SCR脈衝產生器實現10kA級功率扼流圈測量
作者 : JC Sun和Christian Teske，Bs&T Frankfurt am Main GmbH
高功率的SCR閘流體脈衝產生器可設計用於測試電感器的飽和特性及其功率損耗…
Bs&T Frankfurt am Main GmbH開發了一種基於矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier；SCR)閘流體元件的新型脈衝產生器，並在各種電感功率元件上進行測試。該脈衝產生器具有一些得益於SCR閘流體高脈衝電流處理能力的獨特特性，並提供一些優於IGBT系統的主要優勢。
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。這對於電感飽和會引起致命後果的高功率應用尤其如此。由於磁芯材料的非線性特性，電感特性的計算很困難，而且由於製造公差、資料手冊規格不精確以及材料特性的變化等原因，電感特性的計算往往也不一致。因此，通常需要測量功率扼流圈和電感器的飽和特性—L(i)和dL/di，以確定其於最壞情況下的電氣特性。
為了避免使用重型測試設備和大功率負載，解決此問題的方法之一是在短時間(即幾毫秒到100毫秒)內將高功率脈衝施加到測試樣本上。產生的電流和電壓波形就可用於確定待測物(DUT)的相關屬性。為此，可使用高功率SCR閘流體驅動非常大的脈衝電流通過電感器，並產生去飽和-飽和過渡，從而實現測試樣本的大負載測量和最壞情況記錄。由於更高的脈衝電流處理能力，SCR通常比IGBT更適合此目的。Bs&T採用該技術為各種應用開發了多種脈衝產生器。
圖1：測試期間的Bs&T脈衝產生器。
脈衝產生器的基本原理
對於測量功率扼流圈或其他類型的電感器，其基本工作原理是在短時間內向DUT施加一定的能量，驅動其透過雙向飽和-去飽和過程，並在過渡期間提取相關的電學特性。這是透過為電容器組充電到一定的電壓/能量級而實現的。該電壓脈衝透過SCR閘流體開關施加到DUT，然後與內部電感器一起形成諧振電路。根據DUT的特性，此電壓脈衝將導致電流上升，透過使用Pearson型非接觸式電流探頭進行電流測量，就可以從中提取出與電流相關的電感L(i)和功率耗散損耗Pdiss。由於SCR閘流體具有出色的脈衝電流處理能力，測試樣本可以用幾千安培驅動，如果需要甚至可以超過10kA。與閘流體反向並聯的二極體確保了測試樣本的雙向飽和-去飽和過渡。這是Bs&T脈衝產生器的獨特特性，任何其他扼流圈測試設備都無法滿足。
圖2：Bs&T脈衝產生器的基本工作原理。
目前，有幾種Bs&T脈衝產生器可用，它們涵蓋了廣泛的脈衝能量和充電電壓(表1)。脈衝電流可高達10kA甚至更高。所有脈衝產生器都是短路安全的，這意味著如果輸出因任何原因短路，電容器組都會安全放電，而不會損壞內部元件。
*對於閘流體脈衝產生器，脈衝長度定義為每個脈衝記錄的測量資料長度。
表1：Bs&T Pulse當前版本的性能資料。
與其他測量方法的區別
最近，有一些刊物中詳細闡述了IGBT脈衝產生器和基於閘流體的系統之間如何區別，聲稱IGBT系統的關斷能力使其更加優越。關於脈衝產生和DUT飽和的基本物理原理，實際上差別不大。為了瞭解這一點，只需將圖2中的SCR二極體組合替換為IGBT即可——它們基本上是相同的。兩種系統都將電能儲存在電容器組，並透過某種開關(IGBT或閘流體)將DUT連接到電能儲存系統。因此，這兩個系統中都創建了一個帶有非線性電感器的臨時諧振電路。
然而，基於IGBT的系統通常會在電感器完全飽和之前關閉，從而防止IGBT受到大突波電流破壞。這就是使用基於IGBT的脈衝產生器需要指定脈衝寬度的原因。圖3是使用Bs&T閘流體脈衝系統進行的測量。跟隨電流波形直到電感尚未飽和，兩個系統的結果大致相同。然後，基於IGBT的系統將在定義的脈衝寬度後關閉——最好是在飽和前不久——而基於閘流體的系統則可以保持開啟。
圖3：使用SCR脈衝產生器測試的功率扼流圈的典型電壓電流波形。注意電壓反轉時的第二次飽和-去飽和轉移。
就所測得的電壓和電流波形而言，在發生飽和的時刻，並沒有大的差別。但是，針對基於IGBT的系統，為了防止IGBT受到突波電流破壞，操作人員需要提前定義一些脈衝寬度。基於SCR閘流體的系統不會發生這個問題，因為SCR具有比IGBT更高許多的突波電流處理能力。因此，在所剩的時間——這不一定與實際電感測量相關——電容器將透過DUT放電以產生幾次飽和-去飽和轉移，這有助於確定電感在極端或故障條件下的特性。此外，DUT的損耗可以透過阻尼曲線加以確定，這是其他脈衝系統無法實現的。因此，與基於IGBT的脈衝產生器相較，使用SCR閘流體的系統進行此單一測量可以獲得更多的資訊。表2給出了比較。
表2：基於IGBT的脈衝產生器與基於SCR閘流體的脈衝產生器比較。
一般來說，基於IGBT的系統的問題歸結為IGBT處理低突波電流的能力，這需要在測量開始時定義脈衝寬度。針對基於SCR閘流體的系統，這就不是必要的了。使用者只需要定義放電電壓/能量，就可以在測量波形中看到從去飽和到飽和的過渡期(見圖3)。因此，在最壞情況下還可以測量最大脈衝寬度(可以在飽和之前將其施加到測試樣本上)，就不需要定義脈衝寬度。
總結
針對使用Bs&T SCR脈衝產生器測量電感元件特性而言，其優勢可總結如下：
- 1A至10kA或以上的較高電流範圍；
- 施加到DUT的可調電壓範圍為40V至1,200V或更高；
- DUT的雙極性(正負)電流驅動；
- 飽和時電感器特性的檔案(最壞情況案例研究)；
- 脈衝能量可調，從毫焦耳到千焦耳或以上；
- 測量期間DUT兩端的電壓反轉；
- 無需在測量前定義任何脈衝寬度；
- 可靠的功率損耗測量，無熱應力；
- 交流(AC)電阻測量；
- 為DUT提供高達數兆伏安(MVA)大脈衝功率的緊湊型設備；
- 短路安全。
結論
從Bs&T脈衝產生器設計可知，強大的SCR閘流體脈衝產生器可設計用於測試電感器的飽和特性及其功率損耗。此外，雙極電流驅動可提供雙向飽和-去飽和轉換，從而提供更真實的AC環境，這是任何其他方法都無法實現的。因此，這種基於SCR閘流體的脈衝產生器可說是針對電力電子產業廣泛應用的獨特工具。
(參考原文：SCR-Based Pulse Generator for Power Choke Measurements Up to 10kA，by Stephen Woodward)
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