文献标志码：A
2016 年 11 月
Journal o* Power Supply
中图分类号：TM46
DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.40
利用电容放电现场测量变流器
IGBT模块损耗
宁晨、向大为、孙林波2
(1.同济大学电气工程系，上海201804;2.武汉武新电气科技股份有限公司，武汉430345)
摘要：为克服传统方法存在误差较大或工程实施困难的不足，提出一种变流器IGBT模块损耗现场测量的新 方法。该方法利用直流电容放电过程现场对变流器IGBT功率模块的损耗特性进行测试，以验证变流器性能或诊断 功率模块早期故障；通过适当控制变流器内各个IGBT导通与关断，构成直流电容Buck放电电路实施损耗测试。 采用英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4搭建的380 V/10 kW变频器进行了实验研究，实验结果验证了该 方法的可行性与有效性。现场测试方法充分利用变流器停机间隙和电容储能对负载电感放电进行测试，无需额外 增加硬件，具有经济、方便、安全等优点。
关键词：变流器；电容放电；IGBT模块；损耗
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)
Abstract： 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.
Keywords: power converter; capacitor discharge; IGBT module; power losses
变流器作为电能变换系统中的重要部分，广泛 应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通等新兴领域 中[1]。作为变流器系统的核心部件，IGBT综合了 GTR
收稿日期：2016-08-05
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目
和M0SFET两者的优点，具有开关频率高、驱动功率 小、输人阻抗高、通态电阻小等优点。随着电力电子技术的发展，IGBT正朝着高频化、大功率化以及高 集成化方向发展，这使得业界对IGBT模块的损耗特 性越来越关注。 件发 有重要
损耗对系统性能包括效率与器
(0800219334)。
Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(0800219334).
，
高的
IGBT
块的老化，降低系统的可靠性[2-3]。准确获得IGBT损
第6期宁晨,等:利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗
41
耗数据，对于系统的结构设计、变流器效率、散热器 的选择以及器件的寿命预测至关重要[4#5]。
目前，国内外学者对I
GBT
模块损耗的计算方
法进行了深人研究，现有方法主要包括物理模型 法、实验测试法和数据手册法[6-w]。物理模型法利用 仿真软件计算IGBT
模块损耗，通过器件半导体物 理模型模拟I
GBT
的动静态特性，并仿真计算不同 运行条件下器件的各种损耗。以开关损耗计算为 例，首先仿真得到I
GBT
开通关断波形，再通过开关
过程中电流电压乘积的积分得到开关损耗[6+8]。这 种方法的优点是能精确模拟了器件运行的实际条 件，缺点是需要用户对器件结构和各种参数有深人 理解，工程实际应用较为困难。实验测试法利用高 速电流、电压探头测试I
GBT
模块各种损耗。以开关
损耗为例，通过对实测得到的电流电压开关波形的 乘积进行积分可获得I
GBT
开通、关断以及二极管
反向恢复损耗的数据[9]。该方法较为准确且能够反 映实际系统中各种因素（如门极电阻、温度、寄生参 数、直流电压等)对IGBT
模块损耗的影响。但由于
功率模块
变流器内部，IGBT
电流（集电极电
流)很难直接测量，因此该方法实际工程应用困难。 数据手册法是 据 I
GBT
数据手册 算损耗
的方法。文献[10]提出了利用手册给出的能量曲线 计算不同温度、门极电阻时器件损耗的方法。该方 法简单方便，但由于实际系统与生产商测试时系统 的 数
有
，
。
为克服传统方法存在的不足，本文研究了一种 通过直流电容放电现场测量变流器I
GBT
模块损耗
的方法，相关工作对优化变流器的性能以及诊断功 率器件早期故障具有实际工程意义。
