專利名稱：三電平變流器的換流回路雜感的測量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種三電平變流器的換流回路雜感的測量電路。
背景技術(shù)：
隨著功率變換系統(tǒng)功率等級的提升以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)模塊的功率密度越來越高，開通關(guān)斷性能越來越好，這就意味著關(guān)斷電流及其斜率越來越大。此時將在三電平變流器的換流回路的雜散電感上感生出電壓，該電壓連同直流母線電壓直接附加在關(guān)斷的IGBT兩端，進(jìn)而有可能超越IGBT的額定電壓而導(dǎo)致器件的損壞。因此確切的掌握換流回路雜散電感的數(shù)值，可以有效推斷不同功率等級下IGBT關(guān)斷過電壓的水平，有利于系統(tǒng)保護(hù)方案的設(shè)計以保證暫態(tài)過程中系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。三電平變流器存在兩個大換流回路和兩個小換流回路，由于換流回路中包含多個功率器件，且功率器件的等效雜感與疊層母排的雜感相差在一個數(shù)量級以內(nèi)，因此僅僅依靠疊層母排的雜感數(shù)值，并不能精確地判斷一定電流等級下IGBT的過電壓水平。傳統(tǒng)的疊層母排雜感測試方法依靠IGBT開通或者關(guān)斷瞬間器件的壓降，因此所測得的結(jié)果不包含該IGBT自身的等效雜感，并且測量過程中要求在壓降保持穩(wěn)定階段內(nèi)電流的變化率，測量的精確度與測試條件密切相關(guān)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，可以方便、精確地測量出三電平變流器的換流回路雜散電感。實現(xiàn)上述目的的技術(shù) 方案是:一種三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，包括第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極管、第二鉗位二極管、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器，其中:所述第一 IGBT的發(fā)射極連接所述第二 IGBT的集電極；所述第二 IGBT的發(fā)射極連接所述第三IGBT的集電極；所述第三IGBT的發(fā)射極連接所述第四IGBT的集電極；所述疊層母排的正端分別連接所述第一 IGBT的集電極、所述第一直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負(fù)端分別連接所述第四IGBT的發(fā)射極、所述第二直流支撐電容的負(fù)極以及所述直流電源的負(fù)極；所述第一直流支撐電容的負(fù)極連接所述第二直流支撐電容的正極；所述第一諧振電容與所述第一直流支撐電容并聯(lián)；所述第二諧振電容與所述第二直流支撐電容并聯(lián)；所述第一鉗位二極管的陰極連接所述第一 IGBT的發(fā)射極；所述第一鉗位二極管的陽極連接所述第二鉗位二極管的陰極；所述第二鉗位二極管的陽極連接所述第四IGBT的集電極；[0013]所述第一鉗位二極管和第二鉗位二極管的相接端連接所述第一直流支撐電容和第二直流支撐電容的相接端；所述續(xù)流電抗器連接在所述第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發(fā)射極之間，或者連接在所述第二鉗位二極管的陰極和所述第四IGBT的集電極之間；所述疊層母排包括:正母排、負(fù)母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中: 正母排連接第一 IGBT的集電極和第一直流支撐電容的正極；負(fù)母排連接第四IGBT的發(fā)射極和第二直流支撐電容的負(fù)極；零母排連接第一鉗位二極管的陽極和第二鉗位二極管的陰極；交流母排連接第二 IGBT的發(fā)射極和第三IGBT的集電極；第一連接母排連接第一 IGBT的發(fā)射極和第一鉗位二極管的陰極；第二連接母排連接第四IGBT的集電極和第二鉗位二極管的陽極。所述三電平變流器的換流回路包括第一換流回路和第二換流回路，其中:第一換流回路包括所述正母排、第一 IGBT、第二 IGBT、交流母排、第三IGBT、第二連接母排、第二鉗位二極管、零母排和第一諧振電容；第二換流回路包括第二諧振電容、零母排、第二鉗位二極管、第二連接母排、第四IGBT和負(fù)母排。