PWM变流器现场双脉冲测试方法研究

刘也可，向大为，袁逸超，钱金子阳（.同济大学电气工程系，上海0804；.俄亥俄州立大学电气与计算机工程系，美国俄亥俄州哥伦布市430）

PWM变流器现场双脉冲测试方法研究

刘也可1，向大为1，袁逸超1，钱金子阳2
（1.同济大学电气工程系，上海201804；2.俄亥俄州立大学电气与计算机工程系，美国俄亥俄州哥伦布市43210）

论文介绍了一种PWM变流器现场双脉冲测试的方法。该方法主要针对通用变频器、光伏、风电等各种变流器在现场对IGBT功率模块进行双脉冲测试，以验证变流器运行性能或检测功率模块运行状态。以台达3.7kw变频器VFD037M43A为例，该方法通过特定的触发脉冲导通或者关断变频器中相应的IGBT，构成Buck电路对IGBT进行双脉冲测试。现场测试利用变频器停机间隙和电容储能对电机绕组放电进行测试，无需额外增加硬件。经实验验证，该方法具有简单、安全以及不影响变流器正常运行等优点。

PWM变流器；电容储能；IGBT；现场双脉冲测试

1　引言

近年来，风力发电、太阳能发电等新能源发电越来越受人们的重视[1]。由于IGBT（Insulated gate Bipolar Transistor）综合了GTR（Giant Transistor）和MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）两者的优点，具有控制方便、工作频率高、安全工作区大等良好的性能。所以IGBT越来越广泛的运用于变频器、电动汽车以及光伏、风电等新能源发电系统当中。实际工程中，了解IGBT的开关特性对于优化IGBT门极驱动电路、电气主回路以及保证变流器安全、可靠地运行十分重要。例如IGBT关断时的尖峰电压以及二极管反向恢复电流是否在安全范围内，以及开关过程当中是否存在不合适的振荡等[2]。通常，大部分机电设备制造商以及终端用户会选择IGBT制造商给出的手册来评估IGBT的运行性能，但是在实际系统当中，电路中往往存在寄生电容和寄生电感，此外门极电阻也会与IGBT制造商的测试时所用的门极电阻有所不同，可能导致实际的IGBT动态特性与手册上的有所不同[3-6]。在IGBT门极驱动电路的设计中，往往采用简单模型来估算IGBT开通和关断损耗[7]。简单模型不能准确的反应在实际电路当中IGBT的动态参数，所以导致IGBT门极驱动电路动态参数设计不准确。本文研究了PWM变流器现场双脉冲测试方法，相关工作对确保变流器系统安全、高效、可靠运行以及IGBT门极驱动电路的设计与优化具有实际工程意义。

2　现场双脉冲测试方法

IGBT动态特性测试方法通常分为单脉冲和双脉冲测试两种方法[8]。在大部分电力电子装置中，负载中都含有电感。在IGBT关断后，此时二极管会一直续流，负载电流一般不会断流，在此时开通IGBT，二极管会出现反向恢复过程。而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的，只能观察到IGBT的关断过程，因此双脉冲实验比单脉冲实验真实，在IGBT动态特性测试当中应用更多。

2.1测试原理

本文用的是双脉冲测试方法。测试原理如图1所示，T1，T3，T5为上半桥臂IGBT，T2，T4，T6分别为下半桥臂IGBT。为构成双脉冲测试的Buck电路，触发脉冲分配的具体方法为：设Tk表示编号为k（k=1，2，…6）的IGBT的触发脉冲状态（Tk=1，0，X分别对应开通，关断或双脉冲）。当被测IGBT 编号i＜=3时，则有Ti=X，Ti+3=1，Tk=0（k=1，2，…6且k≠i，k≠i+3），通过改变脉冲的宽度，能够得到不同电流条件下的第i个IGBT动态特性；当被测IGBT 编号i＞3时，Ti=X，Ti-3=1，Tk=0（k=1，2，…6且k≠i，k≠i-3），测试方法与前面相同。在测试过程中，电机两相绕组为测试提供感性负载，且脉冲测试时间很短（通常在毫秒级），测试过程中IGBT的结温Tj近似等于模块壳温Tc。

