T/DIPA 10-2022 柔性直流换流阀功率模块损耗测试方法

ICS29.200

CCSK46

团体标准

T/DIPA10-2022

柔性直流换流阀功率模块损耗测试方法

Testmethodsforpowerlossesofsub-moduleinvoltage-sourced-converter

(VSC)valve

2022-11-23发布2023-01-01实施

国家技术标准创新基地

（直流输电及电力电子技术）筹建

发布

珠海市直流输电及电力电子产业促进会

T/DIPA10-2022

目次

前言.............................................................................III

1范围.................................................................................1

2规范性引用文件.......................................................................1

3术语和定义...........................................................................1

4测试原理和应用场景...................................................................3

4.1双脉冲法损耗测试原理.............................................................3

4.2电测法损耗测试原理...............................................................3

4.3量热法损耗测试原理...............................................................3

4.4平衡量热法损耗测试原理...........................................................3

4.5各种损耗测试方法的应用场景和结果表格.............................................3

5双脉冲法损耗测试.....................................................................3

5.1测试环境.........................................................................3

5.2测试要求.........................................................................4

5.3双脉冲法测试系统.................................................................4

5.4测试程序.........................................................................5

5.5损耗计算.........................................................................6

6电测法损耗测试.......................................................................8

6.1测试环境.........................................................................8

6.2测试要求.........................................................................9

6.3电测法损耗测试系统...............................................................9

6.4测试程序.........................................................................9

6.5损耗计算.........................................................................9

7量热法损耗测试......................................................................10

7.1测试环境........................................................................10

7.2测试要求........................................................................10

7.3量热法测试系统..................................................................10

7.4测试程序........................................................................11

7.5损耗计算........................................................................11

8平衡量热法损耗测试..................................................................12

8.1测试环境........................................................................12

8.2测试要求........................................................................12

8.3平衡量热法测试系统..............................................................12

8.4测试程序........................................................................13

I

T/DIPA10-2022

8.5损耗计算........................................................................14

附录A（资料性）柔性直流换流阀功率模块..........................................15

附录B（资料性）损耗测试方法应用场景和结果表格..................................17

附录C（资料性）电测法试验平台示例..............................................19

参考文献........................................................................20

图1平衡量热仪示意图..................................................................................................................................3

图2双脉冲测试IGBT开关特性原理示意图...............................................................................................4

图3双脉冲测试IGBT开关波形图...............................................................................................................5

图4双脉冲测试IGBT和二极管开关特性波形示意图...............................................................................5

图5典型功率模块背靠背对拖测试平台......................................................................................................9

图6量热法测试系统及测点示意图............................................................................................................11

图7风口温度传感器布置方式......................................................................................................................12

图8单室闭环量热法测量系统示意图..........................................................................................................13

II

T/DIPA10-2022

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定

起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由国家标准创新基地（直流输电及电力电子）筹建和珠海市直流输电及电力电子产业促进会

标准化管理中心提出和归口。

本文件起草单位：南方电网科学研究院有限责任公司、中国南方电网有限责任公司、西安西电电力

系统有限公司、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司、荣信汇科电气股份有限公司、许继集团有

限公司、西安高压电器研究院股份有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、特变电工新疆新能源股份有

限公司、广东电网有限责任公司广州供电局、广东电网有限责任公司珠海供电局、贵州电网有限责任公

司电力科学研究院、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局。

本标准主要起草人：熊岩、罗炜、许树楷、姬煜轲、周月宾、黄莹、周会高、陈荷、钟伟华、魏伟、

周竞宇、余琼、韩坤、徐义良、杨柳、陈俊、侯婷、宋禹飞、王昕、李巍巍、欧阳有鹏、刘航、朱铭炼、

班国邦、裴星宇、张磊、朱博、卢建业、文军、谢文杰、付晓峰、蔺广科、张长水、吴宏远、陈图腾、

李浩、靳駪。

本文件在执行过程中的意见或建议可反馈至珠海市直流输电及电力电子产业促进会（地址：广东省

珠海市香洲区乐园路46号，519000）。

III

T/DIPA10-2022

IV

T/DIPA10-2022

柔性直流换流阀功率模块损耗测试方法

1范围

本文件描述了柔性直流换流阀功率模块损耗测试方法，包括双脉冲法、电测法、量热法、平衡量热

法，给出了以上方法的测试原理、测试环境、测试要求、测试系统、测试程序和损耗计算等。

本文件适用于基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的模块化多电平换流器（MMC）柔性直流换流阀功率