上述三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，其中，在對第一換流回路進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器連接在第一 IGBT的集電極和第二IGBT的發(fā)射極之間；在對第二換流回路進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器連接在第二鉗位二極管的陰極和第四IGBT的集電極之間。本實用新型的有益效果是:本實用新型利用LC并聯(lián)諧振測試三電平變流器換流回路雜感，不依靠IGBT開通或關(guān)斷瞬間的電壓和電流，而是利用器件開通的整個過程，且只使用集電極電流的頻率值，從而使得測試結(jié)果包含回路中所有的功率器件的等效雜感以及疊層母排的雜感，更加精確、可信。同時，本實用新型只需要測量器件的電流，變量少，有利于實際操作，便于準(zhǔn)確把握三電平變流器在不同電流等級下，功率器件的過電壓水平，以指導(dǎo)系統(tǒng)控制策略的制定。

圖1為本實用新型的測試電路示意圖；圖2為本實用新型的第一換流回路實驗波形圖；圖3為傳統(tǒng)測試方法第一換流回路的實驗波形圖；圖4為本實用新型的第二換流回路實驗波形圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。請參閱圖1，本實用新型的三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，包括第一IGBT S1、第二 IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第一鉗位二極管D1、第二鉗位二極管D2、第一諧振電容Csl、第二諧振電容Cs2、第一直流支撐電容Cl、第二直流支撐電容C2、疊層母排(圖中未示)、直流電源DCs以及續(xù)流電抗器L，其中:第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT同向串聯(lián)，即:第一 IGBTSl的發(fā)射極連接第二 IGBT S2的集電極；第二 IGBT S2的發(fā)射極連接第三IGBT S3的集電極；第三IGBTS3的發(fā)射極連接第四IGBT S4的集電極；疊層母排的正端DC+分別連接第一 IGBT SI的集電極、第一直流支撐電容Cl的正極以及直流電源DCs的正極；疊層母排的負(fù)端DC-分別連接第四IGBT S4的發(fā)射極、第二直流支撐電容C2的負(fù)極以及直流電源DCs的負(fù)極；第一直流支撐電容Cl的負(fù)極連接第二直流支撐電容C2的正極；第一諧振電容Csl與第一直流支撐電容Cl并聯(lián)；第二諧振電容Cs2與第二直流支撐電容C2并聯(lián)；第一鉗位二極管Dl的陰極連接第一 IGBT SI的發(fā)射極；第一鉗位二極管Dl的陽極連接第二鉗位二極管D2的陰極；第二鉗位二極管D2的陽極連接第四IGBTS4的集電極；第一鉗位二極管Dl和第二鉗位二極管D2的相接端連接第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相接端；續(xù)流電抗器L連接在第一 IGBT SI的集電極和第二 IGBT S2的發(fā)射極之間，或者連接在第二鉗位二極管D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間；第一IGBT S1、第二 IGBT S2、第三 IGBT S3、第四 IGBT S4、第一鉗位二極管 Dl 和第二鉗位二極管D2組成單相三電平電路 ；疊層母排包括:正母排、負(fù)母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中:正母排連接第一 IGBT SI的集電極和第一直流支撐電容Cl的正極；負(fù)母排連接第四IGBT S4的發(fā)射極和第二直流支撐電容C2的負(fù)極；零母排連接第一鉗位二極管Dl的陽極和第二鉗位二極管D2的陰極；交流母排連接第二 IGBT S2的發(fā)射極和第三IGBT S3的集電極；第一連接母排連接第一 IGBT SI的發(fā)射極和第一鉗位二極管Dl的陰極；第二連接母排連接第四IGBT S4的集電極和第二鉗位二極管D2的陽極；三電平變流器的換流回路包括第一換流回路、第二換流回路、第三換流回路和第四換流回路，其中:第一換流回路由正母排、第一 IGBT S1、第二 IGBT S2、交流母排、第三IGBT