寧 晨，向大為，孫林波

(1.同濟大學(xué)電氣工程系，上海201804；2.武漢武新電氣科技股份有限公司，武漢430345)

利用電容放電現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗

寧 晨1，向大為1，孫林波2

(1.同濟大學(xué)電氣工程系，上海201804；2.武漢武新電氣科技股份有限公司，武漢430345)

為克服傳統(tǒng)方法存在誤差較大或工程實施困難的不足，提出一種變流器IGBT模塊損耗現(xiàn)場測量的新方法。該方法利用直流電容放電過程現(xiàn)場對變流器IGBT功率模塊的損耗特性進行測試，以驗證變流器性能或診斷功率模塊早期故障；通過適當(dāng)控制變流器內(nèi)各個IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷，構(gòu)成直流電容Buck放電電路實施損耗測試。采用英飛凌1200 V/50 A功率模塊FF50R12RT4搭建的380 V/10 kW變頻器進行了實驗研究，實驗結(jié)果驗證了該方法的可行性與有效性。現(xiàn)場測試方法充分利用變流器停機間隙和電容儲能對負載電感放電進行測試，無需額外增加硬件，具有經(jīng)濟、方便、安全等優(yōu)點。

變流器；電容放電；IGBT模塊；損耗

變流器作為電能變換系統(tǒng)中的重要部分，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［1］。作為變流器系統(tǒng)的核心部件，IGBT綜合了GTR和MOSFET兩者的優(yōu)點，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小、輸入阻抗高、通態(tài)電阻小等優(yōu)點。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。模塊損耗對系統(tǒng)性能包括效率與器件發(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［2-3］。準確獲得IGBT損耗數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、變流器效率、散熱器的選擇以及器件的壽命預(yù)測至關(guān)重要［4-5］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對IGBT模塊損耗的計算方法進行了深入研究，現(xiàn)有方法主要包括物理模型法、實驗測試法和數(shù)據(jù)手冊法［6-10］。物理模型法利用仿真軟件計算IGBT模塊損耗，通過器件半導(dǎo)體物理模型模擬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，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［6-8］。這種方法的優(yōu)點是能精確模擬了器件運行的實際條件，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。實驗測試法利用高速電流、電壓探頭測試IGBT模塊各種損耗。以開關(guān)損耗為例，通過對實測得到的電流電壓開關(guān)波形的乘積進行積分可獲得IGBT開通、關(guān)斷以及二極管反向恢復(fù)損耗的數(shù)據(jù)［9］。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。數(shù)據(jù)手冊法是根據(jù)IGBT生產(chǎn)商數(shù)據(jù)手冊估算損耗的方法。文獻［10］提出了利用手冊給出的能量曲線計算不同溫度、門極電阻時器件損耗的方法。該方法簡單方便，但由于實際系統(tǒng)與生產(chǎn)商測試時系統(tǒng)的參數(shù)與工況有所差異，因此誤差較大。

為克服傳統(tǒng)方法存在的不足，本文研究了一種通過直流電容放電現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法，相關(guān)工作對優(yōu)化變流器的性能以及診斷功率器件早期故障具有實際工程意義。

1 變流器IGBT模塊損耗現(xiàn)場測試方法

1.1 測試原理

IGBT模塊損耗現(xiàn)場測試方法或電容放電法的基本思想是：利用變流器直流電容放電并根據(jù)能量守恒定律計算變流器中IGBT模塊的各種損耗。

電容放電法的測試原理如圖1所示，圖中，T1、T2為A相上下管，T3、T4為B相上下管，T5、T6為C相上下管。選取A相下管T2管為被測器件，通過適當(dāng)?shù)拈T極脈沖配置，在變流器系統(tǒng)現(xiàn)場可以構(gòu)成以T2管為開關(guān)管，D1為續(xù)流二極管，電流iL通過負載B相和A相的直流電容Buck放電電路。其具體方法為：控制T3保持常通，T1、T4、T5、T6管保持常閉，T2管施加恒定占空比的PWM脈沖。通過改變被測開關(guān)管的控制信號占空比，可控制直流電容放電電流的大小，讓被測開關(guān)管處于不同電流工作狀態(tài)。依此類推，同理可構(gòu)造出以其它IGBT作為被測器件的Buck電路。

