本發(fā)明涉及一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置及提取方法，屬于電力電子在電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在新能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，影響可靠性的關(guān)鍵部分是功率變流器裝置，而功率器件不僅是該裝置中的核心元件，又是最脆弱的元件之一。因此以可靠性為導(dǎo)向的功率變流器設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)對(duì)于保證新能源發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。半導(dǎo)體器件在其壽命歷程中，其可靠性受多種內(nèi)外因素影響，存在電、熱和機(jī)械等多物理場(chǎng)耦合，其失效既可能是電磁瞬態(tài)失效，也可能是依賴于時(shí)間的熱疲勞損傷累積導(dǎo)致的老化失效。以可靠性為導(dǎo)向的變流器設(shè)計(jì)在于降低兩種失效形式的概率。電磁瞬態(tài)失效主要受器件內(nèi)部高溫和電應(yīng)力所致，電熱應(yīng)力與換流回路、驅(qū)動(dòng)回路和散熱器設(shè)計(jì)相關(guān)，因此變流器設(shè)計(jì)階段需要關(guān)注電熱應(yīng)力相關(guān)的參量(例如關(guān)斷電壓尖峰、開(kāi)通反向恢復(fù)電流、電壓電流的變化率、功率器件結(jié)溫和散熱器溫度等)是否在系統(tǒng)安全穩(wěn)定區(qū)域，這些電熱參量可以通過(guò)測(cè)量及數(shù)據(jù)后處理獲取。功率器件依賴于時(shí)間的的老化失效，在其衰退過(guò)程中相關(guān)電熱參量(例如飽和壓降vce，閾值電壓vgeth和熱阻抗Zth等)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，為了降低因功率變流器老化失效而引起的不定期維修成本和停機(jī)損失等，需深入研究IGBT器件老化過(guò)程中相關(guān)電參量的變化規(guī)律，對(duì)運(yùn)行過(guò)程的功率變流器相關(guān)電參量進(jìn)行測(cè)試分析。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，自動(dòng)化程度高且易操作，可以快速而準(zhǔn)確的提取出功率器件開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程的電參量，用于指導(dǎo)功率變流器的可靠性設(shè)計(jì)，用于分析功率器件衰退過(guò)程中相關(guān)參量的變化規(guī)律進(jìn)而評(píng)估功率變流器的健康狀況。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取方法，利用上述的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取。實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案是：一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，包括硬件測(cè)試平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊、控制器、上位機(jī)和數(shù)據(jù)后處理模塊；所述硬件測(cè)試平臺(tái)包括變壓器、整流器、電容器、充電電阻、硬件測(cè)試平臺(tái)、泄能電阻、疊層母排、功率器件和加熱板；所述變壓器、整流器、充電電阻、繼電器依次串聯(lián)后作為所述電容器的功率輸入，所述電容器和功率器件分別安裝到所述疊層母排上，所述泄能電阻與所述電容器并聯(lián)；所述功率器件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂固定在所述加熱板上，所述加熱板連接有溫控儀；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集器和示波器，所述數(shù)據(jù)采集器采集電流電壓數(shù)據(jù)，并將電流電壓數(shù)據(jù)上傳到所述示波器和所述上位機(jī)；所述控制器，用于接受上位機(jī)的指令，并通過(guò)光纖向所述功率器件下發(fā)觸發(fā)脈沖指令和閉鎖指令；所述上位機(jī)，為控制指令層，將測(cè)試條件經(jīng)通訊接口傳送給所述控制器；將采樣條件經(jīng)通訊接口傳送給所述數(shù)據(jù)采集器以及示波器；所述數(shù)據(jù)后處理模塊，完成電流電壓數(shù)據(jù)的后處理操作，提取功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量，所述開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量包括開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)通電流過(guò)沖、關(guān)斷電壓和開(kāi)關(guān)損耗。上述的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，其中，所述控制器采用DSP控制器；所述上位機(jī)采用LabVIEW上位機(jī)；所述數(shù)據(jù)后處理模塊采用數(shù)據(jù)后處理GUI(GraphicalUserInterface，簡(jiǎn)稱GUI，又稱圖形用戶接口)界面。