CN108226811A - 换流器功率模块对冲测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换流器功率模块对冲测试系统，要解决的技术问题是降低换流器功率模块测试的供电电源容量。本发明设有电源系统、控制系统和偶数套电抗器，电抗器与被测功率模块电连接，电源系统为被测功率模块供电，控制系统输出使功率模块输出大小相同方向相反无功电流的SPWM波形，使得一半数量的功率模块输出感性无功电流，另一半数量的功率模块输出容性无功电流。本发明与现有技术相比，采在测试过程中各功率模块瞬时无功功率之和为零，只需要小容量的电源系统即可对功率器件、功率模块甚至整机进行模块满压大电流连续测试，降低了功率器件高压大电流连续测试所需电源容量及功率损耗，降低测试装置搭建成本，有效提升测试功率模块的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种换流器的测试系统，特别是换流器功率模块的测试系统。
背景技术
以电力电子开关器件组成的换流器，在其功率模块开发设计、生产制造过程，或者在功率模块问题排查过程中，都需要对电力电子开关器件及其功率模块进行必要的测试，其目的为：1.通过测试可以确认功率模块设计是否符合研发设计要求：额定工况下开关器件绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的电压和电流应力、控制板件的抗干扰能力、各元件在各种水冷与风冷系统不同参数条件下的散热效果及整个装置的损耗。2.通过测试可以检测生产制造好的功率模块在正式投运前的状态，可以发现生产制造过程中存在的问题，如导热材料是否涂抹到位、螺丝是否打紧、内部接线是否完好、保护电路是否能够可靠动作，这种测试大大提高投运成功率，降低开关器件装置在正式运行中的故障率，减少由于功率模块问题带来的停电检修频率。3.通过测试对功率模块进行满载拷机老化测试。近年来，业内已经研制了各种测试装置对电力电子开关器件及功率模块进行测试，但是将现有测试装置用于多个功率模块的测试存在有两个方面的问题：一方面，若同时对多个功率模块进行满载测试，所需的电源电压等级高、容量大，高压大容量电源需求使得测试装置的成本大大提升；另一方面，若逐个进行功率模块测试，测试时间长且人力成本较高，降低企业生产测试效率。另外，测试功率耗损大也是现有测试装置的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种换流器功率模块对冲测试系统，要解决的技术问题是降低换流器功率模块测试的供电电源容量。
本发明采用以下技术方案：一种换流器功率模块对冲测试系统，设有电源系统、控制系统和偶数套电抗器；所述偶数套电抗器分别与偶数套被测功率模块电连接，电源系统为被测功率模块供电；所述控制系统调制出使功率模块输出大小相同方向相反无功电流的正弦脉宽调制波形，经光纤分别发送至偶数套被测功率模块，所述正弦脉宽调制波形使一半数量的功率模块输出感性无功电流，另一半数量的功率模块输出容性无功电流。
本发明的偶数为2～2n,n的数量为2～50。
本发明的换流器功率模块对冲测试系统设有冷却系统，冷却系统的风机出风口的风经风道被引致被测功率模块，电源为风机提供能源。
本发明的电源系统设有交流电源和电源开关；所述交流电源火线经火线电源开关、电抗器接被测功率模块交流端口，被测功率模块的另一交流端口，经零线电源开关接交流电源的零线，形成被测功率模块的交流输入回路。
本发明的控制系统设有中央处理器，中央处理器连接有模拟量采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块；所述中央处理器、采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块由电源模块提供工作电源。
本发明的被测功率模块经光纤与光纤模块连接，被测功率模块经另一光纤与光纤模块连接，形成中央处理器获得功率模块的数据、控制被测功率模块导通的回路。
本发明的被测功率模块的交流输入回路设有软启动电路，用于开始给被测功率模块充电时，限制对被测功率模块的充电电流。
本发明的软启动电路为串接在的被测功率模块的交流输入回路中的充电电阻和并联在充电电阻两端的旁路开关，中央处理器控制旁路开关接通采用开出电路，开出电路接收中央处理器指令，控制旁路开关接通；所述旁路开关信息经开入电路反馈回中央处理器。
本发明的人机界面模块用于输入设置被测功率模块的测试参数，将设置的功率模块输出的电流目标值、功率模块需要控制的直流电压控制目标值发送至中央处理器；显示电压传感器和电流传感器采样值、功率模块工作状态，如是否过压或欠压、过温、被测功率模块故障。