圖1 電容放電法原理Fig.1 Principle of capacitor discharge testing method

根據(jù)能量守恒定律，直流電容放電過程中電容能量主要消耗于：D1、T2、T3管的導(dǎo)通損耗，T2管的開關(guān)損耗和D1管的反向恢復(fù)損耗，以及負載電阻的熱損耗。能量守恒定律為

式中：C為直流電容；U1、U2為直流電容放電區(qū)間的上下限值；D為T2管控制信號的占空比；R為負載電阻；fsw為T2管開關(guān)頻率；ΔT為電容放電時間，iL_ΔT為負載電流iL在放電區(qū)間內(nèi)的平均值；Pcon_D1、Pcon_T2、Pcon_T3分別為D1、T2、T3的導(dǎo)通損耗功率；Eon_T2、Eoff_T2、Erec_D1分別為T2管的開通、關(guān)斷損耗以及二極管D1的反向恢復(fù)損耗。一般取U1略大于變流器額定直流電壓而U2略小。在放電區(qū)間內(nèi)，由于iL變化不大且呈線性，可近似認為被測器件處于恒電流iL_ΔT工作條件下。

由于實際系統(tǒng)中負載電阻阻值通常很小，因此T2占空比很小，可忽略T2導(dǎo)通損耗，而近似認為D1處于恒導(dǎo)通狀態(tài)。式（1）可進一步簡化得

進一步分離出IGBT模塊中的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗。首先，由于改變開關(guān)頻率會導(dǎo)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（2）分離出IGBT模塊在相應(yīng)負載電流下的開關(guān)損耗為

式中：fsw1和fsw2為2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；然后在得到Esw后，帶入式（2）可得到對應(yīng)電流下D1和T3管導(dǎo)通損耗功率之和，即通態(tài)損耗 Pcon=Pcon_D1+ Pcon_T3；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(dǎo)通損耗。

1.2 測試步驟

電容放電法測試流程如圖2所示。在變流器系統(tǒng)現(xiàn)場，系統(tǒng)停機時損耗測試步驟如下。

（1）測試準備：現(xiàn)場測量直流電容與負載電阻。

（2）直流電容充電：對變流器直流母線電容進行充電，使母線電壓略大于額定直流電壓。

（3）電源隔離：斷開變流器與輸入電源的電氣連接。

（4）產(chǎn)生控制信號。

（5）數(shù)據(jù)測量：在負載電流等于iL_ΔT的條件下，分別測量開關(guān)頻率 fsw1、fsw2條件下電容放電時間ΔT1、ΔT2。

（6）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)式（3）計算出該電流下被測器件的開關(guān)損耗Esw。

（7）改變被測條件：改變測試IGBT脈沖占空比，重復(fù)步驟（5）、（6），測量不同電流下器件的損耗情況。

（8）測量其他功率器件損耗:改變IGBT脈沖控制配置，重復(fù)步驟（2）～（7），可得出變流器所有功率器件在各種工況條件下的損耗情況。

圖2 電容放電法測試流程Fig.2 Flow chart of capacitor discharge testing method

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗以380 V/10 kW變頻器為研究對象，采用英飛凌1200 V/50 A功率模塊FF50R12RT4，通過直流電容放電法現(xiàn)場測量IGBT模塊的損耗特性。實驗系統(tǒng)如表1和圖3所示，其中直流電容和負載電阻通過電橋現(xiàn)場測量。

2.2 實驗測試法與數(shù)據(jù)手冊法

實驗測試法是目前工程上能夠較為準確測量IGBT模塊開關(guān)損耗的方法。利用高帶寬電流探頭測量IGBT模塊集電極電流Ic，高帶寬差分電壓探頭測量IGBT管壓降Vce，在IGBT開關(guān)過程中，通過對VceIc積分，得到IGBT模塊的開關(guān)損耗，如圖4所示。