2.2IGBT动态特性

在变频器工作现场，当系统停机的时候，对变频器中的IGBT进行双脉冲测试，分别测量开通和关断过程的IC，VCE，VGE这三个参数，通过分析这三个参数能够获取IGBT的动态特性，通常包括开通（ton）、关断时间（toff）、开通损耗（Eon）、关断损耗（Eoff）等等。利用高速电流探头测量 IGBT的集电极电流IC，利用两个差分电压探头分别测量VCE和VGE。IGBT开通与关断过程如图2所示：IGBT开通时间ton是指VGE从0V开始至VCE下降到10%，此阶段所用的时间其中开通损耗Eon为VCE×IC在时间ton内的积分，IGBT关断过程中关断时间toff是指从VGE下降到90%开始至IC下降到10%时所用的时间，其中IGBT的关断损耗Eoff等于VCE×IC在时间toff内的积分。

图1　双脉冲测试原理图Fig. 1 Double pulse testing principle diagram

2.3测试步骤

在测试现场，当系统停止运行的时候，按照图3进行双脉冲测试。具体步骤如下：

（1）直流母线电容充电：利用系统中现成的输入电源（如整流器）对变流器直流母线电容进行充电。

（2）电源隔离：断开被测变流器与输入电源的电气连接，保证测试的安全性。

（3）产生触发脉冲。

（4）数据测量：两个电压探头分别用于测量被测IGBT集电极-发射集电压（VCE）以及栅极-发射极电压（VGE），高速电流探头用于测量IGBT集电极电流（ic）。

（5）数据处理：提取测量得到的数据，计算出IGBT的开关特性参数，如开通时间（ton），关断时间（toff），开通损耗（Eon）与关断损耗（Eoff）。

（6）改变测试条件：改变步骤（3）中双脉冲的宽度或者变流器中IGBT的壳温，然后重复步骤（1）～（5），获得不同运行条件下IGBT开关特性，如开通时间（ton），关断时间（toff），开通损耗（Eon）与关断损耗（Eoff）并且绘制曲线。

（7）改变被测IGBT：待某一IGBT测试完成后，需改变触发脉冲配置对另一个IGBT进行测试。重复步骤（1）～（6）可测得变流器中各个IGBT的开关特性。

测试过程中需注意电容电压是否运行在额定值，以免电压过低影响测试结果。

图2　开通时间与关断时间的定义[9]Fig. 2 Definition of On-time and off-time

图3　双脉冲测试流程图Fig. 3 Double pulse testing flowchart

图4　双脉冲测试系统图Fig. 4 Double pulse testing system diagram

3　实验研究

3.1实验系统

本文以3.7kw台达VFD037M43A变频器为例，对PWM变流器现场双脉冲测试方法进行验证，实验系统如图4所示：

实验中使用的设备如下：

变频器：台达VFD037M43A变频器

IGBT：7MBR25SA120

电机：3kW东元感应电机

控制器：DSP-F28335

差分电压探头：知用DP6130A

高速电流探头：知用CP8030A

示波器：普源DZ1000

实验数据通过示波器数据采集软件传输至电脑，然后用Matlab进行数据分析。读取IGBT开通、关断时间，并且计算出开通、关断损耗。实验过程中在不同电流下开展双脉冲测试，最终得到开通、关断时间与电流的关系以及开通、关断损耗与电流的关系。

3.2实验结果

实验测量得到的在IC=20A时IGBT开通与关断过程的波形，如图5-6所示。在IC=0～25A时IGBT开通时间、关断时间与集电极电流的关系如图7所示。开通损耗、关断损耗与集电极电流的关系如图8所示。

图5　IGBT开通过程Fig. 5 IGBT turn-on process

图6　IGBT关断过程Fig. 6 IGBT turn-off process

图7　IGBT开通、关断时间与电流的关系Fig. 7 Relationshipbetween IGBT turn on

图8　IGBT开通、关断损耗与电流的关系Fig. 8 Relationship between IGBT turn on and turn off time and currentand turn off loss and current

4　结论

通过实验测试，验证了PWM变流器现场双脉冲测试方法的可行性。通过与IGBT手册上参数的对比可以发现[10]：在实际系统当中IGBT的动态特性与手册上的动态特性有较大差别。在不影响系统运行的前提下，通过该测试方法，能够准确测得IGBT实际运行的开通时间、关断时间等动态特性，分析得到IGBT的开通损耗和关断损耗，这对IGBT门极驱动电路的优化以及变流器的主回路设计具有重要参考价值。

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1] 谷雅琼，于惠钧，邓栋，等. 基于MATLAB的风力发电机组低电压穿越仿真[J]. 新型工业化，2014，4（10）：18-22.