S3、第二連接母排、第二鉗位二極管D2、零母排和第一諧振電容Csl構(gòu)成；第二換流回路包括第二諧振電容Cs2、零母排、第二鉗位二極管D2、第二連接母排、第四IGBT S4和負(fù)母排構(gòu)成；第三換流回路由第二諧振電容Cs2、零母排、第一箝位二極管D1、第一連接母排、第二 IGBT S2、交流母排、第三IGBT S3、第四IGBT S4和負(fù)母排構(gòu)成；第四換流回路由第一諧振電容Csl、正母排、第一 IGBT S1、第一連接母排、第一鉗位二極管Dl和零母排構(gòu)成；兩個大換流回路(第一換流回路和第三換流回路)在結(jié)構(gòu)上對稱，等效雜感相等；兩個小換流回路(第二換流回路和第四換流回路)在結(jié)構(gòu)上也是對稱分布，其等效雜感相等；因此，分別測試其中的一個大換流回路和小換流回路即可，本實用新型測試其中的第一換流回路和第二換流回路。在對第一換流回路(大換流回路)進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器L連接在第一 IGBTSl的集電極和第二 IGBT S2的發(fā)射極之間；在對第二換流回路(小換流回路)進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器L連接在第二鉗位二極管D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間，即第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相接端與第三IGBTS3和第四IGBT S4的相接端之間。另外，圖1中，1^。1、1^。2、1^。3、1^。4、1^。5、]^。6分別為正母排、負(fù)母排、零母排、交流母排、上連接母排和下連接母排的等效雜散電感；Lsl、Ls2、Ls3> Ls4分別為第一 IGBT S1、第二 IGBTS2、第三IGBT S3、第四IGBT S4的等效雜散電感；Ldl、Ld2分別為第一、第二鉗位二極管D1、D2的等效雜感；直流電源DCs施加于疊層母排的正端DC+和負(fù)端DC-;其中，DCO表示第一直流支撐電容Cl和第二直流支撐電容C2的相交點，即直流中線端；AC表示輸出交流。本實用新型的測試電路的工作原理，如下:對第一換流回路進(jìn)行測試時:續(xù)流電抗器L連接在第一 IGBT SI的集電極和第二 IGBT S2的發(fā)射極之間；此時，使得第一 IGBT SI和第四IGBT S4保持關(guān)斷，第二 IGBT S2保持開通，對第三IGBT S3施加雙脈沖，即:使得第三IGBT S3在t0時刻開通，tl時刻關(guān)斷，t2時刻再次開通，t3時刻再次關(guān)斷；如圖2所示，為本實用新型的第一換流回路實驗波形圖；圖2中Vpulse為第三IGBTS3的驅(qū)動電壓，Ic為流過第三IGBT S3集電極的電流；Vce表示第三IGBT S3集電極和發(fā)射極之間的電壓，即第三IGBT S3的端電壓；t0時刻第三IGBT S3開通，疊層母排的正端DC+通過續(xù)流電抗器L向端點DCO放電，Ic線性上升；由圖1可以看出，此時Csl與L。外+L。4+Ls3+U6+Ld2+L。3組成LC并聯(lián)諧振，在Ic上表現(xiàn)為衰減振蕩。tl和t3時刻第三IGBT S3關(guān)斷，流經(jīng)續(xù)流電抗器L的電流通過第一、第二 IGBT S1、S 2的反并聯(lián)二極管續(xù)流，Ic為雜散電感中的儲能與第一諧振電容Csl諧振，并最終衰減至O。t2時刻第三IGBT S3再次開通，續(xù)流電抗器L中的電流通過第三IGBT S3流向端點DC0，第一 IGBT SI的反并聯(lián)二極管進(jìn)入反向恢復(fù)過程，此時第一 IGBT SI等效為開通；由此可得LC諧振電路中的雜感L1=L。J [L// (Ls1+Ls2) ] +L。4+Ls3+L。6+Ld2+L。3，式中L// (Lsl+Ls2)表示第一、第二 IGBT S1、S2的等效雜感串聯(lián)后再與L并聯(lián)，通常Ls1+Ls2與 L 相差在二個數(shù)量級左右，因此 L// (Ls1+Ls2)=Ls1+Ls2,即 L1=L 0 !+L^+L^+L 0 4+Ls3+L 0 6+Ld2+L。3，說明在此過程中第一換流回路內(nèi)所有雜感都包含在內(nèi):正母排、第一 IGBT S1、第二 IGBTS2、交流母排、第三IGBT S3、第二連接母排、第二鉗位二極管D2和零母排各自的雜感。由圖2可得，Ic電流在At時間內(nèi)的頻率為，f=4.5/At=730kHz，At表示圖中所示4.5個周波的時長；f即為第一諧振電容Csl與第一換流回路的雜散電感形成的并聯(lián)諧