本发明的模拟量采样电路采集到的被测功率模块的交流输入回路的电流和电压采样值，发送至中央处理器；所述电流采样值用于同所述电流目标值的比较；所述保护电路将电压采样值与预先设置的2.5V基准值进行比较，当电压采样值超过2.5V，中央处理器发出关断被测功率模块绝缘栅双极型晶体管的信号。
本发明与现有技术相比，采用正弦脉宽调制波形使一半数量的功率模块输出感性无功电流，另一半数量的功率模块输出容性无功电流，在测试过程中各功率模块瞬时无功功率之和为零，只需要小容量的电源系统即可对功率器件、功率模块甚至整机进行模块满压大电流连续测试，降低了功率器件高压大电流连续测试所需电源容量及功率损耗，降低测试装置搭建成本，有效提升测试功率模块的工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例的系统拓扑图。
图2是本发明实施例的二次控制回路示意图。
图3是本发明实施例的微小功率版单模块测试示意图。
图4是本发明实施例的系统结构示意图。
图5是本发明的旁路开关连接示意图。
图6是本发明的开出电路示意图。
图7是本发明的开入电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明的换流器功率模块对冲测试系统(系统)，设有电源系统、控制系统、2～2n套电抗器、2～2n套冷却系统。2～2n套电抗器分别与2～2n套被测功率模块(功率模块)电连接，控制系统与2～2n套被测功率模块分别通过光纤通道连接。n的数量为2～50。
电源系统经电抗器为功率模块供电，电源系统由交流电源、电源开关、充电电阻和旁路开关组成。交流电源火线经火线电源开关L、第一充电电阻、电抗器接被测试的功率模块交流端口A端，功率模块的另一交流端口B端，经第二充电电阻、零线电源开关N接交流电源的零线，形成功率模块的交流输入回路。第一充电电阻和第二充电电阻两端并联连接有旁路开关的常开触头。
本实施例中，交流电源为交流AC220V，第一充电电阻和第二充电电阻采用200Ω、400W功率的电阻；电源开关采用63A断路器；旁路开关采用63A接触器，旁路开关的控制线圈由控制系统控制其连接至直流24V电源，旁路开关触头为常开触头，旁路开关带有辅助触头，辅助触头为常开触头；电抗器采用1mH/1000A电抗器，用于限制功率模块输出的无功电流，并滤除功率模块产生的高次谐波。
冷却系统为功率模块提供散热冷却，冷却系统由冷却风机、风道和电源组成，电源为风机提供能源，风机出风口的风经风道被引致功率模块。冷却系统还可以采用水冷装置。
如图4所示，控制系统设有中央处理器，中央处理器连接有模拟量AD采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块。中央处理器、采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块由电源模块提供工作电源。
本实施例中，中央处理器采用德州仪器公司的DSP TMS320F2812型数字信号处理器。AD采样电路采用电流传感器和电压传感器，AD采样电路采集功率模块的交流输入回路的电流和电压，将电流和电压采样值输入中央处理器。保护电路由电压采样值与2.5V基准值经比较器比较后输出高电平实现。光纤模块采用安华高科技公司的HFBR1521/2521型光纤模块，用于中央处理器与功率模块之间的数据交互。人机界面模块采用威纶通科技有限公司的MT6071IE触摸屏。电源模块为采用交流220V输入，直流输出1路正5V、2路正负15V、1路24V的电源模块。
保护电路将电压采样值与预先设置在比较器的2.5V基准值进行比较，当电压采样值超过2.5V，比较器输出高电平，触发中央处理器发出关断功率模块IGBT的信号，起到保护功率模块的作用。比较器可以采用现有技术电路或在中央处理器内的比较器功能模块实现。
如图5所示，中央处理器控制旁路开关控制线圈接通通电后，旁路开关的常开触头闭合，辅助触头也闭合。中央处理器控制旁路开关控制线圈掉电，旁路开关分开，辅助触头也分开。旁路开关与充电电阻共同构成系统的软启动电路，系统初始上电时刻，开始给功率模块充电时，旁路开关处于分开状态，充电电阻串联在功率模块的交流输入回路中，用于限制对功率模块充电的电流。上电2～3分钟后，功率模块充电完成，交流输入回路电流接近为0，中央处理器控制旁路开关闭合，充电电阻被旁路开关从系统的交流输入回路中短接。测试功率模块完成后旁路开关恢复至分开状态，充电电阻再串联回到电路中。
如图6所示，开出电路设有光耦，将中央处理器和控制系统外部的旁路开关线圈控制回路隔离开，光耦输入端与中央处理器连接，输出端串接在旁路开关控制线圈与直流24V电源之间。开出电路用于执行中央处理器对旁路开关的闭合控制，将中央处理器的指令信号放大以驱动外部器件，使得旁路开关的控制线圈接通电源，同时将外部电路与中央处理器进行隔离，防止中央处理器被干扰，还解决隔离电路两侧不同的控制电压等级，如光耦一侧是5V，另外一侧是24V。
