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用于高达10kA功率扼流圈测量的晶闸管脉冲发生器

2022-06-24 15:00:03 JC Sun和Christian Teske 阅读:
Bs&T Frankfurt am Main GmbH公司开发了一种基于晶闸管的新型脉冲发生器,并在各种感性功率器件上进行了测试。该脉冲发生器具有一些得益于晶闸管高脉冲电流处理能力的独特特性,与基于IGBT的系统相比,它具有一些主要优势。

电力电子的问题之一是确定电感器在其去饱和-饱和过渡期间的特性。这对于电感饱和会引起致命后果的大功率应用尤其如此。由于磁芯材料的非线性特性,电感特性的计算很困难,而且由于制造公差、数据手册规格不精确以及材料特性的变化等原因,电感特性的计算往往也不一致。因此,通常需要测量功率扼流圈和电感器的饱和特性L(i)和dL/di,以便确定它们在最坏情况下的电气特性。Yhaednc

为避免使用重型测试设备和大功率负载,解决此问题的方法之一是在短时间(即几毫秒到100毫秒)内将大功率脉冲施加到测试样本上。产生的电流和电压波形就可用于确定被测设备(DUT)的相关属性。为此,可使用大功率晶闸管(SCR)驱动非常大的脉冲电流通过电感器并产生去饱和-饱和过渡,从而实现测试样本的大负载测量和最坏情况记录。由于更高的脉冲电流处理能力,晶闸管通常比IGBT更适合此目的。Bs&T公司已基于该技术针对各种应用开发了多种脉冲发生器。Yhaednc

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图1:测试期间的Bs&T脉冲发生器。Yhaednc

Bs&T脉冲发生器的基本原理

对于测量功率扼流圈或任何其他类型的电感器,其基本工作原理是在短时间内向DUT施加一定量的能量,驱动它通过双向饱和-去饱和过程,并从该过渡中提取出相关的电学特性。这是通过将电容器组充电到一定的电压/能量水平来实现的。该电压脉冲通过一个晶闸管开关施加到DUT,然后与内部电感器一起形成一个谐振电路。根据DUT特性,此电压脉冲将导致电流上升,通过使用Pearson型非接触式电流探头进行电流测量,就可以从中提取出与电流相关的电感L(i)和功率耗散损耗Pdiss。由于晶闸管具有出色的脉冲电流处理能力,测试样本可以用几千安培驱动,如果需要,甚至可以超过10kA。与晶闸管反向并联的二极管保证了测试样本的双向饱和-去饱和转变。这是Bs&T脉冲发生器的独特特性,任何其他扼流圈测试设备都无法满足。Yhaednc

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图2:Bs&T脉冲发生器的基本工作原理。Yhaednc

目前,有几种Bs&T脉冲发生器可用,它们涵盖了广泛的脉冲能量和充电电压(表1)。脉冲电流可高达10kA甚至更高。所有脉冲发生器都是短路安全的,这意味着如果输出因任何原因短路,电容器组都会安全放电,而不会损坏内部元器件。Yhaednc

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*对于晶闸管脉冲发生器,脉冲长度定义为每个脉冲记录的测量数据长度。Yhaednc

表1:Bs&T Pulse当前版本的性能数据。Yhaednc

与其他测量方法的区别

最近,有一些出版物详细阐述了IGBT脉冲发生器和基于晶闸管的系统之间的区别,声称IGBT系统的关断能力使其更加优越。关于脉冲生成和DUT饱和的基本物理原理,实际上差别不大。要了解这一点,只需将图2中的晶闸管二极管组合替换为IGBT即可——它们基本相同。两种系统都将电能存储在电容器组中,并通过某种开关(IGBT或晶闸管)将DUT连接到电能存储系统。因此,这两个系统中都创建了一个带有非线性电感器的临时谐振电路。然而,基于IGBT的系统通常会在电感器完全饱和之前关闭,从而防止IGBT受到大浪涌电流破坏。这就是使用基于IGBT的脉冲发生器需要指定脉冲宽度的原因。图3是使用Bs&T晶闸管脉冲系统进行的测量。跟随电流波形直到电感尚未饱和,两个系统的结果大致相同。然后,基于IGBT的系统将在定义的脉冲宽度后关闭——最好是在饱和前不久——而基于晶闸管的系统则可以保持开启。Yhaednc

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图3:使用晶闸管脉冲发生器测试的功率扼流圈的典型电压电流波形。注意电压反转时的第二次饱和-去饱和转变。Yhaednc

就测得的电压和电流波形而言,在发生饱和的时刻,没有大的差别。但是,对于基于IGBT的系统,为了防止IGBT受到浪涌电流破坏,操作人员需要提前定义一些脉冲宽度。基于晶闸管的系统不会出现这个问题,因为晶闸管具有比IGBT高得多的浪涌电流处理能力。因此,在剩下的时间里——这不一定与实际电感测量相关——电容器将通过DUT放电以产生几次饱和-去饱和转变,这有助于确定电感在极端或故障条件下的特性。此外,DUT的损耗可以通过阻尼曲线确定,这是其他脉冲系统无法实现的。因此,与基于IGBT的脉冲发生器相比,使用基于晶闸管的系统进行这种单一测量可以获得更多的信息。表2给出了比较。Yhaednc

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表2:基于IGBT的脉冲发生器与基于晶闸管的脉冲发生器对比。Yhaednc

一般来说,基于IGBT的系统的问题归结为IGBT的低浪涌电流处理能力,这需要在测量开始时定义脉冲宽度。对于基于晶闸管的系统,这不是必需的。用户只需要定义放电电压/能量,就可以在测量波形中看到从去饱和到饱和的过渡期(见图3)。因此,当可以在最坏情况下测量最大脉冲宽度(可以在饱和之前将其施加到测试样本上)时,就不需要定义脉冲宽度。Yhaednc

总结

就使用Bs&T基于晶闸管的脉冲发生器测量电感元件特性而言,其优势可总结如下:Yhaednc

  • 1A至10kA或以上的大电流范围;
  • 施加到DUT的可调电压范围为40V至1,200V或更高;
  • DUT的双极性(正负)电流驱动;
  • 饱和时电感器特性的文档(最坏情况研究);
  • 脉冲能量从毫焦到千焦或更大可调;
  • 测量期间DUT两端的电压反转;
  • 无需在测量前定义任何脉冲宽度;
  • 可靠的功率损耗测量,无热应力;
  • 交流电阻测量;
  • 为DUT提供高达数兆伏安的大脉冲功率的紧凑式设备;
  • 短路安全。

结论

Bs&T脉冲发生器设计已经证明,可以设计强大的晶闸管脉冲发生器来测试电感器的饱和特性以及功率损耗。此外,双极性电流驱动可提供双向饱和-去饱和转换,从而提供更真实的交流环境,这是任何其他方法都无法实现的。因此,Bs&T脉冲发生器是一种可用于电力电子行业广泛应用的独特工具。Yhaednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:SCR-Based Pulse Generator for Power Choke Measurements Up to 10 kA,由Franklin Zhao编译。)Yhaednc

本文为《电子技术设计》2022年7月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Yhaednc

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