三电平变流器的换流回路杂感的测量电路及其测量方法

摘要

本发明公开了一种三电平变流器的换流回路杂感的测量电路及其测试方法，电路包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一谐振电容、第二谐振电容、第一直流支撑电容、第二直流支撑电容、叠层母排、直流电源以及续流电抗器。方法包括：通过续流电抗器构成不同的续流回路，对相应IGBT施加双脉冲，取开通和关断时刻谐振电流频率的平均值，利用谐振电容与回路杂散电感形成的LC并联谐振特性，精确地计算换流回路的杂感。本发明利于实际操作，可以精确地测量出三电平变流器的换流回路杂散电感，便于准确把握三电平变流器在不同电流等级下，功率器件的过电压水平，以指导系统控制策略的制定。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子应用领域，尤其涉及一种三电平变流器的换流回路杂感的 测量电路及其测量方法。

背景技术

随着功率变换系统功率等级的提升以及电力电子技术的发展，IGBT（绝缘栅双 极型晶体管）模块的功率密度越来越高，开通关断性能越来越好，这就意味着关断 电流及其斜率越来越大。此时将在三电平变流器的换流回路的杂散电感上感生出电 压，该电压连同直流母线电压直接附加在关断的IGBT两端，进而有可能超越IGBT 的额定电压而导致器件的损坏。因此确切的掌握换流回路杂散电感的数值，可以有 效推断不同功率等级下IGBT关断过电压的水平，有利于系统保护方案的设计以保 证暂态过程中系统安全稳定的运行。

三电平变流器存在两个大换流回路和两个小换流回路，由于换流回路中包含多 个功率器件，且功率器件的等效杂感与叠层母排的杂感相差在一个数量级以内，因 此仅仅依靠叠层母排的杂感数值，并不能精确地判断一定电流等级下IGBT的过电 压水平。传统的叠层母排杂感测试方法依靠IGBT开通或者关断瞬间器件的压降， 因此所测得的结果不包含该IGBT自身的等效杂感，并且测量过程中要求在压降保 持稳定阶段内电流的变化率，测量的精确度与测试条件密切相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三电平变流器的换流回路杂感的测量电路及其测 量方法，可以方便、精确地测量出三电平变流器的换流回路杂散电感。

实现上述目的的技术方案是：

本发明之一的一种三电平变流器的换流回路杂感的测量电路，包括第一IGBT、 第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第一谐 振电容、第二谐振电容、第一直流支撑电容、第二直流支撑电容、叠层母排、直流 电源以及续流电抗器，其中：

所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极；所述第二IGBT的发 射极连接所述第三IGBT的集电极；所述第三IGBT的发射极连接所述第四IGBT 的集电极；

所述叠层母排的正端分别连接所述第一IGBT的集电极、所述第一直流支撑电 容的正极以及所述直流电源的正极；所述叠层母排的负端分别连接所述第四IGBT 的发射极、所述第二直流支撑电容的负极以及所述直流电源的负极；

所述第一直流支撑电容的负极连接所述第二直流支撑电容的正极；

所述第一谐振电容与所述第一直流支撑电容并联；

所述第二谐振电容与所述第二直流支撑电容并联；

所述第一钳位二极管的阴极连接所述第一IGBT的发射极；所述第一钳位二极 管的阳极连接所述第二钳位二极管的阴极；所述第二钳位二极管的阳极连接所述第 四IGBT的集电极；

所述第一钳位二极管和第二钳位二极管的相接端连接所述第一直流支撑电容 和第二直流支撑电容的相接端；

所述续流电抗器连接在所述第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极之间， 或者连接在所述第二钳位二极管的阴极和所述第四IGBT的集电极之间；

所述叠层母排包括：正母排、负母排、零母排、交流母排、第一连接母排和第 二连接母排，其中：

正母排连接第一IGBT的集电极和第一直流支撑电容的正极；

负母排连接第四IGBT的发射极和第二直流支撑电容的负极；

零母排连接第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极；

交流母排连接第二IGBT的发射极和第三IGBT的集电极；

第一连接母排连接第一IGBT的发射极和第一钳位二极管的阴极；

第二连接母排连接第四IGBT的集电极和第二钳位二极管的阳极。 所述三电平变流器的换流回路包括第一换流回路和第二换流回路，其中：

第一换流回路包括所述正母排、第一IGBT、第二IGBT、交流母排、第 三IGBT、第二连接母排、第二钳位二极管、零母排和第一谐振电容；

第二换流回路包括第二谐振电容、零母排、第二钳位二极管、第二连接 母排、第四IGBT和负母排。

上述三电平变流器的换流回路杂感的测量电路，其中，

在对第一换流回路进行测试时，续流电抗器连接在第一IGBT的集电极和第 二IGBT的发射极之间；

在对第二换流回路进行测试时，续流电抗器连接在第二钳位二极管的阴极和 第四IGBT的集电极之间。

本发明之二的基于本发明之一所述测量电路的三电平变流器的换流回路杂感 的测量方法，包括下列步骤：

对第一换流回路进行测试：

步骤一，续流电抗器连接在第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极之间； 使第一IGBT和第四IGBT保持关断，第二IGBT保持开通，第三IGBT在t0时刻 开通，t1时刻关断，t2时刻再次开通，t3时刻再次关断；