上述的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，其中，交流電依次經(jīng)所述變壓器升壓、整流器不可控整流后與所述充電電阻及繼電器串聯(lián)后作為所述電容器的功率輸入，所述電容器和功率器件分別安裝到所述疊層母排上，所述泄能電阻與所述電容器并聯(lián)，釋放所述電容器的能量；所述加熱板通過(guò)所述溫控儀控制其維持在設(shè)定的溫度。上述的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，所述數(shù)據(jù)采集器包括電流探頭和電流探頭，其中：所述電流探頭采集集電極電流數(shù)據(jù)，并把集電極電流數(shù)據(jù)上傳到所述示波器和所述上位機(jī)；所述電壓探頭采集集電極-發(fā)射極電壓數(shù)據(jù)、二極管電壓數(shù)據(jù)、門極驅(qū)動(dòng)電壓數(shù)據(jù)和輔助電壓數(shù)據(jù)，并把采集的所有電壓數(shù)據(jù)上傳到所述示波器和所述上位機(jī)。一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取方法，利用上述的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取，包括以下步驟：S1，將測(cè)試模塊安裝到所述疊層母排，將測(cè)試探頭夾在需要測(cè)試的端子上，檢查測(cè)試回路，保證控制線及功率線與加熱板隔離；S2，檢查所述硬件測(cè)試平臺(tái)的連線是否有短路點(diǎn)，然后檢查DSP控制器與電腦的通訊線、驅(qū)動(dòng)供電線以及電腦與示波器是否正確連接；S3，打開(kāi)電腦中的LabVIEW上位機(jī)，然后將所述硬件測(cè)試平臺(tái)的輔助電源總開(kāi)關(guān)閉合，依次將示波器、控制器和驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)閉合；S4，將溫控儀調(diào)到想要測(cè)試的溫度點(diǎn)，閉合溫控儀的溫度電源開(kāi)關(guān)；S5，運(yùn)行LabVIEW主界面，再輸入測(cè)試信息后點(diǎn)擊啟動(dòng)測(cè)試，進(jìn)入示波器和參數(shù)設(shè)置界面；S6，在測(cè)試條件輸入欄內(nèi)設(shè)置測(cè)試溫度、測(cè)試電壓和測(cè)試電流，然后在示波器設(shè)置欄設(shè)置采樣條件；S7，閉合主功率空氣開(kāi)關(guān)后，雙脈沖測(cè)試自動(dòng)完成，示波器數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)诫娔X中；S8，運(yùn)行MATLAB的數(shù)據(jù)后處理GUI界面，自動(dòng)導(dǎo)入所采集的電流電壓數(shù)據(jù)并計(jì)算出功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量。本發(fā)明的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置及提取方法，可測(cè)量功率器件系統(tǒng)開(kāi)關(guān)過(guò)程的動(dòng)態(tài)參量，提取能夠反映功率器件健康狀況的電參量，進(jìn)而評(píng)估系統(tǒng)的可靠性，以解決現(xiàn)有工程技術(shù)對(duì)功率器件參量提取不足，無(wú)法反映其運(yùn)行健康狀況的問(wèn)題，以保證整個(gè)功率變流器系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，也可指導(dǎo)變流器的可靠性設(shè)計(jì)。本發(fā)明的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置及提取方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：1、本發(fā)明提供的提取裝置，自動(dòng)化程度高，簡(jiǎn)單易操作，界面友好，將功率器件安裝在疊層母排端子上，可測(cè)多個(gè)功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量；2、本發(fā)明提供的提取裝置，在開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量測(cè)量的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步提取能夠反映功率器件健康狀況的電參量，可用于可靠性評(píng)估；3、本發(fā)明提供的提取裝置，采用以開(kāi)關(guān)過(guò)程某一階段電參量的變量的積分形式提取變流器換流回路的寄生參數(shù)，相比現(xiàn)有技術(shù)，準(zhǔn)確度較高；4、本發(fā)明提供的提取裝置，可簡(jiǎn)單易提取與溫度相關(guān)的動(dòng)態(tài)參量，可用于功率器件的結(jié)溫評(píng)估。