CN114200234A - 一种功率模块测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率模块测试系统，其特征在于，包括上位机，用于发送控制指令；DSP芯片，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；FPGA芯片，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；模块中控板，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；FPGA芯片还用于，在所述模块中控板生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；所述上位机还用于，显示测试结果。从而有效保障故障判断的正确性，精确控制功率模块的状态，保证对功率模块相关测试的准确性。

Description

一种功率模块测试系统
技术领域
本发明涉及电气设备测试技术领域，尤其涉及一种功率模块测试系统。
背景技术
随着半导体和电力电子技术的发展，柔性直流输电在技术的优势逐渐显现，因此国内外已先后投运多个柔性直流输电工程。得益于模块化级联的结构设计，模块化多电平换流器型高压直流输电(Modular Multilevel Converter-High Voltage DirectCurrent，MMC-HVDC)对工程的普适性大量提升，在实际应用中可通过改变接入换流器的功率模块数量来满足不同电压和功率等级的需求，促进柔性直流输电技术不断向更大输电容量、更高电压等级方向发展的趋势，使得单个换流器配置功率模块的数量已达到几千个。
功率模块的运行可靠性直接关系到整个输电系统的稳定性，而功率模块数量庞大、故障类型多及电气拓扑复杂等问题直接增加了厂内和现场检修调试难度。同时，国内针对柔性直流配电网控制保护系统检测运维领域的学术研究时间较短，现阶段的功率模块检测系统存在以下缺点：(1)只适用于特定的功率模块拓扑结构，无法对不同拓扑结构的功率模块进行测试，适用性较差；(2)仅能对部分主要元件状态进行检测，无法全面反映功率模块的检测结果；(3)测试准确率不高；(4)仅支持对1个功率模块进行检测，测试效率较低。
总而言之，目前的功率模块测试装置功能局限、测试准确性差且效率较低，无法满足运维人员快速定位故障及检修的需求，因此亟需一种全面、快速、准确的功率模块测试系统及其方法。
发明内容
本发明提供了一种功率模块测试系统，用于克服现有的功率模块测试系统存在的功能局限、测试准确性差且效率较低，无法满足快速定位故障及检修需求的问题。
本发明实施例提供的一种功率模块测试系统，包括均与电源模块电性连接的：上位机、DSP芯片、FPGA芯片、模块中控板，以及目标功率模块；
所述上位机，用于发送控制指令；
所述DSP芯片，与所述上位机电性连接；所述DSP芯片，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；
所述FPGA芯片，与所述DSP芯片电性连接；所述FPGA芯片，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；
所述模块中控板，与所述FPGA芯片电性连接；所述模块中控板，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；
所述FPGA芯片还用于，在所述模块中控板生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；
所述上位机还用于，显示测试结果。
可选地，所述FPGA芯片包括：FPGA3芯片算法模块、FPGA3芯片逻辑判断模块、FPGA3芯片数据存储模块，以及FPGA3芯片通信模块；
所述FPGA3芯片算法模块，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到所述解析后的脉冲信号；
所述逻辑判断模块，用于根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；
所述数据存储模块，用于存储所述测试数据；
FPGA3芯片通信模块，用于实现与所述DSP芯片及所述模块中控板的数据交互。
可选地，所述目标功率模块包括：半桥拓扑结构功率模块及全桥拓扑结构功率模块。
可选地，所述电源模块所接入的电源为220V交流电。
可选地，所述上位机和所述DSP芯片具体为通过Modbus协议采用RS485串行异步通信进行数据传输。
可选地，所述DSP芯片与所述FPGA芯片的通信模块具体为通过EMIFA并行总线形式传输数据。
可选地，所述FPGA芯片的通信模块与所述模块中控板具体为采用FT3规约进行通信。
可选地，还包括：与所述上位机连接的监控后台；所述监控后台用于同步所述测试结果。
可选地，所述上机位具体通过千兆网口通信将将所述测试结果发送至所述监控后台。
可选地，所述FT3规约中的曼码编解码传输速率为6Mbit/s。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明公开的一种功率模块测试系统，其特征在于，包括均与电源模块电性连接的：上位机、DSP芯片、FPGA芯片、模块中控板，以及目标功率模块；所述上位机，用于发送控制指令；所述DSP芯片，与所述上位机电性连接；所述DSP芯片，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；所述FPGA芯片，与所述DSP芯片电性连接；所述FPGA芯片，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；所述模块中控板，与所述FPGA芯片电性连接；所述模块中控板，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；所述FPGA芯片还用于，在所述模块中控板生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；所述上位机还用于，显示测试结果。