數(shù)據(jù)手冊法是一種通過查閱IGBT功率模塊的技術(shù)手冊［11］計算模塊損耗的方法。該方法使用方便，但實際系統(tǒng)的參數(shù)與運行工況與手冊中數(shù)據(jù)往往不盡相同，導(dǎo)致實際損耗與數(shù)據(jù)手冊法計算得到的結(jié)果存在較大差異。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the experimental system

圖3 電容放電法測試實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system of the capacitor discharge testing method

表2是分別通過實驗測試法和數(shù)據(jù)手冊法得到的IGBT模塊器件在殼溫25°C時不同電流條件下的各種開關(guān)損耗（Eon_T2,Eoff_T2及Erec_D1），表中括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)手冊法與實驗測試法結(jié)果的相對誤差。結(jié)果表明數(shù)據(jù)手冊法計算得到的損耗數(shù)據(jù)與實驗測試法有較大偏差，不能準確反映實際變流器系統(tǒng)中IGBT模塊開關(guān)損耗的情況。

圖4 實驗測試法測量開關(guān)損耗的波形Fig.4 Waveforms of switching losses with the experimental testing method

表2 實驗測試法與數(shù)據(jù)手冊法測得的開關(guān)損耗（25°C）Tab.2 Switching losses comparison between the experimental testing and the datasheet methods（at 25°C）

數(shù)據(jù)手冊法損耗計算結(jié)果偏差較大的原因主要是由于實際系統(tǒng)雜散電感［12］與數(shù)據(jù)手冊不同。開通過程中，雜散電感導(dǎo)致開通過程管壓降Vce減小，開通損耗減??；而關(guān)斷過程中，雜散電感導(dǎo)致關(guān)斷電壓過沖Vce增加，關(guān)斷損耗增加。本實驗系統(tǒng)雜散電感比手冊中測試開關(guān)損耗時的雜散電感大，導(dǎo)致實驗測試的開通損耗比手冊小，而關(guān)斷損耗比手冊大。實驗結(jié)果驗證了采用數(shù)據(jù)手冊法計算IGBT模塊開關(guān)損耗的局限性。

2.3 電容放電法

設(shè)定IGBT模塊FF50R12RT4的額定直流工作電壓為600 V，選擇U1=610 V～U2=590 V作為直流電容的放電區(qū)間。在負載電感的作用下，放電區(qū)間內(nèi)負載電流iL變化不大，可將負載電流的平均值iL_ΔT近似作為該區(qū)間IGBT模塊的工作電流。利用電容放電法測得的直流電容電壓Vdc及負載電流iL波形如圖5所示。

以殼溫25°C時負載電流等于30 A為例，當(dāng)開關(guān)頻率為fsw1=4 kHz時，T2管控制信號的占空比D= 2.71%，記錄直流電容由610 V放電到590 V的時間ΔT1=18.0 ms。改變開關(guān)頻率fsw2=8 kHz，D=2.68%（忽略調(diào)節(jié)占空比D引起的導(dǎo)通損耗的變化），使放電區(qū)間內(nèi)運行電流的平均值保持30 A不變，測得電容放電時間ΔT2=17.2 ms。由于開關(guān)損耗的變化，導(dǎo)致放電時間變化，根據(jù)式（2）和式（3）可以得到額定直流電壓條件下，運行電流為iL_ΔT=30 A時的通態(tài)與開關(guān)損耗分別為Pcon=79.74 W和Esw=5.61 mJ。

表3是不同溫度條件下實驗測試法與電容放電法得到的IGBT模塊開關(guān)損耗Esw及其相對誤差。分析表中數(shù)據(jù)可知:電容放電法測得的結(jié)果與實驗測試法測得結(jié)果的誤差小于10%。

