三相逆变系统中IGBT模块功率循环实验设计

李晓光

（国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北 沧州 061113）

三相逆变系统中IGBT模块功率循环实验设计

李晓光

（国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北 沧州 061113）

由于风力发电系统的电流器中IGBT模块寿命主要受风速随机性和内部温度变化的影响，采用电压型三相SPWM逆变电路的结构对IGBT模块功率循环实验进行设计，搭建功率循环系统实验平台，通过分析其输出结果，验证了实验平台可以很好的模拟IGBT实际工作环境，对研究IGBT功率循环的失效分析有着重要意义。

三相逆变系统；功率循环；实验平台

0　引言

随着风力发电的成熟以及市场的不断扩大，风力发电正逐步实现产业化和规模化。而风力发电系统中换流器的IGBT模块是系统运行中可靠性最薄弱的环节，IGBT不断的工作在开通关断状态下，会导致温度高低不停的变化，从而产生温差，温差越大功率循环次数越低。因此搭建功率循环实验平台模拟以上情况的出现，对研究功率循环和温度变化带来的损伤对IGBT寿命的影响有着十分重要的意义［1］。

目前的研究多是针对功率循环与IGBT寿命的关系。文献［2］采用功率循环测试对IGBT进行加速寿命实验来研究循环次数与电压、温度间的关系。文献［3］运用功率循环技术对功率模块的疲劳寿命进行了预测。文献［4］提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法，研究了风速对功率循环能力的影响。文献［5］利用电子设备评估模型，对IGBT模块的功率循环能力进行了评估。以上文献均未对功率循环系统搭建进行说明。采用电压型三相SPWM逆变电路结构对模型进行设计，根据此模型搭建三相逆变系统实验平台，通过仿真实验，对其工作原理、控制电路及谐波等进行分析，为研究IGBT模块的电气性能及逆变系统的运行可靠性奠定了良好的基础。

1　三相逆变系统设计

逆变具有实现直流电转换成交流电的功能。逆变系统是通过电力电子装置的导通与关断完成逆变的开关电路。控制电路是产生和调节脉冲的电路，产生的脉冲是由改变电压信号来改变的，这些脉冲可以用来驱动电力电子器件的通断。在逆变电路中，除了逆变电路和控制电路外，还有输入电路、保护电路和输出电路。

由于逆变主电路输入要求为稳定的直流电，输入电路主要功能为将交流电转变为直流电。为使得到的电压平稳，还应采用滤波器。输出电路包括滤波电路和负载电路，隔离式逆变系统的输出电路前还有隔离变压器。控制电路是根据输出的波形的要求来生成一系列脉冲，通过改变脉冲信号，来控制IGBT模块的导通和关断，从而完成逆变。保护电路主要包括：输入过压、欠压保护，输出过压、欠压保护。逆变电路是由开关管、电阻、电感和电容等器件组成的变换电路，以下研究主要使用隔离式逆变器。

三相逆变主体结构采用三相全桥逆变，以得到三相逆变波形。由于输入电源为220 V的交流电，用5 k W，1∶1的隔离变压器将220 V交流电与设计电路隔离。用75 A，220 V的全控整流模块将其整流，得到直流电流。在整流回路中放置一个负反馈环节使输出电流更加稳定。在输入电路中并联3 000μF/450 V的电容，对输入电流进行直流滤波，来消除输入电流中的高次谐波。在SPWM三相全桥逆变环节中，将逆变输出连接电感、电容，进行LC滤波，来避免输出电流有高次谐波。实验连接断相过流保护器保护输出电流。其中在SPWM三相逆变器调制电路中，连接IGBT过流报警，使其起到对IGBT进行保护。加60～380 V隔离变压器将输出的60 V左右的电压转换成380 V。将0～80Ω的三相可调负载连接进电路，并测负载两端的电压，完成三相逆变器的设计。三相逆变电路结构图如图1所示。

2　三相逆变器主要硬件的选取

2.1断相过流保护

逆变后的三相电路需要经过变压器升压以达到380 V，为了保证变压器的正常工作，需要对三相电路进行保护。使用BHQ-Y式电动机断相保护装置，它利用电磁感应和电流平衡控制方法的原理，可以快速切断额定电流内缺相故障的电源，达到保护电动机的目的。

2.2电压负反馈模块

为了使整流模块输出的电压更稳定，需要增加负反馈模块来稳定输出电压。选用直流电压负反馈模块，其工作原理为：从整流模块输出的电压负反馈信号，在负反馈模块中，通过隔离与检测，经PID运算的控制电压Ug信号会产生无静差的控制信号CON，这个产生的控制信号CON会作用于整流电路的控制端，使整流电路输出电压不会随着外界因素变化，只随Ug线性改变。在电压负反馈模块中，强电压完全与人工直接控制部分电隔离，所以负反馈模块可以安全方便地进行控制。