如图7所示，开入电路设有光耦，输出端接中央处理器，输入端连接旁路开关辅助触头与直流24V电源。开入电路用于接收旁路开关实际状态(处于分状态，还是合状态)信息，将实际状态信息反馈回中央处理器，中央处理器根据其实际状态判断给予旁路开关控制指令，判断对旁路开关的控制指令是否执行成功。开入电路将外部控制信号缩小，输入至中央处理器管脚。
如图2所示，以被测功率模块1为例来说明系统连接和信号传递，功率模块1与电抗器1、第一充电电阻、火线电源开关L、第二充电电阻、零线电源开关N和交流电源形成功率模块1的交流输入回路。
功率模块1的光纤发送接口经光纤与控制系统的光纤模块的光纤接收接口连接，功率模块1的光纤接收接口经另一光纤与控制系统的光纤模块的光纤发送接口连接，光纤构成光纤通道，形成中央处理器获得功率模块的数据、控制被测功率模块导通的回路。中央处理器输出正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)波形，由光纤模块经光纤通道发送至功率模块的光纤接收接口，控制IGBT的导通和关断，实现控制功率模块无功电流输出与无功功率输出。功率模块的光纤发送接口将功率模块的数据(如测量的直流电源、是否过压或欠压、过温、IGBT故障)经光纤通道、光纤模块发送至中央处理器。
电流传感器和电压传感器将采集到的功率模块1的交流输入回路的电流和电压采样值发送至控制系统的中央处理器。电流采样值用于中央处理器对功率模块输出的电流目标值与实际测量电流值之间进行反馈调节:当实际测量电流值比目标值小时，中央处理器输出的SPWM调制使功率模块在下一个控制周期内输出电流稍大一些；当实际测量电流值比目标值大时，中央处理器输出的SPWM调制使功率模块在下一个控制周期内输出电流稍小一些，尽量使实际输出的电流值与目标值一致。
人机界面模块用于输入设置被测功率模块的测试参数，如需要输出的电流目标值、直流电压控制目标值，将设置的功率模块输出的电流目标值、功率模块需要控制的直流电压控制目标值发送至中央处理器。人机界面模块还显示电压传感器和电流传感器采样值、功率模块工作状态，如是否过压或欠压、过温、IGBT故障。
被测功率模块为IGBT组成的两电平H桥结构，单相型全桥结构，可作为基本单元通过级联方式组成多电平换流器，常作为级联主拓扑结构的基本单元，应用于高压静止无功发生器、高压有源电力滤波器、高压储能变流器等电力电子产品。
中央处理器输出SPWM波形控制功率模块无功电流输出，功率模块的输出电流主要为感性或容性无功电流，当相同的被测功率模块的数量为偶数时，中央处理器调制出使功率模块输出大小相同方向相反无功电流的两种SPWM波形，经光纤通道分别发送至偶数套被测功率模块，SPWM波形可以使偶数套被测功率模块中一半数量的功率模块输出感性无功电流，另一半数量的功率模块输出容性无功电流，当功率模块交流输出侧电流达到满载输出时，电源系统仅提供少量必要的有功电流作为功率模块的有功损耗，而流经电源系统电流的无功分量很小，因此可以在有限电源容量下同时完成对2n个功率模块满载运行的测试。例如，当n＝1，2n＝2时，控制系统给功率模块1以SPWM波形使其交流输出回路电流为i1,控制系统给功率模块2以另外一种SPWM波形使其交流输出回路电流为i2，此时功率模块1和功率模块2的输出电流i1与i2也大小相等，相位相反，即i1＝-i2，其值可达数百甚至上千安培,主要的电流在两个功率模块之间流动，电源系统侧电流is值很小，理论上趋近于零，实现两个功率模块大电流对冲测试。
本发明的系统，AD采样电路采集各个功率模块的交流输入回路的输入电流和交流输入电压，中央处理器读取采样值后，根据人机界面设置的交流输入回路电流值、从功率模块光纤发送接口发送来的功率模块输出侧的直流电压值，按现有技术生成相对应的SPWM控制信号(文献1《单相光伏并网微型逆变器的研究》，谢颖娇，第3.2节和3.3节，杭州电子科技大学，2013-控制理论与控制工程，学位论文)，发送给功率模块，使一半数量与另一半数量的功率模块中输出大小一致相位相反的电流，测试过程中各个功率模块输出电流从零逐步增加至其额定值。
由于功率模块的交流输出回路可输出相反性质，容性或感性的无功电流，只要各个功率模块的参考无功电流输出值的代数和为零，就可以实现系统在交流母线端无功功率的互补，即无功功率的就地化供给与消耗，降低对电源系统的容量要求，而电源系统仅提供系统和功率模块所需的有功损耗。因此只需要小容量的电源系统即可对功率器件、功率模块进行高压大电流连续测试。
本发明系统的测试操作包括以下步骤：
(1)测试前确保旁路开关为断开状态，串联接入第一充电电阻和第二充电电阻。
(2)合电源开关，开始对功率模块充电。
(3)2～3分钟充电结束之后，合旁路开关。
(4)冷却系统供电，冷却风机开始工作。
(5)控制系统控制功率模块并网，分别输出微小的感性或容性无功电流；
