本發(fā)明涉及一種IGBT模塊損耗測量方法，尤其是涉及一種現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法。

背景技術(shù)：

IGBT模塊作為變流器系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電，電動汽車，軌道交通等新興領(lǐng)域中。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT正朝著高頻化，大功率化以及高集成化方向發(fā)展，這使得業(yè)界對IGBT模塊的損耗特性越來越關(guān)注。IGBT模塊損耗對系統(tǒng)性能(如效率與器件發(fā)熱)有重要影響，此外較高的溫度會加速IGBT模塊的老化，降低系統(tǒng)的可靠性。準確獲得IGBT模塊的損耗數(shù)據(jù)，對于變流器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，運行效率，散熱器選擇以及器件的健康狀態(tài)評估至關(guān)重要。

夏加寬等人的題名為“Saber和Matlab在IGBT動態(tài)特性仿真中的應(yīng)用研究”的文章以及Miyake M等人的題名為“Modeling of SiC IGBT Turn-Off Behavior Valid for Over 5-kV Circuit Simulation”的文章利用物理仿真軟件計算IGBT模塊損耗。該方法通過半導體器件物理模型模擬IGBT的動靜態(tài)特性，并仿真計算不同運行條件下器件的各種損耗。以開關(guān)損耗計算為例，該方法首先仿真得到IGBT開通關(guān)斷波形，再通過開關(guān)過程中電流電壓乘積的積分得到開關(guān)損耗。這種方法的優(yōu)點是能精確模擬了器件運行的實際條件，但缺點是需要用戶對器件結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)有深入理解，工程實際應(yīng)用較為困難。

王燁等人的題名為“關(guān)于IGBT模塊損耗的研究”的文章通過實驗測量IGBT模塊各種損耗。以開關(guān)損耗為例，該方法利用高帶寬電流、電壓探頭測量IGBT開關(guān)過程的電壓電流波形。然后通過對電壓電流乘積的積分測得IGBT開通、關(guān)斷以及二極管反向恢復損耗的數(shù)據(jù)。該方法較為準確且能夠反映實際系統(tǒng)中各種因素(如門極電阻、溫度、寄生參數(shù)、直流電壓等)對IGBT模塊損耗的影響。但由于功率模塊安裝在變流器內(nèi)部，IGBT電流(集電極電流)很難直接測量，因此該方法實際工程應(yīng)用困難。

題名為“Calculation of Major IGBT Operating Parameters”的文章提出了利用IGBT生產(chǎn)商數(shù)據(jù)手冊給出的損耗曲線計算不同運行條件下器件損耗的方法。該方法簡單方便，但由于實際系統(tǒng)雜散電感等參數(shù)不同，IGBT模塊的實際損耗與數(shù)據(jù)手冊計算的結(jié)果可能存在較大差異。

中國專利CN201010275375.0提出了在測試平臺外增加腔體結(jié)構(gòu)，通過測量流過與被測器件所連接的散熱溝中流體的流量以及進出口溫度差計算器件的損耗。該方法增加腔體消除了因部分熱量發(fā)散到周圍空氣中而帶來的測量偏差，但測量平臺搭建復雜，現(xiàn)場測試不方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法，所述的變流器為電壓源型變換器，該方法包括如下步驟：

(1)變流器輸入端并聯(lián)直流電容，變流器輸出端連接三相感性負載；

(2)對直流電容充電至設(shè)定電壓；

(3)以待測IGBT管作為主開關(guān)管，待測IGBT管所在橋臂中對應(yīng)的另一IGBT管的反并聯(lián)二極管為續(xù)流二極管，調(diào)整變流器中各IGBT管的開關(guān)信號，組成BUCK電路；

(4)調(diào)整待測IGBT管的開關(guān)頻率，保持負載電流為設(shè)定值，運行BUCK電路，記錄兩種不同開關(guān)頻率下直流電容兩端電壓隨時間的變化曲線；

(5)根據(jù)步驟(4)中的變化曲線，采用能量守恒原理求得損耗量，所述的損耗量包括開關(guān)損耗與通態(tài)損耗，其中開關(guān)損耗為待測IGBT管開關(guān)損耗與續(xù)流二極管的反向恢復損耗之和，通態(tài)損耗為續(xù)流二極管的通態(tài)損耗與構(gòu)成的BUCK電路中短路IGBT管的通態(tài)損耗之和。

步驟(4)中待測IGBT管的開關(guān)信號占空比小于3％。

所述的步驟(5)具體為：

(501)獲取兩種開關(guān)頻率下直流電容電壓在U₁～U₂區(qū)間的放電時間，記開關(guān)頻率為f_sw1時的放電時間為ΔT₁，開關(guān)頻率為f_sw2時的放電時間為ΔT₂；

