，再通过开关过程中电流电压乘积的积分得到开关损耗。这种方法的优点是能精确模拟了器件运行的实际条件，但缺点是需要用户对器件结构和各种参数有深入理解，工程实际应用较为困难。

王烨等人的题名为“关于IGBT模块损耗的研究”的文章通过实验测量IGBT模块各种损耗。以开关损耗为例，该方法利用高带宽电流、电压探头测量IGBT开关过程的电压电流波形。然后通过对电压电流乘积的积分测得IGBT开通、关断以及二极管反向恢复损耗的数据。该方法较为准确且能够反映实际系统中各种因素(如门极电阻、温度、寄生参数、直流电压等)对IGBT模块损耗的影响。但由于功率模块安装在变流器内部，IGBT电流(集电极电流)很难直接测量，因此该方法实际工程应用困难。

题名为“Calculation of Major IGBT Operating Parameters”的文章提出了利用IGBT生产商数据手册给出的损耗曲线计算不同运行条件下器件损耗的方法。该方法简单方便，但由于实际系统杂散电感等参数不同，IGBT模块的实际损耗与数据手册计算的结果可能存在较大差异。

中国专利CN201010275375.0提出了在测试平台外增加腔体结构，通过测量流过与被测器件所连接的散热沟中流体的流量以及进出口温度差计算器件的损耗。该方法增加腔体消除了因部分热量发散到周围空气中而带来的测量偏差，但测量平台搭建复杂，现场测试不方便。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法，所述的变流器为电压源型变换器，该方法包括如下步骤：

(1)变流器输入端并联直流电容，变流器输出端连接三相感性负载；

(2)对直流电容充电至设定电压；

(3)以待测IGBT管作为主开关管，待测IGBT管所在桥臂中对应的另一IGBT管的反并联二极管为续流二极管，调整变流器中各IGBT管的开关信号，组成BUCK电路；

(4)调整待测IGBT管的开关频率，保持负载电流为设定值，运行BUCK电路，记录两种不同开关频率下直流电容两端电压随时间的变化曲线；

(5)根据步骤(4)中的变化曲线，采用能量守恒原理求得损耗量，所述的损耗量包括开关损耗与通态损耗，其中开关损耗为待测IGBT管开关损耗与续流二极管的反向恢复损耗之和，通态损耗为续流二极管的通态损耗与构成的BUCK电路中短路IGBT管的通态损耗之和。

步骤(4)中待测IGBT管的开关信号占空比小于3％。

所述的步骤(5)具体为：

(501)获取两种开关频率下直流电容电压在U₁～U₂区间的放电时间，记开关频率为f_sw1时的放电时间为ΔT₁，开关频率为f_sw2时的放电时间为ΔT₂；

(502)开关损耗E_sw和通态损耗P_con分别通过下式求取：

其中，E_{on_IGBT}为待测IGBT管的开通损耗，E_{off_IGBT}为待测IGBT管的关断损耗，E_{on_IGBT}与E_{off_IGBT}之和即为待测IGBT管的开关损耗，E_{rec_DIO}为续流二极管的反向恢复损耗，P_{con_DIO}为续流二极管通态损耗，P_{con_T}为构成的BUCK电路中短路IGBT管的通态损耗，C为直流电容的电容值，R为负载的阻值，i_{L_ΔT2}为负载电流在ΔT₂放电时间内的平均值。

执行步骤(4)时改变待测IGBT管的开关信号的占空比，使得负载电流为设定值，进而得到不同负载电流下的直流电容两端电压随时间变化曲线，然后执行步骤(5)得到不同负载电流下的损耗量。

进行IGBT模块损耗测量时通过IGBT模块中内部集成的温度传感器获得IGBT模块表壳温度，进而得到的损耗量为特定表壳温度下的损耗量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本方法对变流器IGBT模块损耗进行现场测量，各个IGBT的开关状态就可现场构成损耗测量电路，无需增加额外硬件，无需深入理解器件的物理结构和参数工程实施方便，既提高了测量精度又降低了测量难度。

(2)本方法无需测量IGBT集电极电流，而是通过测量直流电容电压随时间变化曲线与负载电流获得IGBT模块损耗量，便于工程现场实施。

(3)本方法能够实现不同负载电流下IGBT模块损耗量的测量，即实现了不同工况下的IGBT模块损耗量的测量，提高了测试结果的准确性。

附图说明

图1为现场测量变流器IGBT模块损耗的方法的流程图；

图2为IGBT模块损耗测试系统原理图；

图3为直流电容放电过程中直流电压与负载电流波形图；

图4为实施例中测得的开关管开关损耗特性。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种现场测量变流器IGBT模块损耗的方法，变流器为三相电压源型逆变器，该方法包括如下步骤：

步骤1：测试准备，变流器输入端并联直流电容，变流器输出端连接三相感性负载，本实施例中三相感性负载采用三相电机，测量直流电容的电容值C和三相电机的线电阻阻值。

步骤2：采用变流器前级电源对直流电容充电至额定电压。

步骤3：隔离对直流电容充电的电源。

步骤4：以待测IGBT管作为主开关管，待测IGBT管所在桥臂中对应的另一IGBT管的反并联二极管为续流二极管，调整变流器中各IGBT管的开关信号，组成BUCK电路，调整待测IGBT管的开关频率并运行BUCK电路；

