一种自动计算IGBT模块回路杂散电感方法与流程

本发明涉及一种功率模组杂散电感计算技术领域，特别涉及一种自动计算igbt模块回路杂散电感方法。

背景技术：

igbt通常认为是由bjt和mosfet拼接在一起的，具有两者优点：通流能力强、饱和压降低、输入阻抗高和开关速度快等，成为电力电子行业中不可或缺的全控型半导体器件。随着igbt产品的不断更新迭代，其应用领域也在不断增加，此时能够耐受高电压、通大电流的压接式igbt也应用而生，该种类型igbt目前应用在柔性直流输电行业中，具有损耗低、散热良好的特点。

在柔性直流输电行业中，系统电压等级较高(高达几百千伏)，容量较大(达到gw级)，需要较多功率模组级联而成，而功率模组通常由压接式igbt、支撑电容和控制板卡等组装在一起，在功率模组的换流回路中，igbt的动作逻辑中的开通和关断速度非常快，特别是在关断过程中，由于igbt关断电流下降速度较快，产生较大的电流变化率di/dt，叠加在igbt回路中的杂散电感l上，会在母线电压上叠加一个电压尖峰，使得igbt两端电压增大，该电压尖峰的存在影响着igbt使用的可靠性。为降低电压尖峰，首先需要计算杂散电感l值，目前由于市面上相同电压、电流等级的厂家较多，同一功率模组需要安装不同厂家的igbt模块，不同厂家的igbt的开关特性不同、内部杂散电感也不同，造成igbt在开通和关断时的电压、电流波形也不同，再使用传统的开关过程求取电压下降平台δu和电流变化率di/dt，利用δu＝l*di/dt进行计算，存在人为经验影响因素，不能准确计算杂散电感l的可能，另外人为计算存在着开通和关断计算值不匹配，偏差通常在15％以上，为设计工作增加了一定的障碍。

技术实现要素：

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种自动计算igbt模块回路杂散电感方法，能够准确地计算开通过程和关断过程的igbt回路的杂散电感，并且两个过程计算出的杂散电感值匹配度较高，偏差在6％以内。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种自动计算igbt模块回路杂散电感方法，所述的igbt模块回路包括支撑电容、连接铜排、压接的上桥igbt和下桥igbt，支撑电容的+极通过连接铜排+与上桥igbt的c极相连，上桥igbt的e级与下桥igbt的c级相连，下桥igbt的e极通过连接铜排-与支撑电容的-极相连；所述的上桥igbt和下桥igbt中的其中之一为被测igbt，另一个为非被测igbt；

所述的方法包括如下步骤：

步骤一、设置用于测试的器件，包括：空心电感、柔性电流环、电压差分探头和可调直流电源；

1)空心电感为负载电感，连接在非被测igbt的交流端和正极端/负极端；

2)柔性电流环套在被测igbt的e极与连接铜排之间，监测被测igbt的电流；

3)电压差分探头监测被测igbt的e极与集电极c极之间的电压；

4)可调直流电源连接支撑电容的正负极，为换流装置提供能量；

步骤二、调节可调直流电源，使得支撑电容两端电压达到udc，给非被测igbt的g、e端施加负电压信号vge1，为被测igbt的g、e端施加脉冲信号vge2，监测被测igbt换流过程状态，截取相邻两个脉冲波形，从第一个脉冲的关断过程开始和第二个脉冲的开通过程后结束；

步骤三、使用软件编好的程序，对产生的波形提取关断过程t0～t1和开通过程t2～t3时刻内的电压vce和电流ic数据，分别对t0～t1和t2～t3内的电压与基准电压差值进行积分处理得到之后分别与对应的电流ic进行数据拟合处理得到拟合后的斜率k；k为杂散电感；