步骤二，通过t2至t3时刻的开通过程，求得第一谐振电容与第一换流回路的 杂散电感形成的并联谐振电流的频率f，并根据LC并联谐振的特性，获得第一换 流回路的杂散电感L₁=1/（4Cs1π²f²）；其中，Cs1表示第一谐振电容的电容值；

对第二换流回路进行测试：

步骤三，续流电抗器连接在第二钳位二极管的阴极和第四IGBT的集电极之 间；使得第一、第二和第三IGBT均保持关断，第四IGBT S4在t0’时刻开通，t1’ 时刻关断，t2’时刻再次开通，t3’时刻再次关断；

步骤四，通过t2’至t3’时刻的开通过程，求得第二谐振电容与第二换流回路的 杂散电感形成的并联谐振电流的频率f’，并根据LC并联谐振的特性，获得第二换 流回路的杂散电感L₂=1/（4Cs2π²f²）；其中，Cs2表示第二谐振电容的电容值。

本发明的有益效果是：本发明利用LC并联谐振测试三电平变流器换流回路 杂感，不依靠IGBT开通或关断瞬间的电压和电流，而是利用器件开通的整个过程， 且只使用集电极电流的频率值，从而使得测试结果包含回路中所有的功率器件的等 效杂感以及叠层母排的杂感，更加精确、可信。同时，本发明只需要测量器件的 电流，变量少，有利于实际操作，便于准确把握三电平变流器在不同电流等级 下，功率器件的过电压水平，以指导系统控制策略的制定。

附图说明

图1为本发明的测试电路示意图；

图2为本发明的第一换流回路实验波形图；

图3为传统测试方法第一换流回路的实验波形图；

图4为本发明的第二换流回路实验波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，本发明之一的三电平变流器的换流回路杂感的测量电路，包括第 一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第一钳位二极管D1、 第二钳位二极管D2、第一谐振电容C s1、第二谐振电容Cs2、第一直流支撑电容 C1、第二直流支撑电容C2、叠层母排(图中未示)、直流电源DCs以及续流电抗器 L，其中：

第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT同向串联，即：第一IGBT S1的发射极连接第二IGBT S2的集电极；第二IGBT S2的发射极连接第三IGBT S3 的集电极；第三IGBT S3的发射极连接第四IGBT S4的集电极；

叠层母排的正端DC+分别连接第一IGBT S1的集电极、第一直流支撑电容C1 的正极以及直流电源DCs的正极；叠层母排的负端DC-分别连接第四IGBT S4的 发射极、第二直流支撑电容C2的负极以及直流电源DCs的负极；

第一直流支撑电容C1的负极连接第二直流支撑电容C2的正极；

第一谐振电容Cs1与第一直流支撑电容C1并联；

第二谐振电容Cs2与第二直流支撑电容C2并联；

第一钳位二极管D1的阴极连接第一IGBT S1的发射极；第一钳位二极管D1 的阳极连接第二钳位二极管D2的阴极；第二钳位二极管D2的阳极连接第四IGBT S4的集电极；

第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2的相接端连接第一直流支撑电容C1 和第二直流支撑电容C2的相接端；

续流电抗器L连接在第一IGBT S1的集电极和第二IGBT S2的发射极之间， 或者连接在第二钳位二极管D2的阴极和第四IGBT S4的集电极之间；

第一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第一钳位二极 管D1和第二钳位二极管D2组成单相三电平电路；

叠层母排包括：正母排、负母排、零母排、交流母排、第一连接母排和第二连 接母排，其中：

正母排连接第一IGBT S1的集电极和第一直流支撑电容C1的正极；

负母排连接第四IGBT S4的发射极和第二直流支撑电容C2的负极；

零母排连接第一钳位二极管D1的阳极和第二钳位二极管D2的阴极；

交流母排连接第二IGBT S2的发射极和第三IGBT S3的集电极；

第一连接母排连接第一IGBT S1的发射极和第一钳位二极管D1的阴极；

第二连接母排连接第四IGBT S4的集电极和第二钳位二极管D2的阳极； 三电平变流器的换流回路包括第一换流回路、第二换流回路、第三换流回路和 第四换流回路，其中：

