一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，包括低电压开通电路和脉冲大电流续流电路两个部分，低电压开通电路由低压电容C和电阻R组成，脉冲大电流续流电路由高压电容C0、控制开关S0、电感L0和二极管D0组成；本发明专利技术还公开了其测量方法，待测半导体在整个测量过程中均不承受高电压，可使用小量程的低压传感器测量，确保了测量的精度。本发明专利技术解决了脉冲大电流工况下，半导体通态压降的测量难题，可用于混合式断路器中半导体支路设计指导，以确保短路开断的成功。以确保短路开断的成功。以确保短路开断的成功。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑及测量方法


[0001]本专利技术属于断路器
，具体涉及一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，以及其测量方法。

技术介绍

[0002]混合式断路器综合了机械开关通态损耗低和半导体开关无弧关断的特性，是大容量直流电力系统故障保护较为理想的拓扑方案，也是中/高压直流断路器的重要发展方向。混合式断路器的主电路拓扑如图 1所示，包括机械开关支路、半导体支路和限压耗能支路。混合式断路器半导体支路的半导体器件，可分为半控制型器件（如晶闸管）和全控型器件（GTO、IGBT、IGET等）两类。无论哪种类型半导体器件，当发生短路故障后，混合式分断的第一步都是故障电流由机械开关支路转移到半导体支路。
[0003]短路故障发生后，机械开关打开，在电弧电压作用下，故障电流从机械开关支路转移到半导体支路中。由于机械开关打开后产生的电弧电压较低，半导体在脉冲大电流工况下的通态压降成为影响电流转移的关键因素，是混合式断路器设计过程中的重要参数。尤其是随着电力系统电压等级提升，混合式断路器中串联半导体器件数目增加，该参数直接决定了故障电流能否转移成功。
[0004]最初，在设计混合式断路器半导体支路时，习惯引用厂家提供的稳态电流工况下的通态压降数据。然而，应用过程中发现半导体的通态压降远高于该值，由此导致换流失败问题经常发生，特别是在中/高压混合式断路器中。后来，为了获取脉冲大电流工况下的半导体通态压降，曾提出采用LC回路进行测量，如图2所示。当电容C2充电完成后，同时导通开关S2和待测半导体T，C2‑
L2‑
S2‑
T回路导通，产生脉冲电流。为减少L（di/dt）的影响，每次测量仅取脉冲电流峰值时刻电压值，作为该电流水平下的通态压降。该测量方式，存在以下问题：1）每次测量，仅能获得单点电流对应通态压降，需要反复调节回路参数进行多次测量，过于繁琐；2）电压传感器存在延时。电流峰值时刻对应电压往往会滞后，测量数据无法排除L（di/dt）的影响，准确度难以保证；3）即使导通数十kA级别的电流，半导体的通态压降也仅有几伏，需要用到低压传感器进行测量，这就要求整个测试过程，待测半导体两端不能出现高电压，否则会导致低压传感器损坏。所示测量方案，在测试前，电容C2上的高压由开关S2承担。但在开通过程，若开关S2开通速度快于待测半导体T，待测半导体两端就会产生高压。以往测量过程，经常发生低压传感器被击穿现象。