(502)開關(guān)損耗E_sw和通態(tài)損耗P_con分別通過下式求?。?/p>

其中，E_{on_IGBT}為待測IGBT管的開通損耗，E_{off_IGBT}為待測IGBT管的關(guān)斷損耗，E_{on_IGBT}與E_{off_IGBT}之和即為待測IGBT管的開關(guān)損耗，E_{rec_DIO}為續(xù)流二極管的反向恢復損耗，P_{con_DIO}為續(xù)流二極管通態(tài)損耗，P_{con_T}為構(gòu)成的BUCK電路中短路IGBT管的通態(tài)損耗，C為直流電容的電容值，R為負載的阻值，i_{L_ΔT2}為負載電流在ΔT₂放電時間內(nèi)的平均值。

執(zhí)行步驟(4)時改變待測IGBT管的開關(guān)信號的占空比，使得負載電流為設(shè)定值，進而得到不同負載電流下的直流電容兩端電壓隨時間變化曲線，然后執(zhí)行步驟(5)得到不同負載電流下的損耗量。

進行IGBT模塊損耗測量時通過IGBT模塊中內(nèi)部集成的溫度傳感器獲得IGBT模塊表殼溫度，進而得到的損耗量為特定表殼溫度下的損耗量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本方法對變流器IGBT模塊損耗進行現(xiàn)場測量，各個IGBT的開關(guān)狀態(tài)就可現(xiàn)場構(gòu)成損耗測量電路，無需增加額外硬件，無需深入理解器件的物理結(jié)構(gòu)和參數(shù)工程實施方便，既提高了測量精度又降低了測量難度。

(2)本方法無需測量IGBT集電極電流，而是通過測量直流電容電壓隨時間變化曲線與負載電流獲得IGBT模塊損耗量，便于工程現(xiàn)場實施。

(3)本方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同負載電流下IGBT模塊損耗量的測量，即實現(xiàn)了不同工況下的IGBT模塊損耗量的測量，提高了測試結(jié)果的準確性。

附圖說明

圖1為現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法的流程圖；

圖2為IGBT模塊損耗測試系統(tǒng)原理圖；

圖3為直流電容放電過程中直流電壓與負載電流波形圖；

圖4為實施例中測得的開關(guān)管開關(guān)損耗特性。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示，一種現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法，變流器為三相電壓源型逆變器，該方法包括如下步驟：

步驟1：測試準備，變流器輸入端并聯(lián)直流電容，變流器輸出端連接三相感性負載，本實施例中三相感性負載采用三相電機，測量直流電容的電容值C和三相電機的線電阻阻值。

步驟2：采用變流器前級電源對直流電容充電至額定電壓。

步驟3：隔離對直流電容充電的電源。

步驟4：以待測IGBT管作為主開關(guān)管，待測IGBT管所在橋臂中對應(yīng)的另一IGBT管的反并聯(lián)二極管為續(xù)流二極管，調(diào)整變流器中各IGBT管的開關(guān)信號，組成BUCK電路，調(diào)整待測IGBT管的開關(guān)頻率并運行BUCK電路；

步驟5：調(diào)整待測IGBT管開關(guān)信號的占空比，運行BUCK電路；

步驟6：判斷負載電流是否到達設(shè)定值，若是執(zhí)行步驟7，否則返回步驟5；

步驟7：記錄在不同開關(guān)頻率下直流電容兩端電壓隨時間變化曲線；

步驟8：根據(jù)步驟7中的變化曲線，采用能量守恒原理求得損耗量，損耗量包括開關(guān)損耗與通態(tài)損耗，其中開關(guān)損耗為待測IGBT管開關(guān)損耗與續(xù)流二極管的反向恢復損耗之和，通態(tài)損耗為續(xù)流二極管的通態(tài)損耗與構(gòu)成的BUCK電路中短路IGBT管的通態(tài)損耗之和。

步驟9：判斷所有IGBT管是否均完成測試，若是結(jié)束，否則返回步驟4。

步驟5中由于三相電機線電阻阻值很小，因此待測IGBT管的開關(guān)信號的占空比很小，小于3％，待測IGBT管通態(tài)損耗可忽略，而近似認為續(xù)流二極管處于恒導通狀態(tài)。

步驟8具體為：

a：獲取兩種開關(guān)頻率下直流電容電壓在U₁～U₂區(qū)間的放電時間，記開關(guān)頻率為f_sw1時的放電時間為ΔT₁，開關(guān)頻率為f_sw2時的放電時間為ΔT₂；

b：開關(guān)損耗E_sw和通態(tài)損耗P_con分別通過下式求?。?/p>

其中，E_{on_IGBT}為待測IGBT管的開通損耗，E_{off_IGBT}為待測IGBT管的關(guān)斷損耗，E_{on_IGBT}與E_{off_IGBT}之和即為待測IGBT管的開關(guān)損耗，E_{rec_DIO}為續(xù)流二極管的反向恢復損耗，P_{con_DIO}為續(xù)流二極管通態(tài)損耗，P_{con_T}為構(gòu)成的BUCK電路中短路IGBT管的通態(tài)損耗，C為直流電容的電容值，R為負載的阻值，i_{L_ΔT2}為負載電流在ΔT₂放電時間內(nèi)的平均值。