振電流的頻率；已知第一諧振電容Csl=0.22uF，根據(jù)LC并聯(lián)諧振的特性/ =，則得
到整個第一換流回路的雜散電感L1=I/ (4Csl Ji 2f2) =216nH。請參閱圖3，為傳統(tǒng)測試方法第一換流回路的實驗波形圖，即圖2中t2時刻第三IGBT S3開通時的波形，圖3中Vge為第三IGBT S3的門極電壓；AVm為S3發(fā)射極與集電極電壓的變化值；△ I。為S3集電極電流的變化值；△ t’表示Vm保持穩(wěn)定的時間長度。根據(jù)楞次定律，疊層母排的等效雜散電感中Lm、U6會感生出左正右負(fù)的電壓，Lsl, Ls2, L04,Ls3、Ld2、U3會感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓。此時第三IGBT S3的端電壓Vce表現(xiàn)為較直流母線電壓DCs會有所降低，該電壓差為第一換流回路中LM、Lsl、Ls2、L“、I^6、Ld2、U3的壓降，并不包括Ls3自身的雜感引起的壓降。同時為了測得精確的雜感數(shù)值，應(yīng)保證Vce有一個穩(wěn)定、明顯的電壓階梯。必須保證t20至t21時間內(nèi)Vce獲得一個穩(wěn)定的電壓，就要求續(xù)流電抗器L中的電流足夠大，勢必要提高直流電源DCs的供電電壓或者大幅度減小續(xù)流電抗器L的電感數(shù)值，這就要求IGBT在測試過程中需要承受過高的電壓和電流，進(jìn)而有可能造成測試器件的損壞。根據(jù)電感的動態(tài)特性得出雜感數(shù)值，Ll=AVce/ ( AIe/At’)=300V/(297A/198ns)=199nH。與本實用新型的方法，兩者之間的差值17nH為第三IGBT S3自身的雜散電感，與所使用IGBT ABB 5SNA 1200G450300數(shù)據(jù)手冊中18nH的雜感值吻合。對第二換流回路進(jìn)行測試時:續(xù)流電抗器L連接在第二鉗位二極管D2的陰極和第四IGBT S4的集電極之間；此時，使得第一、第二、第三IGBT S1、S2、S3保持關(guān)斷，對第四IGBT S4施加雙脈沖，S卩:使得第四IGBT S4在t0’時刻開通，tl’時刻關(guān)斷，t2’時刻再次開通，t3’時刻再次關(guān)斷。如圖4所示，為本實用新型的第二換流回路實驗波形圖；圖4中，Vpulse’為第四IGBT S4的驅(qū)動電壓，Ic’為流過第四IGBT S4集電極的電流；Vce’表示第四IGBT S4集電極和發(fā)射極之間的電壓，即第四IGBT S4的端電壓；Vge’表示第四IGBT S4的門極電壓:t0’時刻第四IGBT S4開通，端點DCO通過續(xù)流電抗器L向疊層母排的負(fù)端DC-放電，Ic’線性上升。由圖1可以看出，此時Cs2與L+Ls4+U2組成LC并聯(lián)諧振，在Ic’上表現(xiàn)為衰減振蕩。tl’和t3’時刻第四IGBT S4關(guān)斷，流經(jīng)續(xù)流電抗器L的電流通過第二鉗位二極管D2續(xù)流，Ic’為雜散電感中的儲能與第二諧振電容Cs2諧振，并最終衰減至O。t2’時刻第四IGBT S4再次開通，流電抗器L中的電流通過第四IGBT S4流向疊層母排的負(fù)端DC-，第二鉗位二極管D2進(jìn)入反向恢復(fù)過程，此時第二鉗位二極管D2等效為開通。由此可得LC諧振電路中的雜感L2=U3+[L// (Ld2+LQ6)]+Ls4+LQ2，式中L// (Ld2+U6)表示第二鉗位二極管D2、第二連接母排的等效雜感串聯(lián)后再與L并聯(lián)，通常Ld2+U6與L相差在三個數(shù)量級左右，因此L// (Ld2+Lo6)=Ld2+Lo6,即 2=Ι^3+Ι^2+Ι^6+Ι^4+Ι^2,說明在此過程中第二換流回路內(nèi)所有雜感都包含在內(nèi) :零母排、第二鉗位二極管D2、第二連接母排、第四IGBT S4和負(fù)母排各自的雜感。由圖4可得，Ic’電流在八七”時間內(nèi)的頻率為，廣=7/八儼=8011^，At”表示圖中所示7個周波的時長；f ’即為第二諧振電容Cs2與第二換流回路的雜散電感形成的并聯(lián)
諧振電流的頻率；已知第一諧振電容Cs2=0.22uF,根據(jù)LC并聯(lián)諧振的特性/ =，則
