基于SCR的脈沖發(fā)生器解決方案

Bs&T Frankfurt am Main GmbH 開發(fā)了一種新的基于 SCR 的脈沖發(fā)生器，并在各種感應(yīng)功率組件上進(jìn)行了測(cè)試。脈沖發(fā)生器具有一些獨(dú)特的特性，這些特性受益于 SCR 的高脈沖電流處理能力，并且與基于IGBT的系統(tǒng)相比，它具有一些主要優(yōu)勢(shì)。?

電力電子的問題之一是確定電感器在其去飽和-飽和過渡期間的特性。這對(duì)于電感飽和會(huì)產(chǎn)生致命后果的大功率應(yīng)用尤其如此。由于磁芯材料的非線性特性，電感器特性的計(jì)算很困難，而且由于制造公差、數(shù)據(jù)表規(guī)格不精確以及材料特性的變化等原因，電感特性的計(jì)算往往不一致。因此，通常需要測(cè)量功率扼流圈和電感器的飽和特性L ( I ) 和dL / dI，以確定它們?cè)谧顗那闆r下的電氣特性。?

為避免用于測(cè)試的重型設(shè)備和大功率負(fù)載，解決此問題的方法之一是在短時(shí)間內(nèi)向測(cè)試樣本施加高功率脈沖，即幾毫秒到 100 毫秒。產(chǎn)生的電流和電壓波形可用于確定被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的相關(guān)屬性。為此，大功率 SCR 可用于驅(qū)動(dòng)非常高的脈沖電流通過電感器并創(chuàng)建去飽和-飽和轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試樣本的高負(fù)載測(cè)量和最壞情況記錄。由于更高的脈沖電流處理能力，SCR 通常比 IGBT 更適合此目的。Bs&T 基于該技術(shù)開發(fā)了多種脈沖發(fā)生器，適用于各種應(yīng)用。?

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Bs&T脈沖發(fā)生器的基本原理

對(duì)于測(cè)量功率扼流圈或任何其他類型的電感器，其基本工作原理是在短時(shí)間內(nèi)向 DUT 施加一定量的能量，以驅(qū)動(dòng)它通過雙重飽和-去飽和過程，并提取相關(guān)的電特性。這個(gè)過渡。這是通過將電容器組充電到一定的電壓/能量水平來實(shí)現(xiàn)的。通過一個(gè) SCR 開關(guān)，該電壓脈沖被施加到 DUT，并與內(nèi)部電感器一起創(chuàng)建一個(gè)諧振電路。根據(jù) DUT 的特性，此電壓脈沖將導(dǎo)致電流上升，由此產(chǎn)生與電流相關(guān)的電感L ( I ) 和功率耗散損耗P diss可以使用 Pearson 型非接觸式電流探頭通過電流測(cè)量來提取。由于 SCR 具有出色的脈沖電流處理能力，測(cè)試樣本可以用幾千安培驅(qū)動(dòng)，如果需要，甚至可以超過 10 kA。與 SCR 反向并聯(lián)的二極管保證了測(cè)試樣本的雙重飽和-去飽和轉(zhuǎn)變。這是 Bs&T 脈沖發(fā)生器的獨(dú)特特性，任何其他扼流圈測(cè)試設(shè)備都無法滿足。?

圖 ：Bs&T 脈沖發(fā)生器的基本工作原理?

目前，有幾種 Bs&T 脈沖發(fā)生器可用，涵蓋了廣泛的脈沖能量和充電電壓。脈沖電流可高達(dá) 10 kA 甚至更高。所有脈沖發(fā)生器都是短路安全的，這意味著如果輸出因任何原因短路，電容器組將安全放電，而不會(huì)損壞內(nèi)部組件。?

表 1：Bs&T Pulse 當(dāng)前版本的性能數(shù)據(jù)?

*對(duì)于 SCR 脈沖發(fā)生器，脈沖長(zhǎng)度定義為每個(gè)脈沖記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