模块的损耗测试。基于其他类型功率器件的柔性直流换流阀功率模块参照执行。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T3048.4-2007电线电缆电性能试验方法第4部分:导体直流电阻试验

GB/T29332-2012半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管(IGBT)

GB/T34118-2017高压直流系统用电压源换流器术语

GB/T34139-2017柔性直流输电换流器技术规范

GB/T35702.1-2017高压直流系统用电压源换流器阀损耗

GB/T35702.2高压直流系统用电压源换流器阀损耗第2部分：模块化多电平换流器

GB/T37010-2018柔性直流输电换流阀技术规范

3术语和定义

GB/T34118-2018、GB/T34139、GB/T37010界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

模块化多电平换流器modularmulti-levelconverter；MMC

每个电压源换流器阀由若干模块化多电平换流器标准组件串联组成的多电平换流器。

[来源：GB/T34118-2018，6.4]

3.2

柔性直流换流阀voltage-sourced-convertervalve

由若干个功率模块串联组成的模块化多电平换流阀。

注：如没有特殊说明，本文件“换流阀”皆指柔性直流换流阀。

3.3

功率模块sub-module

换流阀的标准组件，其中每个开关单元仅由一个IGBT-二极管对组成。

注1：换流阀功率模块主拓扑及主要构成元件介绍详见附录A。

注2：本文件中的功率模块由IGBT、二极管、直流电容、控制板和其他附件等组成。

[来源：GB/T34118-2018，7.13，有修改]

3.4

IGBT-二极管对IGBT-diodepair

IGBT和与其反并联的续流二极管的组合。

[来源：GB/T34118-2018，7.4]

1

T/DIPA10-2022

3.5

绝缘栅双极晶体管insulatedgatebipolartransistor；IGBT

具有三个端子的可关断半导体器件：一个栅极端子（G）和两个负荷端子，即发射极（E）和集电极

（C）。

[来源：GB/T34118-2018，7.2]

3.6

续流二极管free-wheelingdiode；FWD

具有二极管特性的功率半导体器件。

注：每个续流二极管有两个端子：一个阳极（A）和一个阴极（K）。续流二极管中的电流方向和与其反并联的IGBT

中的电流方向相反。续流二极管具有应对由于IGBT开关作用导致的电流急剧下降问题的能力。

[来源：GB/T34118-2018，7.3]

3.7

开通能量turn-onenergy

Eon

单脉冲集电极电流开通期间，IGBT内部耗散的能量。

[来源：GB/T29332-2012，3.4.6]

3.8

关断能量turn-offenergy

Eoff

单脉冲集电极电流关断时间和尾部时间期间，IGBT内部耗散的能量。

[来源：GB/T29332-2012，3.4.7]

3.9

二极管反向恢复能量diodereverserecoveryenergy

Erec

二极管在关断过程中耗散的能量。

[来源：GB/T35702.1-2017，3.4.5]