步骤5：调整待测IGBT管开关信号的占空比，运行BUCK电路；

步骤6：判断负载电流是否到达设定值，若是执行步骤7，否则返回步骤5；

步骤7：记录在不同开关频率下直流电容两端电压随时间变化曲线；

步骤8：根据步骤7中的变化曲线，采用能量守恒原理求得损耗量，损耗量包括开关损耗与通态损耗，其中开关损耗为待测IGBT管开关损耗与续流二极管的反向恢复损耗之和，通态损耗为续流二极管的通态损耗与构成的BUCK电路中短路IGBT管的通态损耗之和。

步骤9：判断所有IGBT管是否均完成测试，若是结束，否则返回步骤4。

步骤5中由于三相电机线电阻阻值很小，因此待测IGBT管的开关信号的占空比很小，小于3％，待测IGBT管通态损耗可忽略，而近似认为续流二极管处于恒导通状态。

步骤8具体为：

a：获取两种开关频率下直流电容电压在U₁～U₂区间的放电时间，记开关频率为f_sw1时的放电时间为ΔT₁，开关频率为f_sw2时的放电时间为ΔT₂；

b：开关损耗E_sw和通态损耗P_con分别通过下式求取：

其中，E_{on_IGBT}为待测IGBT管的开通损耗，E_{off_IGBT}为待测IGBT管的关断损耗，E_{on_IGBT}与E_{off_IGBT}之和即为待测IGBT管的开关损耗，E_{rec_DIO}为续流二极管的反向恢复损耗，P_{con_DIO}为续流二极管通态损耗，P_{con_T}为构成的BUCK电路中短路IGBT管的通态损耗，C为直流电容的电容值，R为负载的阻值，i_{L_ΔT2}为负载电流在ΔT₂放电时间内的平均值。

执行步骤4时改变待测IGBT管的开关信号的占空比，使得负载电流为设定值，进而得到不同负载电流下的直流电容两端电压随时间变化曲线，然后执行步骤5得到不同负载电流下的损耗量。进行IGBT模块损耗测量时通过IGBT模块中内部集成的温度传感器获得IGBT模块表壳温度，进而得到的损耗量为特定表壳温度下的损耗量。

本发明方法的基本思想是：通过控制变流器中IGBT的开关状态现场构成BUCK电路对直流电容放电，然后根据能量守恒定律计算变流器中IGBT模块的各种损耗。具体地，以图2所示的IGBT模块损耗测试系统原理图进行试验测试。

(1)在变流器启动前，通过电桥测量直流电容C＝723μF和负载电阻R＝0.422Ω。

(2)采用电源对直流电容充电，充电到537V。

(3)断开变流器与电源的电气连接，即断开图2中开关K₁。

(4)以T₂管为待测IGBT管，开关管T₃保持常通，T₁，T₄，T₅，T₆管保持常闭，即为步骤8中所述的构成的BUCK电路中短路IGBT管，T₂管施加恒定占空比的PWM脉冲。构成以T₂管为开关管，D₁为续流二极管，电流i_L流经负载A相和B相的直流电容BUCK放电电路。变频器额定直流电压为537V，选择U₁＝520V，U₂＝500V作为放电测试区间。

根据能量守恒定律，得到公式1，直流电容放电过程中电容能量主要消耗于：D₁、T₂、T₃管的通态损耗，T₂管的开关损耗和D₁管的反向恢复损耗，以及负载电阻的热损耗。由于负载电阻阻值很小，T₂占空比很小，可忽略T₂通态损耗，而D₁则近似处于恒导通状态。

其中C为直流电容的电容值，U₁，U₂为直流电容放电区间的上下限值，R为负载电阻，f_sw为被待测IGBT管T₂管开关频率，ΔT为电容放电时间，i_{L_ΔT}为负载电流i_L在放电区间内的平均值，P_{con_D1}为二极管D₁通态损耗，P_{con_T3}为开关管T₃的通态损耗，E_{on_T2}为开关管T₂管的开通损耗，E_{off_T2}为开关管T₂管的关断损耗，E_{rec_D1}为二极管D₁的反向恢复损耗。

设定T₂和D₁为被测器件，为进一步分离出IGBT模块中的通态损耗与开关损耗，采用如下方法：1)首先，由于改变开关频率会导致开关损耗发生变化，因此通过记录不同开关频率下直流电容放电时间ΔT的变化，可以根据式(1)分离出被测器件在相应负载电流下的开关损耗E_sw＝E_{on_T2}+E_{off_T2}+E_{rec_D1}，如式(2)所述。式中f_sw1和f_sw2为两次实验采用的开关频率，ΔT₁，ΔT₂为相应开关频率下直流电容的放电时间；2)在得到E_sw后，带入式(1)可得到对应电流下D₁和T₃管导通损耗功率之和，即通态损耗P_con＝P_{con_D1}+P_{con_T3}；3)最后，通过改变被测IGBT的占空比，可调节工作电流，得到IGBT模块在不同电流下的开关和导通损耗。

本实施例在IGBT模块壳温等于25℃、负载平均电流30A的条件下，分别测量开关频率f_sw1＝4kHz和f_sw2＝8kHz时，电容在U₁＝520V～U₂＝500V区间的放电时间ΔT₁＝15.3ms，ΔT₂＝14.7ms。在开关频率f_sw1＝4kHz下，测得的直流电容电压V_dc及负载电流i_L波形如图3所示。

根据公式(2)可以得到在负载电流为30A，工作电压为510V条件下被测器件的开关损耗量E_sw＝4.8mJ，进而得到通态损耗P_con＝82.7W，其中P_con＝P_{con_D1}+P_{con_T3}，P_{con_D1}为二极管D₁通态损耗，P_{con_T3}为开关管T₃的通态损耗。

改变待测IGBT管占空比，该实施例中即为T₂管，测量不同负载电流下器件的损耗情况，现场测得的开关损耗特性如图4所示。