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2a為功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置的硬件測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試電路圖；圖2b為功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置的硬件測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試時(shí)序圖；圖3a為IGBT關(guān)斷損耗與電流及溫度的關(guān)系曲線；圖3b為IGBT開(kāi)通損耗與電流及溫度的關(guān)系曲線；圖4a為IGBT關(guān)斷時(shí)間與電流及溫度的關(guān)系曲線；圖4b為IGBT開(kāi)通時(shí)間與電流及溫度的關(guān)系曲線。具體實(shí)施方式為了使本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員能更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)其具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明：請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的實(shí)施例，一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置，包括硬件測(cè)試平臺(tái)1、數(shù)據(jù)采集模塊2、控制器3、上位機(jī)4和數(shù)據(jù)后處理模塊5?？刂破?采用DSP控制器；上位機(jī)4采用LabVIEW上位機(jī)；數(shù)據(jù)后處理模塊5采用數(shù)據(jù)后處理GUI界面。硬件測(cè)試平臺(tái)1包括變壓器、整流器、電容器、充電電阻、硬件測(cè)試平臺(tái)、泄能電阻、疊層母排、功率器件和加熱板；變壓器、整流器、充電電阻、繼電器依次串聯(lián)后作為所述電容器的功率輸入，電容器和功率器件分別安裝到疊層母排上，泄能電阻與電容器并聯(lián)；功率器件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂固定在加熱板上，加熱板連接有溫控儀。數(shù)據(jù)采集模塊2包括數(shù)據(jù)采集器和示波器，數(shù)據(jù)采集器采集電流電壓數(shù)據(jù)，并將電流電壓數(shù)據(jù)上傳到示波器和LabVIEW上位機(jī)4；控制器3，用于接受LabVIEW上位機(jī)4的指令，并通過(guò)光纖向功率器件下發(fā)觸發(fā)脈沖指令和閉鎖指令；LabVIEW上位機(jī)4，為控制指令層，將測(cè)試條件經(jīng)通訊接口傳送給所述控制器；將采樣條件經(jīng)通訊接口傳送給所述數(shù)據(jù)采集器以及示波器；數(shù)據(jù)后處理模塊5，完成電流電壓數(shù)據(jù)的后處理操作，提取功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量，包括開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)通電流過(guò)沖、關(guān)斷電壓和開(kāi)關(guān)損耗。交流電依次經(jīng)所述變壓器升壓、整流器不可控整流后與充電電阻及繼電器串聯(lián)后作為電容器的功率輸入，電容器和功率器件分別安裝到疊層母排上，泄能電阻與電容器并聯(lián)，釋放電容器的能量；加熱板通過(guò)溫控儀控制其維持在設(shè)定的溫度。數(shù)據(jù)采集器包括電流探頭和電流探頭，電流探頭采集集電極電流數(shù)據(jù)ic，并把集電極電流數(shù)據(jù)ic上傳到所述示波器和所述上位機(jī)；電壓探頭采集集電極-發(fā)射極電壓數(shù)據(jù)Vce、二極管電壓數(shù)據(jù)VD、門極驅(qū)動(dòng)電壓數(shù)據(jù)Vge和輔助電壓數(shù)據(jù)VeE，并把采集的所有電壓數(shù)據(jù)上傳到所述示波器和所述上位機(jī)。請(qǐng)參閱圖2a和圖2b，硬件測(cè)試平臺(tái)1，采用典型的雙脈沖測(cè)試電路測(cè)試功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)波形，測(cè)試對(duì)象為下管IGBT和上管二極管，包括步驟：(1)0～t1：t＝0時(shí)刻，被測(cè)IGBT開(kāi)通，母線通過(guò)IGBT給電感L充電，電感電流IL線性上升，直至t1時(shí)刻電感電流IL上升到指定測(cè)試值I1；(2)t1～t2：t1時(shí)刻，關(guān)斷被測(cè)IGBT，可捕獲IGBT關(guān)斷電壓、電流等關(guān)斷參數(shù)波形，電感電流IL通過(guò)上管二極管進(jìn)行續(xù)流，直至t2時(shí)刻IGBT再次開(kāi)通；(3)t2～t3：t2時(shí)刻，IGBT再次導(dǎo)通，可捕獲IGBT開(kāi)通電壓、電流等開(kāi)通參數(shù)波形。當(dāng)負(fù)載電感足夠大時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)IGBT開(kāi)通的電流值I2等于t1時(shí)刻關(guān)斷的電流值I1；在該階段，負(fù)載電流IL繼續(xù)上升直至t3時(shí)刻，此時(shí)電流為I3；(4)t3以后：t3時(shí)刻，IGBT再次關(guān)斷，電感電流IL通過(guò)上管二極管D進(jìn)行續(xù)流，直至電流降為零，單個(gè)雙脈沖測(cè)試周期結(jié)束。