(6)以任意两个模块为一组，控制系统控制一组功率模块同时逐步增加输出电流，且两模块的输出电流大小相同、相位相反，直至功率模块的额定电流值。
(7)当有多组功率模块时，按照步骤(6)重复执行。
如图3所示，本发明的系统可设计为微小功率版，所需电源功率更小，电源系统功率在2kW以内，无冷却系统，便携带，成本更低，供单功率模块测试基本功能使用，可作为现场功率模块测试仪使用，功率模块的测试功率受限于电源系统功率。
本发明的系统在测试过程中各功率模块瞬时无功功率之和为零，只需要小容量的电源系统即可对功率器件、功率模块甚至整机进行功率模块满压大电流连续测试，降低了功率器件高压大电流连续测试所需电源容量及功率损耗。本发明为检验额定工况下开关器件的电压和电流应力、功率模块控制板的抗干扰能力、各元件水冷散热效果以及整个电力电子开关器件装置的损耗提供了良好的系统和方法。利用本发明的系统和方法可以进行以下工作：1.对新型号功率模块的基本功能、散热设计进行测试验证。2.功率模块控制及设计、研究、改进开发。3.多功率模块出厂检验、老化。
Claims (10)
1.一种换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述换流器功率模块对冲测试系统设有电源系统、控制系统和偶数套电抗器；所述偶数套电抗器分别与偶数套被测功率模块电连接，电源系统为被测功率模块供电；所述控制系统调制出使功率模块输出大小相同方向相反无功电流的正弦脉宽调制波形，经光纤分别发送至偶数套被测功率模块，所述正弦脉宽调制波形使一半数量的功率模块输出感性无功电流，另一半数量的功率模块输出容性无功电流。
2.根据权利要求1所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述偶数为2～2n,n的数量为2～50。
3.根据权利要求1所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述换流器功率模块对冲测试系统设有冷却系统，冷却系统的风机出风口的风经风道被引致被测功率模块，电源为风机提供能源。
4.根据权利要求1所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述电源系统设有交流电源和电源开关；所述交流电源火线经火线电源开关、电抗器接被测功率模块交流端口，被测功率模块的另一交流端口，经零线电源开关接交流电源的零线，形成被测功率模块的交流输入回路。
5.根据权利要求4所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述控制系统设有中央处理器，中央处理器连接有模拟量采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块；所述中央处理器、采样电路与保护电路、光纤模块、开入与开出电路和人机界面模块由电源模块提供工作电源。
6.根据权利要求5所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述被测功率模块经光纤与光纤模块连接，被测功率模块经另一光纤与光纤模块连接，形成中央处理器获得功率模块的数据、控制被测功率模块导通的回路。
7.根据权利要求5所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述被测功率模块的交流输入回路设有软启动电路，用于开始给被测功率模块充电时，限制对被测功率模块的充电电流。
8.根据权利要求7所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述软启动电路为串接在的被测功率模块的交流输入回路中的充电电阻和并联在充电电阻两端的旁路开关，中央处理器控制旁路开关接通采用开出电路，开出电路接收中央处理器指令，控制旁路开关接通；所述旁路开关信息经开入电路反馈回中央处理器。
9.根据权利要求5所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述人机界面模块用于输入设置被测功率模块的测试参数，将设置的功率模块输出的电流目标值、功率模块需要控制的直流电压控制目标值发送至中央处理器；显示电压传感器和电流传感器采样值、功率模块工作状态，如是否过压或欠压、过温、被测功率模块故障。
10.根据权利要求9所述的换流器功率模块对冲测试系统，其特征在于：所述模拟量采样电路采集到的被测功率模块的交流输入回路的电流和电压采样值，发送至中央处理器；所述电流采样值用于同所述电流目标值的比较；所述保护电路将电压采样值与预先设置的2.5V基准值进行比较，当电压采样值超过2.5V，中央处理器发出关断被测功率模块绝缘栅双极型晶体管的信号。
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