與其他測(cè)量方法的區(qū)別

最近，有一些出版物詳細(xì)闡述了 IGBT 脈沖發(fā)生器和基于 SCR 的系統(tǒng)之間的區(qū)別，聲稱關(guān)斷能力使基于 IGBT 的系統(tǒng)更加優(yōu)越。關(guān)于脈沖生成和 DUT 飽和的基本物理原理，實(shí)際上差別不大。要看到這一點(diǎn)，只需將圖 2 中的 SCR 二極管組合替換為 IGBT — 它們基本相同。兩種系統(tǒng)都將電能存儲(chǔ)在電容器組中，并通過某種開關(guān)（IGBT 或 SCR）將 DUT 連接到電能存儲(chǔ)系統(tǒng)。因此，在這兩個(gè)系統(tǒng)中，都創(chuàng)建了一個(gè)帶有非線性電感器的臨時(shí)諧振電路。然而，基于 IGBT 的系統(tǒng)通常在電感器完全飽和之前關(guān)閉，以防止 IGBT 被大浪涌電流破壞。這就是為什么使用基于 IGBT 的脈沖發(fā)生器需要指定脈沖寬度的原因。圖 3 是使用基于 Bs&T 脈沖 SCR 的系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)量。跟隨電流波形直到電感飽和，兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果大致相同。然后，基于 IGBT 的系統(tǒng)將在定義的脈沖寬度后關(guān)閉——最好是在飽和前不久——而基于 SCR 的系統(tǒng)則保持開啟。兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果大致相同。然后，基于 IGBT 的系統(tǒng)將在定義的脈沖寬度后關(guān)閉——最好是在飽和前不久——而基于 SCR 的系統(tǒng)則保持開啟。兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果大致相同。然后，基于 IGBT 的系統(tǒng)將在定義的脈沖寬度后關(guān)閉——最好是在飽和前不久——而基于 SCR 的系統(tǒng)則保持開啟。??

圖 ：使用基于 SCR 的脈沖發(fā)生器測(cè)試的功率扼流圈的典型電壓-電流波形。注意電壓反轉(zhuǎn)時(shí)的第二次飽和-去飽和轉(zhuǎn)變。?

就測(cè)得的電壓和電流波形而言，在發(fā)生飽和的那一點(diǎn)，沒有大的差別。但是，對(duì)于基于 IGBT 的系統(tǒng)，操作人員需要提前定義一些脈沖寬度，以防止 IGBT 被浪涌電流破壞?；?SCR 的系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，因?yàn)?SCR 具有比 IGBT 高得多的浪涌電流處理能力。因此，在剩下的時(shí)間里——這不一定與實(shí)際電感測(cè)量相關(guān)——電容器將通過 DUT 放電以產(chǎn)生幾個(gè)飽和-去飽和轉(zhuǎn)變，這有助于確定電感在極端或故障條件下的特性. 此外，DUT 的損耗可以通過阻尼曲線確定，這是其他脈沖系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。因此，與基于 IGBT 的脈沖發(fā)生器相比，使用基于 SCR 的系統(tǒng)進(jìn)行的這一單一測(cè)量可以獲得更多的信息。表 2 顯示了一個(gè)比較。?

表 2：基于 IGBT 的脈沖發(fā)生器與基于 SCR 的脈沖發(fā)生器?

一般來說，基于 IGBT 的系統(tǒng)的問題歸結(jié)為 IGBT 的低浪涌電流能力，這需要在測(cè)量開始時(shí)定義脈沖寬度。對(duì)于基于 SCR 的系統(tǒng)，這不是必需的。一個(gè)簡(jiǎn)單地定義放電電壓/能量。在測(cè)量波形中可以看到從去飽和到飽和的過渡期（見圖 3）。因此，當(dāng)最大脈沖寬度（可以在飽和之前施加到測(cè)試樣本上）可以在最壞情況下測(cè)量時(shí)，不需要定義脈沖寬度。?

概括

關(guān)于使用 Bs&T 基于 SCR 的脈沖發(fā)生器測(cè)量電感元件特性，優(yōu)勢(shì)可總結(jié)如下：?

1 A 至 10 kA 或更高的大電流范圍?

施加到 DUT 的可調(diào)電壓為 40 V 至 1,200 V 或更高?

DUT 的雙極（正負(fù)）電流驅(qū)動(dòng)?

飽和時(shí)電感特性的文檔（最壞情況研究）?

脈沖能量可調(diào)，從毫焦耳到千焦耳或更多?

測(cè)量期間 DUT 兩端的電壓反轉(zhuǎn)?

無需在測(cè)量前定義任何脈沖寬度?

在沒有熱應(yīng)力的情況下可靠地測(cè)量功率損耗?

交流電阻的測(cè)量?

為 DUT 提供高達(dá)數(shù)兆伏安的高脈沖功率的緊湊型設(shè)備?

短路安全?

結(jié)論

Bs&T 脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)已經(jīng)證明，可以設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大的基于 SCR 的脈沖發(fā)生器來測(cè)試電感器的飽和特性以及功率損耗。此外，雙極電流驅(qū)動(dòng)提供雙飽和-去飽和轉(zhuǎn)換，提供更真實(shí)的交流環(huán)境，這是任何其他方法都無法實(shí)現(xiàn)的。因此，Bs&T 脈沖發(fā)生器是電力電子行業(yè)廣泛應(yīng)用的獨(dú)特工具。?

　　審核編輯：湯梓紅