第一换流回路由正母排、第一IGBT S1、第二IGBT S2、交流母排、第三 IGBT S3、第二连接母排、第二钳位二极管D2、零母排和第一谐振电容Cs1 构成；

第二换流回路包括第二谐振电容Cs2、零母排、第二钳位二极管D2、第 二连接母排、第四IGBT S4和负母排构成；

第三换流回路由第二谐振电容Cs2、零母排、第一箝位二极管D1、第一 连接母排、第二IGBT S2、交流母排、第三IGBT S3、第四IGBT S4和负母排 构成；

第四换流回路由第一谐振电容C s1、正母排、第一IGBT S1、第一连接母 排、第一钳位二极管D1和零母排构成；

两个大换流回路（第一换流回路和第三换流回路）在结构上对称，等效杂感相 等；两个小换流回路（第二换流回路和第四换流回路）在结构上也是对称分布，其 等效杂感相等；因此，分别测试其中的一个大换流回路和小换流回路即可，本发明 测试其中的第一换流回路和第二换流回路。

在对第一换流回路（大换流回路）进行测试时，续流电抗器L连接在第一IGBT S1的集电极和第二IGBT S2的发射极之间；在对第二换流回路（小换流回路）进 行测试时，续流电抗器L连接在第二钳位二极管D2的阴极和第四IGBT S4的集 电极之间，即第一直流支撑电容C1和第二直流支撑电容C2的相接端与第三IGBT S3和第四IGBT S4的相接端之间。

另外，图1中，L_σ1、L_σ2、L_σ3、L_σ4、L_σ5、L_σ6分别为正母排、负母排、零 母排、交流母排、上连接母排和下连接母排的等效杂散电感；L_s1、L_s2、L_s3、 L_s4分别为第一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4的等效 杂散电感；L_d1、L_d2分别为第一、第二钳位二极管D1、D2的等效杂感；直流 电源DCs施加于叠层母排的正端DC+和负端DC-；其中，DC0表示第一直流支 撑电容C1和第二直流支撑电容C2的相交点，即直流中线端；AC表示输出交流。

本发明之一的测试电路的工作原理，即本发明之二的三电平变流器的换流回 路杂感的测试方法（基于本发明之一），如下：

对第一换流回路进行测试时：

续流电抗器L连接在第一IGBT S1的集电极和第二IGBT S2的发射极之间； 此时，使得第一IGBT S1和第四IGBT S4保持关断，第二IGBT S2保持开通， 对第三IGBT S3施加双脉冲，即：使得第三IGBT S3在t0时刻开通，t1时刻关 断，t2时刻再次开通，t3时刻再次关断；如图2所示，为本发明的第一换流回 路实验波形图；图2中Vpulse为第三IGBT S3的驱动电压，Ic为流过第三IGBT S3集电极的电流；Vce表示第三IGBT S3集电极和发射极之间的电压，即第三 IGBT S3的端电压；

t0时刻第三IGBT S3开通，叠层母排的正端DC+通过续流电抗器L向端点 DC0放电，Ic线性上升；由图1可以看出，此时Cs1与L_σ1+L+L_σ4+L_s3+L_σ6+L_d2+ L_σ3组成LC并联谐振，在Ic上表现为衰减振荡。t1和t3时刻第三IGBT S3关 断，流经续流电抗器L的电流通过第一、第二IGBT S1、S2的反并联二极管续 流，Ic为杂散电感中的储能与第一谐振电容Cs1谐振，并最终衰减至0。t2时 刻第三IGBT S3再次开通，续流电抗器L中的电流通过第三IGBT S3流向端点 DC0，第一IGBT S1的反并联二极管进入反向恢复过程，此时第一IGBT S1等 效为开通；由此可得LC谐振电路中的杂感L₁=L_σ1+[L//(L_s1+L_s2）]+L_σ4+L_s3+L_σ6+ L_d2+L_σ3，式中L//（L_s1+L_s2）表示第一、第二IGBT S1、S2的等效杂感串联后 再与L并联，通常L_s1+L_s2与L相差在三个数量级左右，因此L//（L_s1+L_s2）=L_s1+ L_s2，即L₁=L_σ1+L_s1+L_s2+L_σ4+L_s3+L_σ6+L_d2+L_σ3，说明在此过程中第一换流回路 内所有杂感都包含在内：正母排、第一IGBT S1、第二IGBT S2、交流母排、第 三IGBT S3、第二连接母排、第二钳位二极管D2和零母排各自的杂感。

