一种基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法

技术领域

本发明涉及电力电子测试技术领域，具体为一种基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法。

背景技术

相比于电解电容器，金属化薄膜电容器的使用寿命更长，长期运行可靠性更高，作为直流母线支撑电容，广泛应用于柔性直流输电、交通牵引系统等大容量电力电子装置中。受限于生产工艺，薄膜电容器内部的等效串联电感(ESL)不可忽略，其作为支撑电容-功率器件换流回路杂散电感的主要组成部分之一，增大了功率器件开关瞬态的电压过冲与损耗，制约了变流器的设计裕度；此外，薄膜电容器的内部ESL提高了功率回路杂散电感与电容的谐振风险，导致支撑电容电流纹波激增，增加了电容及其连接件的热损毁概率。因此，准确提取薄膜电容器的内部ESL，是判断电容器生产工艺是否达标的关键步骤，且有助于定量分析电力电子变流器运行可靠性。

由于不具备精确的ESL测量方法，现有薄膜电容器的数据手册仅提供ESL的大致范围，且电容器长期运行于不同功率等级，导致使用后薄膜电容器间的ESL存在差异，数据手册的参考性较低。传统测量方法包括采用高精度LCR表或阻抗分析仪直接测量，然而由于薄膜电容器容值在信号级别的测量电压下难以保持稳定，且准确性受探头夹具、激励频率等多方面因素影响，导致提取结果的可信度不高。而在薄膜电容两端施加功率电压，通过测量电容放电瞬态的电压、电流振荡波形，进而间接提取ESL的实验方法有效避免了上述问题，逐渐成为薄膜电容ESL提取的主流方法。

公开号为CN108646098A的专利基于标准JB/T8168-1999中的ESL测量方法，提出了一种检测自愈式金属化膜电容内部ESL的实验方法；这种测量方法有一定的缺点与局限性：(1)振荡电流由薄膜电容本体激发，放电电流峰值高达kA级别，测试条件相对危险，难以用于测量位于寿命周期末端的薄膜电容的ESL；(2)测量回路的附加电感难以完全消除，即便采用短路实验规避误差，所用的短接连接件引入的额外杂散电感仍然难以确定；(3)测试设备包含高量程电流互感器与电容放电回路，导致测试平台相对笨重，成本相对较高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法。本发明搭建的碳化硅MOSFET双脉冲测试平台具有低成本与小型化的优点，而且在ESL提取过程中避免了电容本体的大电流振荡，提高了测试安全性；此外，采用寄生参数已知的叠层母排作为待测电容器的载体，无需额外的短路实验即可几乎消除全部附加电感。

本发明的技术方案：一种基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法，按以下步骤进行：

a、搭建碳化硅MOSFET双脉冲测试平台；所述碳化硅MOSFET双脉冲测试平台包括依次串联的待测电容器、叠层母排、碳化硅肖特基势垒二极管和碳化硅MOSFET，碳化硅肖特基势垒二极管两端并联有负载电感；其中待测电容器作为碳化硅MOSFET双脉冲测试平台的母线电容，嵌入寄生参数已知的叠层母排中；

b、通过电压探头与示波器检测并采集碳化硅MOSFET开通或关断瞬态电压波形，并利用傅里叶变换，提取待测电容器与叠层母排的寄生电容之间回路所激发的电压欠阻尼振荡频率，记为f

c、根据步骤b测量的电压欠阻尼振荡频率f

其中，L

前述的基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法，所述叠层母排在碳化硅MOSFET的开通或关断过程表征为二分之一杂散电感L