1变流器IGBT模块损耗现场测试 方法
1.1测试原理
IGBT
模块损耗现场测试方法或电容放电法的
基本思想是:利用变流器直流电容放电并根据能量 守恒定律计算变流器中I
GBT
模块的各种损耗。
电容放电法的测试原理如图1所示，图中，T.、
T
2为
A
相上下管，T3、T4为
B
相上下管，T$、T!为
C
相上下管。选取A相下管T2管为被测器件，通过适 当的门极脉冲配置，在变流器系统现场可以构成以
T/管为开关管，D.为续流二极管，电流!4通过负载 B
相和A相的直流电容B
uck
放电电路。其具体方
法为:控制Ti保持常通，Tl、T4、T5、T6管保持常闭，T2 管施加恒定占空比的P
W
M
脉冲。通过改变被测开
关管的控制信号占空比，可控制直流电容放电电流 的大小，让被测开关管处于不同电流工作状态。依 此类推，同理可构造出以其它IGBT
作为被测器件
的 Buck 路。
变流器
根据能量守恒定律，直流电容放电过程中电容 能量主要消耗于：Di、T/、Ti管的导通损耗，T/管的 开关损耗和D.管的反向恢复损耗，以及负载电阻的 热损耗。能量守恒定律为
^ C(U1~U2 )；[%300,3. ( 1 -&)+'3〇n_T
2 D+P3〇n_T
3 +
2
((on_T2 +(off_T2 +(rec_Di }/Fw+!L-A+, ] ! +
⑴
式中（-为直流电容；$1、$2为直流电容放电区间的 上下限值;.为T2管控制信号的占空比;,为负载 电阻;/sw为T2管开关频率;A+为电容放电时间，!4_a+ 为负载电流!4在放电区间内的平均值;P^D.、Pc〇=_T2、
Pc〇n_Ti
分别为Di、T2、Ti的导通损耗功率;（^、（^、
(ec_Di分别为T2管的开通、关断损耗以及二极管Di 的反向恢复损耗。一般取U
i
略大于变流器额定直
流电压而$2略小。在放电区间内，由于!4变化不大 且呈线性，可近似认为被测器件处于恒电流!4_A+工 作条件下。
由于实际系统中负载电阻阻值通常很小，因此
42电源T&占空比很小，可忽略T&导通损耗，而近似认为D%
处于恒导通状态。式（1)可进一步简化得
%
)=[( %c〇i_D%+&__t3 ) 3 ( '〇n_T2+(〇ff_T2 +(■_dX
+)8-!*+]A*
(2)
进一步分离出IGBT模块中的通态损耗与开关 损耗。首先，由于改变开关频率会导致开关损耗发 生变化，因此通过记录不同开关频率下直流电容放 电时间的变化，可以根据式（2)分离出IGBT模 块在相应负载电流下的开关损耗为
'sw='on_T2 +'off_T2 +'rec_D% =
_J
_ C($1-$2 )(!*「!*)
(4)
/sw2-/sw1 2A*iA*2
式中:/#wi和/s$2为
2
次实验采用的开关频率；a*%、
AK
为相应开关频率下直流电容的放电时间；然后
在得到后，带人式（2)可得到对应电流下D%和
T3
管导通损耗功率之和，即通态损耗&con=&con_D1 + &con_T3;最后，通过改变被测IGBT的占空比，可调节
电流，得到IGBT模块在不同电流下的开关和
导通损耗。
1.2测试步骤
电容放电法测试流程如图2所示。在变流器系 统现场，系统停机时损耗测试步骤如下。
(1) 测试准备:现场测量直流电容与负载电阻。(2)
直流电容充电：对变流器直流母线电容进
行充电，使母线电压略大于额定直流电压。
(3) 电源隔离：断开变流器与输人电源的电气。
(4) 产生控制信号。(5)
数据测量：在负载电流等于）8_a*的条件下，分别测量开关频率/„%、!$2条件下电容放电时间
A*i、A*2。
(6)
数据处理：根据式（3)计算出该电流下被测
器件的开关损耗'#$。
(7) 改变被测条件：改变测试IGBT脉冲占空 比，重复步骤（5)、（6)，测量不同电流下器件的损耗
。
(8) 测量其他功率器件损耗:改变IGBT脉冲控
学报
总第68期
测试准备（现场测量直流
电容和负载电阻）直流电容充电到指定值
|隔离胃电源|
以开关频率
以开关频率/sw1运行
“运行
I调整信号占空M
---®行电流n9''-
指定值^
|记录数据|
I计算损耗I
图2
电容放电法测试流程
Fig.2 Flow chart of capacitor discharge testing method
制配置，重复步骤(2)!(7)，可得出变流器所有功率器件在各种工况条件下的损耗情况。
2实验研究
2.1实验系统
实验以380 VAO kW变频器为研究对象，采用