上述步驟(1)-(4)中涉及的上下橋臂功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)序由所述DSP數(shù)字控制器發(fā)出，而控制指令來(lái)源于上位機(jī)；上述步驟(1)-(4)中涉及的上下橋臂功率器件的集電極電流ic、集電極-發(fā)射極電壓Vce、二極管電壓VD和門極驅(qū)動(dòng)電壓Vge等電參量由電壓電流探頭獲取并自動(dòng)上傳到示波器和上位機(jī)；上述步驟(1)-(4)中涉及的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)電參量數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)后需通過(guò)GUI界面操作進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，提取包括開(kāi)關(guān)時(shí)間，開(kāi)通電流過(guò)沖，關(guān)斷電壓尖峰、功率器件的開(kāi)關(guān)損耗、大電流下飽和壓降和開(kāi)關(guān)米勒平臺(tái)電壓等開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量。待測(cè)IGBT器件為Infineon公司的FF400R33KF2C模塊，實(shí)施例中硬件測(cè)試平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)如表1所示：參數(shù)取值直流母線電壓2000V直流側(cè)電容15000μF雙脈沖實(shí)驗(yàn)電流≤3600A濾波電感320μH測(cè)試溫度Tj范圍室溫～125℃表1測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格按照本下述試驗(yàn)步驟進(jìn)行。一種功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取方法，包括以下步驟：S1，將測(cè)試模塊安裝到所述疊層母排，將測(cè)試探頭夾在需要測(cè)試的端子上，檢查測(cè)試回路，保證控制線及功率線與加熱板隔離；S2，檢查所述硬件測(cè)試平臺(tái)的連線是否有短路點(diǎn)，然后檢查控制器與電腦的通訊線、驅(qū)動(dòng)供電線以及電腦與示波器是否正確連接；S3，打開(kāi)電腦中的上位機(jī)，然后將所述硬件測(cè)試平臺(tái)的輔助電源總開(kāi)關(guān)閉合，依次將示波器、控制器和驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)閉合；S4，將溫控儀調(diào)到想要測(cè)試的溫度點(diǎn)，閉合溫控儀的溫度電源開(kāi)關(guān)；S5，運(yùn)行LabVIEW主界面，再輸入測(cè)試信息后點(diǎn)擊啟動(dòng)測(cè)試，進(jìn)入示波器和參數(shù)設(shè)置界面；S6，在測(cè)試條件輸入欄內(nèi)設(shè)置測(cè)試溫度、測(cè)試電壓和測(cè)試電流等，然后在示波器設(shè)置欄設(shè)置采樣條件；S7，閉合主功率空氣開(kāi)關(guān)后，雙脈沖測(cè)試自動(dòng)完成，示波器數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)诫娔X中；S8，運(yùn)行MATLAB的數(shù)據(jù)后處理模塊，自動(dòng)導(dǎo)入所采集的電流電壓數(shù)據(jù)并計(jì)算出功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量。請(qǐng)參閱圖3a、圖3b、圖4a和圖4b分別為IGBT開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間與電流及溫度的關(guān)系曲線，由變化趨勢(shì)可知，隨著負(fù)載電流等級(jí)的升高，待測(cè)器件的開(kāi)關(guān)損耗不斷增加，且待測(cè)器件的開(kāi)關(guān)損耗具有正的溫度系數(shù)，器件的結(jié)溫越高，損耗越大；不同結(jié)溫下，器件的開(kāi)通時(shí)間隨負(fù)載電流水平變化的趨勢(shì)比較一致，負(fù)載電流越大，開(kāi)通時(shí)間越長(zhǎng)，且待測(cè)器件的開(kāi)通時(shí)間具有正的溫度系數(shù)。本裝置還可提取其他與溫度相關(guān)的開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量，但是限于篇幅原因，未全部列出。綜上所述，本發(fā)明的功率變流器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)參量提取裝置及提取方法，自動(dòng)化程度高且易操作，可以快速而準(zhǔn)確的提取出功率器件開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程的電參量，用于指導(dǎo)功率變流器的可靠性設(shè)計(jì)，用于分析功率器件衰退過(guò)程中相關(guān)參量的變化規(guī)律進(jìn)而評(píng)估功率變流器的健康狀況。本
技術(shù)領(lǐng)域：
中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3