由图2可得，Ic电流在Δt时间内的频率为，f＝4.5/Δt=730kHz，Δt表示 图中所示4.5个周波的时长；f即为第一谐振电容Cs1与第一换流回路的杂散电 感形成的并联谐振电流的频率；已知第一谐振电容Cs1=0.22uF，根据LC并联谐 振的特性则得到整个第一换流回路的杂散电感L₁=1/（4Cs1π²f²） =216nH。

请参阅图3，为传统测试方法第一换流回路的实验波形图，即图2中t2时 刻第三IGBT S3开通时的波形，图3中Vge为第三IGBT S3的门极电压；ΔV_ce为S3发射极与集电极电压的变化值；ΔI_c为S3集电极电流的变化值；Δt’表 示V_ce保持稳定的时间长度。根据楞次定律，叠层母排的等效杂散电感中L_σ1、 L_σ6会感生出左正右负的电压，L_s1、L_s2、L_σ4、L_s3、L_d2、L_σ3会感应出上正下 负的电压。此时第三IGBT S3的端电压Vce表现为较直流母线电压DCs会有所 降低，该电压差为第一换流回路中L_σ1、L_s1、L_s2、L_σ4、L_σ6、L_d2、L_σ3的压降， 并不包括L_s3自身的杂感引起的压降。同时为了测得精确的杂感数值，应保证 Vce有一个稳定、明显的电压阶梯。必须保证t20至t21时间内Vce获得一个 稳定的电压，就要求续流电抗器L中的电流足够大，势必要提高直流电源DCs 的供电电压或者大幅度减小续流电抗器L的电感数值，这就要求IGBT在测试 过程中需要承受过高的电压和电流，进而有可能造成测试器件的损坏。根据电 感的动态特性得出杂感数值，L1=ΔV_ce/（ΔI_c/Δt’）=300V/（297A/198ns）=199nH。 与本发明的方法，两者之间的差值17nH为第三IGBT S3自身的杂散电感，与 所使用IGBT ABB 5SNA 1200G450300数据手册中18nH的杂感值吻合。

对第二换流回路进行测试时：

续流电抗器L连接在第二钳位二极管D2的阴极和第四IGBT S4的集电极之 间；此时，使得第一、第二、第三IGBT S1、S2、S3保持关断，对第四IGBT S4 施加双脉冲，即：使得第四IGBT S4在t0’时刻开通，t1’时刻关断，t2’时刻再 次开通，t3’时刻再次关断。如图4所示，为本发明的第二换流回路实验波形图； 图4中，Vpulse’为第四IGBT S4的驱动电压，Ic’为流过第四IGBT S4集电极的 电流；Vce’表示第四IGBT S4集电极和发射极之间的电压，即第四IGBT S4的 端电压；Vge’表示第四IGBT S4的门极电压：

t0’时刻第四IGBT S4开通，端点DC0通过续流电抗器L向叠层母排的负端 DC-放电，Ic’线性上升。由图1可以看出，此时Cs2与L+L_s4+L_σ2组成LC并 联谐振，在Ic’上表现为衰减振荡。t1’和t3’时刻第四IGBT S4关断，流经续流 电抗器L的电流通过第二钳位二极管D2续流，Ic’为杂散电感中的储能与第二 谐振电容Cs2谐振，并最终衰减至0。t2’时刻第四IGBT S4再次开通，流电抗 器L中的电流通过第四IGBT S4流向叠层母排的负端DC-，第二钳位二极管D2 进入反向恢复过程，此时第二钳位二极管D2等效为开通。由此可得LC谐振电 路中的杂感L₂=L_σ3+[L//（L_d2+L_σ6）]+L_s4+L_σ2，式中L//（L_d2+L_σ6）表示第二钳位 二极管D2、第二连接母排的等效杂感串联后再与L并联，通常L_d2+L_σ6与L相 差在三个数量级左右，因此L//（L_d2+L_σ6）=L_d2+L_σ6，即L₂=L_σ3+L_d2+L_σ6+L_s4+L_σ2， 说明在此过程中第二换流回路内所有杂感都包含在内：零母排、第二钳位二极 管D2、第二连接母排、第四IGBT S4和负母排各自的杂感。

由图4可得，Ic’电流在Δt”时间内的频率为，f’=7/Δt”=801kHz，Δt”表 示图中所示7个周波的时长；f’即为第二谐振电容Cs2与第二换流回路的杂散电 感形成的并联谐振电流的频率；已知第一谐振电容Cs2=0.22uF，根据LC并联谐 振的特性则整个第二换流回路的杂散电感L₂=1/（4Cs2π²f²） =177nH。对比第一换流回路的杂感有39nH的差值，主要是因为第一换流回路 比第二换流回路多包含2只IGBT和交流母排的杂感，其中2只IGBT大约为 36nH（由IGBTABB 5SNA 1200G450300数据手册得出），进一步说明了本发 明所公开方法的准确性。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因 此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。