圖5 電容放電法測試波形Fig.5 Waveforms of the capacitor discharge testing method

表3 電容放電法與實驗測試法測得的開關(guān)損耗Tab.3 Comparison of switching losses between the capacitor discharging and experimental testing methods

表4比較了電容放電法測得的模塊導(dǎo)通損耗Pcon與數(shù)據(jù)手冊法計算的結(jié)果。分析表中數(shù)據(jù)可知：電容發(fā)電法測得的通態(tài)損耗與數(shù)據(jù)手冊法相比誤差小于10%。由于實際系統(tǒng)參數(shù)（如門極電阻、直流電壓、雜散電感等）對IGBT與二極管導(dǎo)通損耗影響不大，因此數(shù)據(jù)手冊法計算的導(dǎo)通損耗與實際導(dǎo)通損耗偏差不大，接近理論值。表3～表4的實驗結(jié)果驗證了利用直流電容放電現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗方法的可行性與有效性。

圖6為電容放電法測得的IGBT模塊開關(guān)損耗隨殼溫變化的情況。由圖可知，隨著溫度的上升，IGBT模塊的開關(guān)損耗相應(yīng)增加。在實際系統(tǒng)中，IGBT模塊失效過程大多引起模塊溫度上升。通過現(xiàn)場測量功率器件損耗變化的情況，可及時診斷出模塊內(nèi)部健康狀態(tài)信息，防止變流器系統(tǒng)災(zāi)難性故障的發(fā)生。

表4 電容放電法與數(shù)據(jù)手冊法測得的通態(tài)損耗Tab.4 Comparison of conduction losses between the capacitor discharging and the datasheet methods

圖6 電容放電法測得的不同殼溫條件下開關(guān)損耗Fig.6 Switching losses measured by capacitor discharge testing method at different temperatures

3 結(jié)語

本文提出一種利用直流電容放電現(xiàn)場測量變流器IGBT模塊損耗的方法。實驗研究表明：由于雜散電感等參數(shù)不同，實際系統(tǒng)中IGBT模塊的開關(guān)損耗與數(shù)據(jù)手冊法計算的結(jié)果存在較大差異，而電容放電法能較準確地測出模塊不同條件下通態(tài)與開關(guān)損耗的數(shù)據(jù)（誤差小于10%）。所提方法無需修改變流器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，能在工程現(xiàn)場準確方便地測量IGBT模塊損耗的情況，可用于優(yōu)化變流器運行性能以及診斷IGBT模塊早期故障。

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On-site Measurement of IGBT Module Lossesin Power Converter System by Discharging DC Capacitor

NING Chen1,XIANG Dawei1,SUN Bill2
(1.Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.Wuhan Woostar Electric Science and Technology Co.Ltd.,Wuhan 430345,China)

This paper presents a new on-site testing method for IGBT power loss in order to overcome the shortcomings of traditional method with large error or difficulty in engineering implementation.The method can be applied to verify the performances of converter or diagnosethe early fault of power modules by measuring the losses characteristic of IGBT module on-site by discharging DC capacitor.During the test,a DC capacitor discharging circuit is constructed by proper control of IGBTs inside the converter.Experimental study is carried out on a 380 V/10 kW variable frequency drive（VFD）with Infineon IGBT module FF50R12RT4 in this paper and the results prove the feasibility and effectiveness of the method.The proposed method take use of the existing DC capacitor and load inductance to perform the on-site losses testing when system is shutdown,so that it has advantages of no hardware modification,safe,simple and cost-effective.

power converter;capacitor discharge;IGBT module;power losses

寧晨

寧晨（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：ningchen76@sina.com。

向大為（1977-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子可靠性與狀態(tài)監(jiān)測、新能源發(fā)電、電機運行與控制，E-mail：xdw_cqu@sina.com。

孫林波（1980-），男，碩士，武新電氣公司研發(fā)總監(jiān)，研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，E-mail：slinbo@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.40

TM 46

A

2016-08-05

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(0800219334)。

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(0800219334).