執(zhí)行步驟4時改變待測IGBT管的開關(guān)信號的占空比，使得負載電流為設(shè)定值，進而得到不同負載電流下的直流電容兩端電壓隨時間變化曲線，然后執(zhí)行步驟5得到不同負載電流下的損耗量。進行IGBT模塊損耗測量時通過IGBT模塊中內(nèi)部集成的溫度傳感器獲得IGBT模塊表殼溫度，進而得到的損耗量為特定表殼溫度下的損耗量。

本發(fā)明方法的基本思想是：通過控制變流器中IGBT的開關(guān)狀態(tài)現(xiàn)場構(gòu)成BUCK電路對直流電容放電，然后根據(jù)能量守恒定律計算變流器中IGBT模塊的各種損耗。具體地，以圖2所示的IGBT模塊損耗測試系統(tǒng)原理圖進行試驗測試。

(1)在變流器啟動前，通過電橋測量直流電容C＝723μF和負載電阻R＝0.422Ω。

(2)采用電源對直流電容充電，充電到537V。

(3)斷開變流器與電源的電氣連接，即斷開圖2中開關(guān)K₁。

(4)以T₂管為待測IGBT管，開關(guān)管T₃保持常通，T₁，T₄，T₅，T₆管保持常閉，即為步驟8中所述的構(gòu)成的BUCK電路中短路IGBT管，T₂管施加恒定占空比的PWM脈沖。構(gòu)成以T₂管為開關(guān)管，D₁為續(xù)流二極管，電流i_L流經(jīng)負載A相和B相的直流電容BUCK放電電路。變頻器額定直流電壓為537V，選擇U₁＝520V，U₂＝500V作為放電測試區(qū)間。

根據(jù)能量守恒定律，得到公式1，直流電容放電過程中電容能量主要消耗于：D₁、T₂、T₃管的通態(tài)損耗，T₂管的開關(guān)損耗和D₁管的反向恢復損耗，以及負載電阻的熱損耗。由于負載電阻阻值很小，T₂占空比很小，可忽略T₂通態(tài)損耗，而D₁則近似處于恒導通狀態(tài)。

其中C為直流電容的電容值，U₁，U₂為直流電容放電區(qū)間的上下限值，R為負載電阻，f_sw為被待測IGBT管T₂管開關(guān)頻率，ΔT為電容放電時間，i_{L_ΔT}為負載電流i_L在放電區(qū)間內(nèi)的平均值，P_{con_D1}為二極管D₁通態(tài)損耗，P_{con_T3}為開關(guān)管T₃的通態(tài)損耗，E_{on_T2}為開關(guān)管T₂管的開通損耗，E_{off_T2}為開關(guān)管T₂管的關(guān)斷損耗，E_{rec_D1}為二極管D₁的反向恢復損耗。

設(shè)定T₂和D₁為被測器件，為進一步分離出IGBT模塊中的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗，采用如下方法：1)首先，由于改變開關(guān)頻率會導致開關(guān)損耗發(fā)生變化，因此通過記錄不同開關(guān)頻率下直流電容放電時間ΔT的變化，可以根據(jù)式(1)分離出被測器件在相應(yīng)負載電流下的開關(guān)損耗E_sw＝E_{on_T2}+E_{off_T2}+E_{rec_D1}，如式(2)所述。式中f_sw1和f_sw2為兩次實驗采用的開關(guān)頻率，ΔT₁，ΔT₂為相應(yīng)開關(guān)頻率下直流電容的放電時間；2)在得到E_sw后，帶入式(1)可得到對應(yīng)電流下D₁和T₃管導通損耗功率之和，即通態(tài)損耗P_con＝P_{con_D1}+P_{con_T3}；3)最后，通過改變被測IGBT的占空比，可調(diào)節(jié)工作電流，得到IGBT模塊在不同電流下的開關(guān)和導通損耗。

本實施例在IGBT模塊殼溫等于25℃、負載平均電流30A的條件下，分別測量開關(guān)頻率f_sw1＝4kHz和f_sw2＝8kHz時，電容在U₁＝520V～U₂＝500V區(qū)間的放電時間ΔT₁＝15.3ms，ΔT₂＝14.7ms。在開關(guān)頻率f_sw1＝4kHz下，測得的直流電容電壓V_dc及負載電流i_L波形如圖3所示。

根據(jù)公式(2)可以得到在負載電流為30A，工作電壓為510V條件下被測器件的開關(guān)損耗量E_sw＝4.8mJ，進而得到通態(tài)損耗P_con＝82.7W，其中P_con＝P_{con_D1}+P_{con_T3}，P_{con_D1}為二極管D₁通態(tài)損耗，P_{con_T3}為開關(guān)管T₃的通態(tài)損耗。

改變待測IGBT管占空比，該實施例中即為T₂管，測量不同負載電流下器件的損耗情況，現(xiàn)場測得的開關(guān)損耗特性如圖4所示。