如此，基于FPGA芯片与DSP芯片的系统架构，能够充分结合两者在数据运算和数据处理方面的优势，提供精准的判断逻辑，有效保障故障判断的正确性，精确控制功率模块的状态，保证对功率模块相关测试的准确性。
同时，FPGA芯片中对光纤物理通信故障、编解码通信故障以及丢包引起的通信超时故障以及CRC校验的逻辑判断，能够及时发现通信故障类型和快速定位通信故障位置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图；
图1为本发明的一种功率模块测试系统实施例的结构示意图；
图2为混合桥MMC及其子模块拓扑结构示意图。
图中：1、上位机；2、DSP芯片；3、FPGA芯片；4、电源模块；5、模块中控板；11、上位机通信模块；12、人机交互模块；21、DSP芯片通信模块；22、DSP芯片算法模块；31、FPGA算法模块；32、逻辑判断模块；33、数据存储模块；34、第一通信模块；35、第二通信模块；36、数据采集模块；37、开关模块；51、模块中控板通信模块；52、PWM生成模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参阅图1，为本发明的一种功率模块测试系统实施例的结构示意图，包括均与电源模块4电性连接的：上位机1、DSP芯片2、FPGA芯片3、模块中控板5，以及目标功率模块；
所述上位机1，用于发送控制指令；
所述DSP芯片2，与所述上位机电性连接；所述DSP芯片2，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；
所述FPGA芯片3，与所述DSP芯片2电性连接；所述FPGA芯片3，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；
所述模块中控板5，与所述FPGA芯片3电性连接；所述模块中控板5，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；
所述FPGA芯片3还用于，在所述模块中控板5生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片2发送至所述上位机1；
所述上位机1还用于，显示测试结果。
具体地，所述FPGA3芯片包括：FPGA3芯片算法模块31、FPGA3芯片逻辑判断模块32、FPGA3芯片数据存储模块33，以及FPGA3芯片通信模块；
所述FPGA3芯片算法模块31，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到所述解析后的脉冲信号；
所述逻辑判断模块32，用于根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片2发送至所述上位机1；
所述数据存储模块33，用于存储所述测试数据；
FPGA3芯片通信模块，用于实现与所述DSP芯片及所述模块中控板的数据交互。
进一步地，所述目标功率模块包括：半桥拓扑结构功率模块及全桥拓扑结构功率模块。
在本发明实施例中，所述电源模块4所接入的电源为220V交流电。
具体地，所述上位机1和所述DSP芯片2具体为通过Modbus协议采用RS485串行异步通信进行数据传输。
在一个可选实施例中，所述DSP芯片2与所述FPGA芯片3的通信模块31具体为通过EMIFA并行总线形式传输数据。
在一个可选实施例中，述FPGA芯片3的通信模块31与所述模块中控板5具体为采用FT3规约进行通信。
在一个可选实施例中，还包括：与所述上位机1连接的监控后台；所述监控后台用于同步所述测试结果。
在一个可选实施例中，所述上机位1具体通过千兆网口通信将将所述测试结果发送至所述监控后台。
在一个可选实施例中，所述FT3规约中的曼码编解码传输速率为6Mbit/s。
请参阅图2，为混合桥MMC及其子模块拓扑结构示意图，包含了A类型即半桥子模块拓扑图以及B类型，及全桥子模块拓扑图，通过控制数量庞大的功率模块有序导通和关断完成交直流能量的转换。功率模块测试功能包括：功率模块动作测试、功率模块器件温度、旁路开关K闭合测试、空载脉冲测试、均压电阻测试以及上下行通信故障测试。
在本发明实施例中，上位机1主要通过人机交互模块12负责与后台监控通信，用于下发控制指令以及测试结果的显示输出；DSP芯片2主要通过DSP芯片算法模块22实现用于产生PWM波的调制波的生成，以及对上位机下发指令和FPGA上送数据的解析；FPGA中包括FPGA算法模块31、逻辑判断模块32、数据存储模块33、第一通信模块34及第二通信模块35，用以负责测试系统大部分功能的实现。其中上位机1与DSP芯片2之间通过Modbus协议采用RS485串行异步通信进行数据传输；上位机1通过千兆网口通信将测试结果同步显示到监控后台；DSP芯片2与FPGA芯片3之间是通过EMIFA并行总线形式传输数据，能够充分利用FPGA芯片3并行高速处理的特点；FPGA芯片3与模块中控板5之间采用FT3规约进行通信，其中，曼码编解码传输速率为6Mbit/s。
具体的测试类型如下所述：