步骤四、对关断过程和开通过程的两个阶段拟合后得到的两个斜率值进行比较，并除以开通过程阶段的斜率值，若误差在设定值以内，测试数据满足要求。

进一步地，所述的步骤三的具体算法包括如下：

步骤301、利用被测igbt在换流过程中的开通过程和关断过程中相关数据，使用软件编程，自动对其电流ic和电压vce有用部分提取出来，关断过程中提取t0～t1时间内的波形，开通过程提取t2～t3时间内的波形；

t0为换流过程中关断时刻vce上升达到额定电压的10％，t1为换流过程中关断时刻ic下降到额定电流的2％；

t2为换流过程中开通时刻ic上升达到额定电流的10％，t3为换流过程中开通时刻vce下降到额定电压的2％；

步骤302、利用公式δu＝lδ×di/dt进行逆推导计算；

其中δu为提取时间内电压与初始电压差，di/dt为提取时间内的电流变化率；lδ为回路杂感；

公式两边对时间t0～t1或者t2～t3进行积分得到

或

将与i或者与i利用最小二乘法进行曲线拟合，曲线拟合中的k值为本次实验所要求的杂散电感lδ，并且开通过程求得的lδ与关断过程求得的lδ值接近吻合；

步骤303、最小二乘法进行曲线拟合，得出杂感k。

进一步地，最小二乘法进行曲线拟合过程如下：

把对电压积分和电流数据对应的点分别作为x、y，设φ(x)为近似函数，(xi，yi)(i＝1,2,3，…，n)作为数据点，要求选择φ(x)使得最小；该种拟合方法能够有效的求出x与y之间的关系，把离散的实验数据归纳总结为连续的函数，以利于进一步的推演分析；

由于lδ为定值，故可使用直线φ(x)＝k*x+b作为近似曲线，均方误差为

利用均方误差对k和b求导，利用极值法，求得最小的k和b，得到φ(x)的表达式，其中对k和b求导公式如下：

求得

其中k为杂散电感。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种自动计算igbt模块回路杂散电感方法，能够准确地计算开通过程和关断过程的igbt回路的杂散电感，并且两个过程计算出的杂散电感值匹配度较高，偏差在6％以内。

附图说明

图1为本发明中的压接式igbt下桥测试回路示意图；

图2为本发明中的igbt回路杂散电感示意图；

图3为本发明中的电压、电流探头位置和vge信号示意图；

图4为本发明中igbt电压、电流信号示意图；

图5为本发明中matlab编程逻辑；

图6为本发明中igbt开通过程与电流ic关系示意图；

图7为本发明中igbt关断过程与电流ic关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一种自动计算igbt模块回路杂散电感方法，如图1所示，所述的igbt模块回路包括支撑电容c、连接铜排、压接的上桥igbtt1和下桥igbtt2，支撑电容c的+极通过连接铜排+与上桥igbtt1的c极相连，上桥igbtt1的e级与下桥igbtt2的c级相连，下桥igbtt2的e极通过连接铜排-与支撑电容c的-极相连。

支撑电容：支撑电容为2个干式电容，容值为：9mf，额定电压un:2800v，最大耐受电压1.15倍*un，支撑电容在装置中在igbt换流动作中，起到提供换流能量，由于容值较大，所以母线电容的在换流完成后，母线电压保持不变，内部存在寄生电感。

连接铜排：该铜排为工程设计铜排，连接在支撑电容和igbt模块之间，在igbt回路中为杂散电感主要提供者。

igbt模块：该模块的规格参数为4500v/3000a，存在栅极(g极)、发射极(e极)和集电极(c极)，通过控制g极(小电压信号)信号来控制ce极(高电压、大电流)导通，为主要组成部件。

所述的上桥igbtt1和下桥igbtt2中的其中之一为被测igbt，另一个为非被测igbt；

由于上下桥在回路中的杂散电感相同，本发明以下桥igbtt2为例进行说明。

如图2所示，igbt功率模组回路中的杂散电感包括支撑电容c中的lδ1、连接铜排中的lδ2、lδ5和下桥igbtt2功率模块中的lδ4(上桥功率模块中的lδ3相等)，即lδ＝lδ1+lδ2+lδ4+lδ5。