前述的基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法，所述步骤c中叠层母排杂散电感L

前述的基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法，所述步骤c中叠层母排杂散电感L

与现有技术相比，本发明通过搭建碳化硅MOSFET双脉冲测试平台，测量碳化硅MOSFET开通或关断过程中，待测电容器与叠层母排的寄生电容之间回路所激发的电压欠阻尼振荡频率，间接实现待测电容器内部ESL的提取。相比于利用薄膜电容器本体大电流振荡波形的ESL提取方法，本发明所激发的欠阻尼振荡源于杂散电感与叠层母排的寄生电容间的电磁能量交换，电流等级较低，避免了测试环节的安全隐患；本发明采用寄生参数已知的叠层母排作为待测电容器的载体，无需采用额外的短接实验规避附加电感引发的提取误差，测量及数据处理流程简单便捷；采用碳化硅功率器件双脉冲电路作为测试平台，仅需采用电压探头测量碳化硅MOSFET的开通或关断瞬态电压波形，保障了测试设备的低成本与小型化。

附图说明

图1为本发明的碳化硅MOSFET双脉冲测试平台示意图。

图2为本发明实施例中新薄膜电容V

图3为本发明实施例中V

图4为本发明实施例中旧薄膜电容V

图5为本发明实施例中V

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：一种基于开关瞬态频率信息的薄膜电容器ESL提取方法，按下述步骤进行：

a、搭建碳化硅MOSFET双脉冲测试平台；如图1所示,所述碳化硅MOSFET双脉冲测试平台包括依次串联的待测电容器、叠层母排、碳化硅肖特基势垒二极管和碳化硅MOSFET，碳化硅肖特基势垒二极管两端并联有负载电感，待测电容器表示为C

所述碳化硅MOSFET双脉冲测试平台中，待测电容器的两极分别接于正负叠层母排；碳化硅肖特基势垒二极管的阴极接于正叠层母排的输出端口，碳化硅MOSFET的源极接于负叠层母排的输出端口；碳化硅肖特基势垒二极管的阳极与碳化硅MOSFET的漏极相连接，碳化硅MOSFET的门级与驱动回路相连接。

如图1所示，所述叠层母排的杂散电感与寄生电容分别表示为L1与C

碳化硅MOSFET双脉冲测试平台中包含两个振荡回路，其中，叠层母排的寄生电容与碳化硅MOSFET桥臂构成高频振荡回路，欠阻尼振荡由杂散电感L

所述碳化硅MOSFET双脉冲测试平台中，碳化硅肖特基势垒二极管以及碳化硅MOSFET选用功率等级相近的配套产品，驱动信号经由隔离驱动芯片向碳化硅MOSFET提供的驱动信号；碳化硅MOSFET双脉冲测试平台的测试条件选择为：母线电压为400V-800V，测试的负载电流为10-20A，驱动电阻为5-15欧姆。测试条件的选取原则是在保证碳化硅MOSFET可靠工作的前提下，尽可能采用较高的测试电压、电流与较小的驱动电阻，从而增大电压的欠阻尼振荡幅值。

b、在碳化硅MOSFET的双脉冲测试中，采用两个电压隔离探头配合多通道示波器，分别测量碳化硅MOSFET的门级电压V

利用快速傅里叶变换，提取V

c、根据步骤b测量的电压欠阻尼振荡频率f

其中，叠层母排的杂散电感L

实施例2：在实施例1的基础上，作为具体的实施例，选择新旧两个金属化薄膜电容器作为待测电容器，其中，新薄膜电容器表示为C

以双脉冲测试平台中碳化硅MOSFET的关断瞬态电压为例，新薄膜电容器作为母线电容时，碳化硅MOSFET关断电压波形记为V

根据测得的关断电压波形，分别对V

本实施例中，利用ANSYS Q3D电磁数值仿真软件提取叠层母排的杂散参数，杂散电感的提取区段为支撑电容端口至叠层母排功率器件输出端口，提取的杂散电感L

最终，通过求解如下方程，可实现新旧薄膜电容器ESL的提取。

提取结果为：新薄膜电容器的ESL大小L

综上所述，本发明搭建的碳化硅MOSFET双脉冲测试平台具有低成本与小型化的优点，提取过程避免了电容本体的大电流振荡，提高了测试安全性；此外，采用寄生参数已知的叠层母排作为待测电容器的载体，无需额外的短路实验即可几乎消除全部附加电感。