英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4，通过
直流电容放电法现场测量IGBT模块的损耗特性。 实验系统如表1和图3所示，其中直流电容和负载 电阻通过电桥现场测量。
2.2实验测试法与数据手册法
实验测试法是目前工程上能够较为准确测量 IG BT模块开关损耗的方法。利用高带宽电流探头
测量IGBT模块集电极电流-/，高带宽差分电压探 头测量IGBT管压降.ce，在IGBT开关过程中，通过
对.乂积分，得到IGBT模块的开关损耗，如图4 所
。
数据手册法是一种通过查阅IGBT功率模块的 技术手册%11&计算模块损耗的方法。该方法使用方 便，但实际系统的参数与运行工况与手册中数据往
相同，导致实际损耗与数据手册法计算得到
第6期宁晨，等#利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗43
表1系统参数Tab.l Parameters of the experimental system
参数
数值
IGBT模块型号FF50R12RT4
负载电感！/mH4.6负载电阻\"/!0.422直流电容C/\"F723直流侧额定电压$d0/V600门极驱动电压$ge/V一8〜+15
门极电阻\"/!
15图3
电容放电法测试实验系统
Fig.3 Experimental system of the capacitor discharge
testing method
的结果存在较大差异。
表2是分别通过实验测试法和数据手册法得 到的IGBT模块器件在壳温25°C时不同电流条件 下的各种开关损耗(％n_T2,%rff_T2及％«=€_>；)，表中括号内 的数据为数据手册法与实验测试法结果的相对误 差。结果表明数据手册法计算得到的损耗数据与实 验测试法有较大偏差，不能准确反映实际变流器系
(
逛/(v逛oe)T —( 0T 逛
/)aT
/1oolor/l
,(500 ns/ )
图4
实验测试法测量开关损耗的波形
Fig.4 Waveforms of switching losses with the
experimental testing method
表2实验测试法与数据手册法测得的开关损耗(25°C)
Tab.2 Switching losses comparison between the experimental testing and the datasheet methods
(at 250C)
方法&l/A%„n_T2/mJ%„f_T2/mJ^UVmJ100.60.60.7实验测200.91.41.1试法
301.42.41.510
1.14(+90%)0.56(-6.7%)0.72(:2.9%)数据手201.8(+100%)1.11(-20.7%)1.22(:10.9%)册法
30
2.7(+93%)
1.56(-53.8%)
1.53(:2%)
中IGBT模块开关损耗的 。
数据手册法损耗计算结果偏差较大的原因主 要是由于实际系统杂散电感[12]与数据手册不同。开 通过程中，杂散电感导致开通过程管压降减小， 开通损耗减小；而关断过程中，杂散电感导致关断 电压过冲$47增加，关断损耗增加。本实验系统杂散 电感比手册中测试开关损耗时的杂散电感大，导致 实验测试的 通损
手册 ， 损 手册
大。实验结果验证了采用数据手册法计算IGBT模 块开关损耗的局限性。
2.3电容放电法
设定IGBT模块FF50R12RT4的额定直流工作 电压为600 V，选择'1=610 V~'2=590 V作为直流电容的放电区间。在负载电感的作用下，放电区间 内负载电流^变化不大，可将负载电流的平均值 &m_#t近似作为该区间IGBT模块的工作电流。利用电容放电法测得的直流电容电压$34及负载电流
5。
以壳温25°C时负载电流等于30 A为例，当开 关频率为/sWi=4 kHz时，T2管控制信号的占空比）=
2.71%，记录直流电容由610 V放电到590 V的时
间 A*i=18.0 ms。改变开关频率/sW2=8 kHz，）=2.68% (忽略调节占空比）引起的导通损耗的变化#，使放 电区间内运行电流的平均值保持30 A不变，测得
电容放电时间A*2=17.2 ms。由于开关损耗的变化， 导致放电时间变化，根据式(2)和式(3)可以得到额 定直流电压条件下，运行电流为&m_a*=30A时的通
电 源V/H3
a、/
m
2.
