基于SCR的脉冲发生器解决方案

Bs&T Frankfurt am Main GmbH 开发了一种新的基于 SCR 的脉冲发生器，并在各种感应功率组件上进行了测试。脉冲发生器具有一些独特的特性，这些特性受益于 SCR 的高脉冲电流处理能力，并且与基于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。这对于电感饱和会产生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，电感器特性的计算很困难，而且由于制造公差、数据表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，以确定它们在最坏情况下的电气特性。

为避免用于测试的重型设备和大功率负载，解决此问题的方法之一是在短时间内向测试样本施加高功率脉冲，即几毫秒到 100 毫秒。产生的电流和电压波形可用于确定被测设备 (DUT) 的相关属性。为此，大功率 SCR 可用于驱动非常高的脉冲电流通过电感器并创建去饱和-饱和转换，从而实现测试样本的高负载测量和最坏情况记录。由于更高的脉冲电流处理能力，SCR 通常比 IGBT 更适合此目的。Bs&T 基于该技术开发了多种脉冲发生器，适用于各种应用。

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，以驱动它通过双重饱和-去饱和过程，并提取相关的电特性。这个过渡。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。通过一个 SCR 开关，该电压脉冲被施加到 DUT，并与内部电感器一起创建一个谐振电路。根据 DUT 的特性，此电压脉冲将导致电流上升，由此产生与电流相关的电感L ( I ) 和功率耗散损耗P diss可以使用 Pearson 型非接触式电流探头通过电流测量来提取。由于 SCR 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 10 kA。与 SCR 反向并联的二极管保证了测试样本的双重饱和-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。

图：Bs&T 脉冲发生器的基本工作原理

目前，有几种 Bs&T 脉冲发生器可用，涵盖了广泛的脉冲能量和充电电压。脉冲电流可高达 10 kA 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，电容器组将安全放电，而不会损坏内部组件。

表 1：Bs&T Pulse 当前版本的性能数据

*对于 SCR 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。

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 SCR 的系统之间的区别，声称关断能力使基于 IGBT 的系统更加优越。关于脉冲生成和 DUT 饱和的基本物理原理，实际上差别不大。要看到这一点，只需将图 2 中的 SCR 二极管组合替换为 IGBT — 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 SCR）将 DUT 连接到电能存储系统。因此，在这两个系统中，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 的系统通常在电感器完全饱和之前关闭，以防止 IGBT 被大浪涌电流破坏。这就是为什么使用基于 IGBT 的脉冲发生器需要指定脉冲宽度的原因。图 3 是使用基于 Bs&T 脉冲 SCR 的系统进行的测量。跟随电流波形直到电感饱和，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 SCR 的系统则保持开启。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 SCR 的系统则保持开启。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 SCR 的系统则保持开启。

图：使用基于 SCR 的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。

就测得的电压和电流波形而言，在发生饱和的那一点，没有大的差别。但是，对于基于 IGBT 的系统，操作人员需要提前定义一些脉冲宽度，以防止 IGBT 被浪涌电流破坏。基于 SCR 的系统不会出现这个问题，因为 SCR 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 放电以产生几个饱和-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 SCR 的系统进行的这一单一测量可以获得更多的信息。表 2 显示了一个比较。

表 2：基于 IGBT 的脉冲发生器与基于 SCR 的脉冲发生器

一般来说，基于 IGBT 的系统的问题归结为 IGBT 的低浪涌电流能力，这需要在测量开始时定义脉冲宽度。对于基于 SCR 的系统，这不是必需的。一个简单地定义放电电压/能量。在测量波形中可以看到从去饱和到饱和的过渡期（见图 3）。因此，当最大脉冲宽度（可以在饱和之前施加到测试样本上）可以在最坏情况下测量时，不需要定义脉冲宽度。

概括

关于使用 Bs&T 基于 SCR 的脉冲发生器测量电感元件特性，优势可总结如下：

1 A 至 10 kA 或更高的大电流范围

施加到 DUT 的可调电压为 40 V 至 1,200 V 或更高

DUT 的双极（正负）电流驱动

饱和时电感特性的文档（最坏情况研究）

脉冲能量可调，从毫焦耳到千焦耳或更多

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

在没有热应力的情况下可靠地测量功率损耗

交流电阻的测量

为 DUT 提供高达数兆伏安的高脉冲功率的紧凑型设备