2.3IGBT驱动电路

选取PSHI23系列驱动器来控制驱动电路。其具有发生短路时的软开断功能和电气隔离等特点。被广泛应用于单路或桥式电路、变频器、大功率高频开关电源灯领域。

输入电平选择电路的输入信号分为5 V或15 V，而且可以整形输入信号通过输入信号与一个电平进行比较，使驱动电路抗外界干扰的能力得到提升。为了防止在半桥模式时，IGBT上下两管同时导通。使用互锁电路，其原理是使上下管之间能够形成死区时间。输入缓冲电路是用来转换输入信号，使其达到变压器传递信号的要求，还可以保证别的信号不能被传输到输出侧。如果发生IGBT过流或母线电压欠压，故障记忆电路便会切断并锁住IGBT的信号，并输出故障信号。一旦发生供电电压低于13 V的工作情况，欠压检测电路将切断所有IGBT的输入信号。VCE监控电路通过监测IGBT的电压VCE来监测短路故障。

3　三相逆变模型仿真及实验结果

对设计电路进行仿真，取UV相负载电阻电压进行仿真。仿真结果如图2所示。

电压、电流谐波畸变的准确计算和测量非常重要。设基波电流有效值为I1，总的电流有效值为I，则电流谐波畸变率如式1所示。

式中：γ为输入电流的波形畸变因数。

整流部分要选择合适的电路拓扑，才能够达到预期的谐波标准。THD（总谐波失真）是指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，它通常用百分数来表示。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。它是一个测量波形偏离纯正正弦波程度的数值，其值越大，波形失真度越大，波形畸变越严重。

三相负载均选80Ω，IGBT并联电容0.47 μF。将逆变后的电压进行LC滤波，每相串联2 m H电感，并联50μF/750 V电容，将变压后的电压也进行滤波，每相并联0.47μF电容，三相负载均改为40Ω。输出波形为其中UV相输出电阻两端的电压，经过滤波后，波形较好，符合输出要求，并且谐波畸变率为2%～3%，小于5%，符合逆变结果要求。

功率循环实验重要参数设置如表1所示。

表1　功率循环实验重要参数设置

取20μs为单位，t1为导通延迟时间、t2为上升时间、t3为开通时间、t4为关断延迟时间组成一个开断周期。即：T=t1+t2+t3+t4

一个周期内，IGBT的功率P=P1+P2+P3+P4（P1、P2、P3、P4分别为时间1、2、3、4段的功率）。

每个周期内共采集n个点的电流与电压。所以一个周期内的IGBT的总功率为P。

IGBT的PWM输入波形中，每相的上下桥臂严格按照不能同时开启的原则，死区时间设为1μs。

经过逆变及LC滤波后波形如图3所示，输出的波形非常平稳，符合实验要求。

设计的基于IGBT模块的三相开环逆变功率循环系统实验装置可以模拟IGBT模块实际工作情况，对研究IGBT模块的重要电参量（门极电压VGE、门极电流Ic、集射极电压VCE、集电极电流Ic以及开关损耗等）与其壳温（Tc）和结温（Tj）的关系，打下了良好的基础。

图3　实际输出三相波形

4　结束语

通过对三相逆变系统中IGBT模块功率循环实验电路的仿真，得到了稳定平滑的三相波形。搭建了功率循环系统实验平台，验证了实验系统可以用来模拟IGBT实际工作环境，对研究IGBT模块的壳温和结温等重要电参数，及老化实验有着重要意义。

［1］ 杨 旭.基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［2］ 李世平，黄 蓉，奉 琴，等.IGBT模块功率循环能力与可靠性实验［J］.机车电传动，2015（3）：15-18.

［3］ 姚二现，庄伟东，常海萍.IGBT模块功率循环疲劳寿命预测［J］.电子产品可靠性与环境实验，2013（2）：12-17.

［4］ 李 辉，秦 星，刘盛权，等.双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估［J］.电力自动化设备，2015（1）：6-12.

［5］ HIRSCHMANN D，TISSEN D，SCHRODER S，et al.Reliability prediction for inverters in hybrid electrical vehicles［J］.IEEE Transcations on Power Electronics，2007，22（6）：2511-2517.

本文责任编辑：靳书海

Design of IGBT Module Power Cycling Test in Three-phase Inverting System

Li Xiaoguang
（State Grid Hebei Electric Power Corporation Cangzhou Power Supply Branch，Cangzhou 061113，China）

In the wind power generation system，because of the wind speed changing constantly，the IGBT module in the converter is constantly affected by the power cycle，and the temperature changing caused by heating gradually tends to failure.In this paper，the structure of the three-phase SPWM inverting circuit is used to design the IGBT module function cycle test.The test platform of three-phase inverting system is built according to the simulation model，and the output results are analyzed，which verifies that the test platform can simulate the actual working environment of IGBT.The power cycling test platform has important significance for the study of IGBT failure analysis.

three-phase inverting system；power cycling；test platform

TM322.8

A

1001-9898（2016）02-0032-03

2015-10-16

李晓光（1983-），男，助理工程师，主要从事电能计量及智能电表现场检定工作。