w
/v
#
7««
52«5#据一:
0.01 0.02
0.03
0.04 0.05 0.06
时间'/s
图5
电容放电法测试波形
Fig.5 Waveforms of the capacitor discharge
testing method
态与开关损耗分别为#_>79.74 W和！+>5.61 mj。
表3是不同温度条件下实验测试法与电容放 电法得到的IGBT模块开关损耗！+及其相对误 差。分析表中数据可知:电容放电法测得的结果与 实验测试法测得结果的误差小于10%。
表3
电容放电法与实验测试法测得的开关损耗
Tab.3 Comparison of switching losses between the capacitor discharging and experimental testing methods
方法\"l/A!s„/mJ(250C)
!s„/mJ(80〇C)
实验101.93203.44.85测试法
305.37电容
101.74(-8.4%)2.76(-8%〇)203.31(-2.6%)5.04(+3.9%)放电法
30
5.61(+5.8%〇)
7.34(+4.9%)
表4比较了电容放电法测得的模块导通损耗 与数据手册法计算的结果。分析表中数据可知:
电容发电法测得的通态损耗与数据手册法相比误 差小于10°%。由于实际系统参数(如门极电阻、直流 电压、杂散电感等％对IGBT与二极管导通损耗影响 不大，因此数据手册法计算的导通损耗与实际导通 损耗偏差不大，接近理论值。表3#表4的实验结果 验证了利用直流电容放电现场测量变流器IGBT模 块损耗方法的可行性与有效性。
图6为电容放电法测得的IGBT模块开关损耗 随壳温变化的情况。由图可知，随着温度的上升，
IGBT模块的开关损耗相应增加。在实际系统中， IGBT模块失效过程大多引起模块温度上升。通过
学 报 总第68期
表4电容放电法与数据手册法测得的通态损耗
Tab.4 Comparison of conduction losses between the capacitor discharging and the datasheet methods方法\"l/A$roi/W(25〇C)
$COI/W(80〇C)
数据102221205252手册
3088.289.25电容1022.18(+0.8%)19.3(-8.1%)2051.2(-1.5%)46.81(-10%)放电法
30
79.74(-9.6%)
81(-9.2%)
图6
电容放电法测得的不同壳温条件下开关损耗
Fig.6 Switching losses measured by capacitor discharge testing method at different temperatures
测 器件损耗 ， 可及
模块内部健康状态信息，防止变流器系统灾难性故
发
。
3结语
本文提出一种利用直流电容放电现场测量变
流器IGBT模块损耗的方法。实验研究表明：由于杂 散电感等参数不同，实际系统中IGBT模块的开关 损耗与数据手册法计算的结果存在较大差异，而电 容放电法能较准确地测出模块不同条件下通态与 开关损耗的数据(误差小于10°%)。所提方法无需修
流器系统 件结 ， 方
测量IGBT模块损耗 ，可用于优化变流器运
行性
及
IGBT 模块
。
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宁晨,等:利用电容放电现场测量变流器IBBT模块损耗
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作者简介：
宁晨（1990-)#男，硕士研究生，研 究方向：电力电子与电力传动，E-mail:
ningchen76@sina.com %
向大为（1977-)，男，博士，副教授， 研究方向：电力电子可靠性与状态监测、 新能源发电、电机运行与控制，E-mail:
xdw_cqu@sina.com %
孙林波（1980-)，男，硕士，武新电 气公司研发总监，研究方向：电力电子在 电力系统中的应用，E-mail: slinbo@163.
com %
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