整個第二換流回路的雜散電感L2=I八4Cs2 Ji 2f2)=177nH。對比第一換流回路的雜感有39nH的差值，主要是因為第一換流回路比第二換流回路多包含2只IGBT和交流母排的雜感，其中2只IGBT大約為36nH (由IGBTABB 5SNA 1200G450300數(shù)據(jù)手冊得出)，進(jìn)一步說明了本實用新型所公開方法的準(zhǔn)確性。以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本實用新型的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求1.一種三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，其特征在于，包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極管、第二鉗位二極管、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器，其中: 所述第一 IGBT的發(fā)射極連接所述第二 IGBT的集電極；所述第二 IGBT的發(fā)射極連接所述第三IGBT的集電極；所述第三IGBT的發(fā)射極連接所述第四IGBT的集電極； 所述疊層母排的正端分別連接所述第一 IGBT的集電極、所述第一直流支撐電容的正極以及所述直流電源的正極；所述疊層母排的負(fù)端分別連接所述第四IGBT的發(fā)射極、所述第二直流支撐電容的負(fù)極以及所述直流電源的負(fù)極； 所述第一直流支撐電容的負(fù)極連接所述第二直流支撐電容的正極； 所述第一諧振電容與所述第一直流支撐電容并聯(lián)； 所述第二諧振電容與所述第二直流支撐電容并聯(lián)； 所述第一鉗位二極管的陰極連接所述第一 IGBT的發(fā)射極；所述第一鉗位二極管的陽極連接所述第二鉗位二極管的陰極；所述第二鉗位二極管的陽極連接所述第四IGBT的集電極； 所述第一鉗位二極管和第二鉗位二極管的相接端連接所述第一直流支撐電容和第二直流支撐電容的相接端； 所述續(xù)流電抗器連接在所述第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發(fā)射極之間，或者連接在所述第二鉗位二極管的陰極和所述第四IGBT的集電極之間； 所述疊層母排包括:正母排、負(fù)母排、零母排、交流母排、第一連接母排和第二連接母排，其中: 正母排連接第一 IGBT的集電極和第一直流支撐電容的正極； 負(fù)母排連接第四IGBT的發(fā)射極和第二直流支撐電容的負(fù)極； 零母排連接第一鉗位二極管的陽極和第二鉗位二極管的陰極； 交流母排連接第二 IGBT的發(fā)射極和第三IGBT的集電極； 第一連接母排連接第一 IGBT的發(fā)射極和第一鉗位二極管的陰極； 第二連接母排連接第四IGBT的集電極和第二鉗位二極管的陽極； 所述三電平變流器的換流回路包括第一換流回路和第二換流回路，其中: 第一換流回路包括所述正母排、第一 IGBT、第二 IGBT、交流母排、第三IGBT、第二連接母排、第二鉗位二極管、零母排和第一諧振電容； 第二換流回路包括第二諧振電容、零母排、第二鉗位二極管、第二連接母排、第四IGBT和負(fù)母排。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，其特征在于， 在對第一換流回路進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器連接在第一 IGBT的集電極和第二 IGBT的發(fā)射極之間； 在對第二換流回路進(jìn)行測試時，續(xù)流電抗器連接在第二鉗位二極管的陰極和第四IGBT的集電極之間。
專利摘要本實用新型公開了一種三電平變流器的換流回路雜感的測量電路，包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一鉗位二極管、第二鉗位二極管、第一諧振電容、第二諧振電容、第一直流支撐電容、第二直流支撐電容、疊層母排、直流電源以及續(xù)流電抗器。本實用新型通過續(xù)流電抗器構(gòu)成不同的續(xù)流回路，對相應(yīng)IGBT施加雙脈沖，取開通和關(guān)斷時刻諧振電流頻率的平均值，利用諧振電容與回路雜散電感形成的LC并聯(lián)諧振特性，精確地計算換流回路的雜感。本實用新型利于實際操作，可以精確地測量出三電平變流器的換流回路雜散電感，便于準(zhǔn)確把握三電平變流器在不同電流等級下，功率器件的過電壓水平，以指導(dǎo)系統(tǒng)控制策略的制定。
文檔編號G01R27/26GK203101521SQ20132004729
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者張魯華, 尹正兵, 宋小亮, 吳競之, 陳國棟, 董祖毅 申請人:上海電氣集團(tuán)股份有限公司