技术实现思路

[0005]根据现有技术不足，本专利技术的目的之一是针对实际应用需求提供一种脉冲大电流
工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，在无需反复调节回路参数的情况下即可实现脉冲大电流工况下半导体通态压降的精确测量，同时实现了“小量程测小电压”，确保测量的精度，为混合式断路器半导体支路设计提供准确的参数指导，确保混合式分断的成功。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，包括低电压开通电路和脉冲大电流续流电路两个部分；所述低电压开通电路由低压电容C、电阻R串联组成，所述的脉冲大电流续流电路由串联的高压电容C0和控制开关S0与二极管D0并联后串联电感L0形成，低电压开通电路和脉冲大电流续流电路通过待测半导体T接入节点Q1和Q2连接，节点Q2接地，藉此与节点Q1构成测试回路；电阻R、待测半导体T断态阻值R1和控制开关S0阻值R
S0
满足R
S0
>>R1>>R，低压电容C的充电电压低于待测半导体T电压传感器的量程。
[0007]本专利技术的目的之二是提供一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑的测量方法，包括以下步骤：（1）将待测半导体T以及低压传感器通过节点Q1和Q2接入测试回路，低压电容C和高压电容C0充至预期电压；（2）触发待测半导体T，C
‑
R
‑
T低电压开通电路导通，待测半导体T在低压、小电流工况下开通，电阻由断态电阻变为通态电阻；（3）延迟Δt，待测半导体T完全导通后，控制开关S0合闸，投入脉冲大电流续流电路，进入第一阶段：C0‑
S0‑
L0‑
T回路导通，待测半导体T中开始注入脉冲大电流，低压传感器测量电压值U
测
=U+L（di/dt），式中U表示待测半导体T实际通态压降，L（di/dt）表示由于电流变化在待测半导体T杂散电感上产生的感应电动势，该阶段脉冲电流上升率极高，通常在数百A/μs级别，待测半导体器件两端会产生很大的感应电动势，U
测
不能正确反映半导体通态压降；（4）随着高压电容C0两端电压降低直至过零，L0‑
T
‑
D0回路导通进入第二阶段：待测半导体T中开始续流，此时电流变化率极低，L（di/dt）降为mV级别，远远小于待测半导体T实际通态压降U。该阶段获得的低压传感器测量电压值U
测
可比较准确的反映该电流水平下，待测半导体T的通态压降。
[0008]本专利技术的有益效果是：通过控制低电压开通电路和脉冲大电流续流电路的导通顺序，确保了脉冲大电流工况下半导体在通态压降测量过程中均不承受高压，实现了“小量程测小电压”，确保了测量的精度。同时，引入续流过程，基本消除了感应电动势的影响。无需反复调节参数，一次就可测出对应脉冲大电流工况下电流对应的通态压降，能为混合式断路器半导体支路设计提供比较精确的参数指导，确保混合式分断的成功。同时可推广应用于脉冲功率技术中对半导体通态压降要求比较严格的领域，进行器件选型、组件设计以及损耗计算等。
附图说明
[0009]图1为混合式断路器主电路拓扑；图2现有脉冲大电流工况下半导体通态压降测试方案；图3本专利技术主电路拓扑；图4为本专利技术低电压开通电路拓扑；
图5为本专利技术脉冲大电流续流电路的脉冲大电流注入回路；图6为本专利技术脉冲大电流续流电路的脉冲大电流续流回路；图7为利用本专利技术实测半导体通态压降时的电压、电流波形。
具体实施方式
[0010]下面结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0011]参照图3所示，本专利技术公开了一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，包括低电压开通电路和脉冲大电流续流电路两个部分。所述低电压开通电路由低压电容C、电阻R组成。所述脉冲大电流续流电路由高压电容C0、控制开关S0、电感L0和二极管D0组成。待测半导体（包括晶闸管、GTO、IGBT、IGET等）通过节点Q1和Q2接入测试回路。
[0012]所述电阻R阻值满足R
S0
>>R1>>R，其中R1表示待测半导体断态阻值，R
S0
表示控制开关S0阻值。所述低电压开通电路中低压电容C的充电电压小于待测半导体电压传感器的量程。所述脉冲大电流续流电路高压电容C0充电电压较高，在kV本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑，其特征在于：包括低电压开通电路和脉冲大电流续流电路；所述低电压开通电路由低压电容C、电阻R串联组成，所述的脉冲大电流续流电路由串联的高压电容C0和控制开关S0与二极管D0并联后串联电感L0形成，低电压开通电路和脉冲大电流续流电路通过待测半导体T接入节点Q1和Q2连接，节点Q2接地，藉此与节点Q1构成测试回路；电阻R、待测半导体T断态阻值R1和控制开关S0阻值R
S0
满足R
S0
>>R1>>R，低压电容C的充电电压低于待测半导体T电压传感器的量程。2.一种如权利要求1所述脉冲大电流工况下的半导体通态压降测试主电路拓扑的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将待测半导体T以及低压传感器通过节点Q1和Q2接入测试回路，低压电容C...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙新乐，李杰，邹顺，杨晨光，李唯草，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：