3.10

双脉冲法double-pulsemethod

利用给功率器件施加2个连续脉冲得到的开关波形和功率模块仿真电流、电压波形，计算得到功率

模块损耗的方法。

3.11

电测法electricalmeasurementmethod

采用电压、电流测量结果计算功率模块损耗的方法。

3.12

量热法calorimetricmethod

功率模块内部产生的各类损耗最终都将变成热量，传递给冷却介质使其温度上升，用测量冷却介质

的温升来推算功率模块损耗的方法。

3.13

平衡量热法balancedcalorimetricmethod

通过等效热源在所构造的平衡量热系统内发热以产生与功率模块散热相同的温升，进而测量等效热

源的功耗来推算功率模块等效损耗的方法。

2

T/DIPA10-2022

4测试原理和应用场景

4.1双脉冲法损耗测试原理

利用功率器件开关损耗测量结果与仿真波形结合进行功率模块损耗分析计算。其中功率器件开关损

耗测量按照GB/T29332-2012的6.3.11和6.3.12规定进行。利用仿真波形结合数据手册中功率器件

导通的I/V曲线，计算功率模块功率器件的通态损耗，从而得到功率模块总损耗。

4.2电测法损耗测试原理

由被试功率模块、陪试功率模块、电抗器等设备组成测试系统。测量系统的输入功率、阻性损耗，

计算两者之差，从而得到这两个功率模块的损耗之和，再除以2，由此得到功率模块的平均损耗。

4.3量热法损耗测试原理

功率模块内部产生的各类损耗所转化的热量，传递给冷却介质（冷却介质通常为液体），通过测量

冷却介质温度上升来计算功率模块损耗。

4.4平衡量热法损耗测试原理

通过构造一个平衡量热仪，使用加热器模拟被试对象产生的热量，从而间接等效得到被试对象散发

在空气中的损耗，如图1所示。

图1平衡量热仪示意图

首先将被试对象放置在平衡量热仪中，设定入口空气温度和风速，使系统达到热平衡状态，记录系

统状态。随后，被试对象停运，通过对加热器功率的精准控制，平衡量热仪可恢复到之前的热平衡（相

等的温升），则被试对象散发在空气中的损耗等于加热器功率。

4.5各种损耗测试方法的应用场景和结果表格

本文件中双脉冲法、电测法、量热法、平衡量热法的功率模块损耗测量方法的应用场景见附录B.1,

不同方法的损耗测试结果表格形式见附录B.2。

5双脉冲法损耗测试

5.1测试环境

功率模块损耗测试需要提供测试功率模块输入条件，见表1。

表1测试功率模块输入条件

序号测试功率模块参数单位数值

功率模块额定电流A—

功率模块额定电压V—

IGBT集电极电流A—

IGBT集射极电压V—

二极管正向直流电流A—

二极管额定电压V—

3

T/DIPA10-2022

直流电容值mF—

均压电阻值kΩ—

驱动门极电阻（开通/关断）Ω—

驱动门极电压（开通/关断）V—

驱动门极外部电容nF—

回路杂散电感nH—

双脉冲法测试宜在多组不同冷却液进阀温度（例如25℃、50℃、75℃）下开展；如有其它要求，

由相关方共同确定，应在测试结果中注明。

5.2测试要求

5.2.1测试精度要求

电压测量精度宜小于等于1%，电流测量精度宜小于等于1%。脉冲波形采样率宜不低于100MS/s，

电压电流传感器或探头的响应时间宜小于等于0.2s。

5.2.2测试次数要求

双脉冲法测试应多次（不少于3次）测量，取平均值。

5.3双脉冲法测试系统

给功率模块中IGBT施加连续的两个驱动脉冲，用以测试IGBT的开关特性及IGBT反并联二极管特

性。图2是双脉冲测试原理示意图及波形，测试对象为下管IGBT和上管反并联二极管，当电抗器L并

联在下管两端，对上管IGBT进行双脉冲测试时，测试对象为上管IGBT和下管反并联二极管。

说明：

C——直流电容器；

L——电抗器；

DUT——被测IGBT；

Vce——被测IGBT的集射极电压；

Ic——被测IGBT的集电极电流；

Vge——被测IGBT的栅极电压。

图2双脉冲测试IGBT开关特性原理示意图

双脉冲测试IGBT开关波形示意图如图3所示。在T0时刻，第一个脉冲用于建立电流，下管IGBT

开通时，直流电源、下管IGBT和电抗器构成回路。电流迅速上升，达到设定电流点[图3中T1时刻]

后关闭驱动器，此时可观测到IGBT在设定电压和电流点下的关断特性；下管IGBT关断时，电抗器中电

流不能突变，上管反并联二极管导通续流，和电抗器一起构成回路。第二个脉冲到来后，下管