GU Y Q，YU H J，DENG D，et al. Wind Turbine Generator Low Voltage Ride Through Based on MATLAB[J]. The Journal of New Industrialization，2014，4（10）: 18-22．

[2] 陈娜，何湘宁，邓焰，等．IGBT 开关特性离线测试系统[J]．中国电机工程学报，2010，30（12）：50-55．

Chen Na，He Xiangning，Deng Yan，et al. An off-lineIGBT switching characteristics measurement system[J]. Proceedings of the CSEE，2010，30（12）: 50-55．

[3] 洪峰，单任仲，王慧贞，等．一种逆变器损耗分析与计算的新方法[J]．中国电机工程学报，2008，28（15）：72-78．

HONG F，SHAN R Z，WANG H Z，et al. Analysis and Calculation of Inverter Power Loss[J]. Proceedings of the CSEE，2008，28（15）: 72-78．

[4] 刘军海，陆明珠，苏启生．一种IGBT管损耗在线测试仪[J]．工业仪表与自动化装置，1998（4）：54-56．

LIU H J，LU MZ，SU Q S. An online testing instrument for IGBT loss[J]. Industrial instrumentation and automation equipment，1998（4）: 54-56．

[5] 陈娜，何湘宁，邓焰，等．离线式IGBT开关特性测试技术综述[J]．通信电源技术，2009，26（6）.

CHEN N，HE X N，DENG Y，et al. Review of off-line IGBT switching characteristics test technology [J]. Communication power technology，2009（6）．

[6] Jih-Sheng Lai，LeslieL，Ferrell J，et al. Characterization of HV-IGBT for High-PowerInverter Applications [C]. Industry Applications Conference，2005， V1，377-382.

[7] 胡涛，唐勇奇，黄林森，等．MOSFET 与IGBT 驱动电路的研究与设计[J]．新型工业化，2015，5（3）：11-19．

HU Tao，TANG Y Q，HUANG L S，et al. MOSFET and IGBT driver circuit research and design [J].The Journal of New Industrialization，2015，5（3）: 11-19．

[8] 郑大勇，陈广聪．IGBT动态参数测试方法分析[J]．计量与测试技术，2013，31（S1）：247-250．

ZHENG D Y，CHEN G C. Analysis of IGBT Dynamic Parameter Test Methods[J]. Metrology and Measurement Technique，2013，31（S1）: 247-250．

[9] Fuji ElectricCo.，Ltd..7MBR25SA120 IGBT Module Datasheet[Z]. 2012.2.

[10] Fuji Electric Co.，Ltd..Technical Terms and Characteristics[Z]. 2008.3.

Study on The In-situ Method of Double-pulse Test for the PWM Converter

LIU Ye-ke1, XIANG Da-wei1, YUAN Yi-chao1, QIAN Jin-zi-yang2
(1. Electrical Engineering Department of TongjiUniversity , Shanghai 201804, China; 2. Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, Columbus, OHIO 43210, USA)

An in-situ method of double-pulse test forthe PWM converter is studied in this paper. The method can be applied in the field to verify the performances of converter and/or detect the conditions of IGBT power modules inside the converter, which is suitable forthe general VFD, photovoltaic and wind power converters and so on.As an example, a380V/3.7kW Delta inverter VFD037M43A was tested by the method experimentally. During the downtime of the inverter system, a Buck circuit is constructed by a series of specially allocated gate pluses and the IGBT under test were tested on-line. No hardware is need in the test since the storage energy of DC-capacitor and the motor windings serve as the power source and load respectively. The experimental results prove the validation of the method, which has many advantages such as simple, safe and not affecting the normal operation of converter system.

PWM converter;IGBT;In-situ double-pulse test

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.03

LIU Ye-ke, XIANG Da-wei, YUAN Yi-chao, et al. Study on The In-situ Method of Double-pulse Test for the PWM Converter[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 16-20.

国家自然科学基金（51207110）；国家自然科学基金（51137006）

刘也可（1989-），男，硕士，主要研究方向：变流器状态监测与故障诊断；向大为（1978-），男，教授，主要研究方向：电力电子可靠性与状态监测、新能源发电以及电机运行与控制；袁逸超（1992-），男，硕士，主要研究方向：IGBT结温监测；钱金子阳（1992-），女，硕士，主要研究方向：IGBT封装结构

本文引用格式：刘也可，向大为，袁逸超，等. PWM变流器现场双脉冲测试方法研究[J]. 新型工业化，2015，5（10）：16-20.