所述的方法包括如下步骤：

步骤一、设置用于测试的器件，如图3所示，包括：空心电感l、柔性电流环i1、电压差分探头vvt和可调直流电源dc；

1)空心电感l为负载电感，连接在非被测igbt(图中上桥igbtt1)的交流端和正极端/负极端；电感值l为520nh，在igbt换流实验回路中，能够起到瞬间储存能量和释放能量的作用；

2)柔性电流环i1套在被测igbt(图中下桥igbtt2)的e极与连接铜排之间，监测被测igbt的电流；该电流环的量程为6000a；

3)电压差分探头vvt监测被测igbt的e极与集电极c极之间的电压；量程为7kv；

4)可调直流电源dc：电压调节范围为0～6kv，电流调节范围为0～0.1a，连接支撑电容的正负极，为换流装置提供能量，由于其调节电压范围较大，能满足不同电压工况(例如：2100v、2500v和2800v等)测试。

步骤二、监测下桥igbtt2管的电压vce和电流ic，调节可调直流电源dc，使得电容c两端电压达到udc(2800v)，给上桥igbtt1的vge1施加负电压信号，为下桥t2的vge2施加脉冲信号，监测igbt换流过程状态，截取相邻两个脉冲波形，从第一个脉冲的关断过程开始和第二个脉冲的开通过程后结束，如图4所示。

步骤三、使用matlab软件编好的程序，逻辑如图5所示，对产生的波形提取关断过程t0～t1和开通过程t2～t3时刻内的电压vce和电流ic数据，分别对t0～t1和t2～t3内的电压与基准电压差值进行积分处理得到之后分别与对应的电流ic进行数据拟合处理得到拟合后的斜率k；

开通过程曲线拟合如图6所示，关断过程曲线拟合数据如图7所示，对应的k值即为杂散电感，并且两者数据非常吻合，偏差在6％以内。

步骤四、对关断过程和开通过程的两个阶段拟合后得到的两个斜率值进行比较，并除以开通过程阶段的斜率值，若误差偏差在6％以内，测试数据满足要求。

所述的步骤三的具体算法包括如下：

步骤301、利用被测igbt在换流过程中的开通过程和关断过程中相关数据，使用软件编程，自动对其电流ic和电压vce有用部分提取出来，关断过程中提取t0～t1时间内的波形，开通过程提取t2～t3时间内的波形；

t0为换流过程中关断时刻vce上升达到额定电压的10％，t1为换流过程中关断时刻ic下降到额定电流的2％；

t2为换流过程中开通时刻ic上升达到额定电流的10％，t3为换流过程中开通时刻vce下降到额定电压的2％；

步骤302、利用公式δu＝lδ×di/dt进行逆推导计算；

其中δu为提取时间内电压与初始电压差，di/dt为提取时间内的电流变化率；lδ为回路杂感；

公式两边对时间t0～t1或者t2～t3进行积分得到

或

将与i或者与i利用最小二乘法进行曲线拟合，曲线拟合中的k值为本次实验所要求的杂散电感lδ，并且开通过程求得的lδ与关断过程求得的lδ值接近吻合；

步骤303、最小二乘法进行曲线拟合，得出杂感k。

最小二乘法进行曲线拟合过程如下：

把对电压积分和电流数据对应的点分别作为x、y，设φ(x)为近似函数，(xi，yi)(i＝1,2,3，…，n)作为数据点，要求选择φ(x)使得最小；该种拟合方法能够有效的求出x与y之间的关系，把离散的实验数据归纳总结为连续的函数，以利于进一步的推演分析；

由于lδ为定值，故可使用直线φ(x)＝k*x+b作为近似曲线，均方误差为

利用均方误差对k和b求导，利用极值法，求得最小的k和b，得到φ(x)的表达式，其中对k和b求导公式如下：

求得

其中k为杂散电感。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。