(1)功率模块动作测试：通过人机交互模块12的触摸屏下发功率模块测试命令，经FPGA芯片3开出模块控制测试仪电源模块5供给500V供电，即闭合K1/K2，DSP芯片算法模块22生成的调制波与FPGA芯片算法模块31生成的载波下发到模块中控板5产生4路PWM波控制S1、S2、S3、S4的导通与关断。此时数据采集模块36采集电压uT1、uT2、uT3及uT4，并据此判断S1、S2、S3、S4导通关断测试结果。利用FPGA芯片3对采集数据的逻辑判断，将功率模块动作测试结果上送给上位机1，并通过触摸屏显示测试结果。通过预设导通与关断状态，结合功率模块的拓扑结构，根据采样点的电压合理判断出功率模块的故障状态。其测试结果如下表所示：
Figure BDA0003394386830000071
(2)功率模块温度测试：通过前端触摸屏下发温度测试命令，整个测试过程中数据采集模块36实时上送IGBT采样温度值，以室温为基值，将当前温度值与程序设定的阈值比较，通过逻辑判断功率模块是否存在过温告警或过温动作故障，上送至上位机1并在触摸屏上显示测试结果。实时采集功率模块的温度，利用FPGA芯片3对温度的判断逻辑，保证在允许的温度范围内安全运行其中采样温度值采用平均值算法，计算公式入下：
Figure BDA0003394386830000081
其中，T(i)为当前采样温度值；y(i)为各个采样点的实时采集数据；n为每个中断的时间所采样的点数。
(3)旁路开关K闭合测试：通过前端触摸屏下发旁路开关闭合测试命令，经FPGA芯片3控制电源模块供给500V供电，即闭合K1/K2，在调制波与载波作用下使S1、S3同时导通，制造功率模块短路从而引发旁路开关K动作，此时uT1-uT2≈0且uT2-uT4≈0，故判定功率模块通断错误，当FPGA芯片3中逻辑判断模块32的判定功率模块故障位有效时计数器开始计数，同时下发旁路解锁指令使旁路开关K闭合，当uT2-uT3≈0，计数器停止计数，根据时钟频率即可计算得出旁路开关K闭合时间，通过该闭合时间与设定阈值比较判定K闭合测试结果并上送至触摸屏显示测试结果。制造通断故障，使旁路开关解锁，以FPGA芯片3接收到故障位为开始，以电压采样结果判断旁路开关闭合为结束，FPGA芯片3以计数器的方式，能够精确计算出旁路开关的闭合时间。
(4)空载脉冲测试：通过人机交互模块12的前端触摸屏下发空载脉冲测试命令，经FPGA芯片3控制电源模块供给500V供电，即闭合K1/K2，令导通S1、S4的两路PWM波相同，导通S2、S3的两路PWM波相同，且S1、S4和S2、S3互补导通，开环逆变在ab处输出交流电压，改变PWM波占空比可得到不同的输出交流电压，通过采集的电压差值ua-ub的有效值与多次改变的PWM占空比是否呈类线性关系，从而判断空载脉冲是否正常。使功率模块处于开环逆变状态，通过改变PWM波占空比实现逆变电压的改变，根据采样逆变电压有效值和占空比预设值判断功率模块整体上能否正常工作。
(5)均压电阻测试：利用电源模块5和简单的电路结构，即可方便快速地计算出均压电阻值，具体为：通过前端触摸屏下发均压电阻测试命令，闭合K1'/K2，由于定值电阻R1与均压电阻R为串联关系，通过测定R两端电压uT1-uT4，即可计算出均压电阻的阻值，计算公式如下：
Figure BDA0003394386830000091
(6)上下行通信故障测试：通过前端触摸屏下发上下行通信测试命令，上位机1将固定的测试数据下发至DSP芯片2，进而下发至FPGA芯片3，再由FPGA芯片3解析之后下发给模块中控板5，此时模块中控板5上送固定数据直至上位机1，其中FPGA芯片3与模块中控板5之间采用FT3规约通信，光纤物理通信故障、编解码通信故障以及丢包引起的通信超时故障，均通过CRC校验及相关逻辑进行故障判断，进而上送至上位机1通过触摸板显示具体故障信息。
需要说明的是，半桥结构只相当于在全桥结构上开路S2并短路S4，测试方法与全桥结构完全一致。
在本发明实施例公开的一种功率模块测试系统，包括均与电源模块4电性连接的：上位机1、DSP芯片2、FPGA芯片3、模块中控板5，以及目标功率模块；所述上位机1，用于发送控制指令；所述DSP芯片2，与所述上位机电性连接；所述DSP芯片2，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；所述FPGA芯片3，与所述DSP芯片2电性连接；所述FPGA芯片3，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；所述模块中控板5，与所述FPGA芯片3电性连接；所述模块中控板5，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；所述FPGA芯片3还用于，在所述模块中控板5生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片2发送至所述上位机1；所述上位机1还用于，显示测试结果。
如此，基于FPGA芯片3与DSP芯片2的系统架构，能够充分结合两者在数据运算和数据处理方面的优势，提供精准的判断逻辑，有效保障故障判断的正确性，精确控制功率模块的状态，保证对功率模块相关测试的准确性。
同时，FPGA芯片3中对光纤物理通信故障、编解码通信故障以及丢包引起的通信超时故障以及CRC校验的逻辑判断，能够及时发现通信故障类型和快速定位通信故障位置。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种功率模块测试系统，其特征在于，包括均与电源模块电性连接的：上位机、DSP芯片、FPGA芯片、模块中控板，以及目标功率模块；
所述上位机，用于发送控制指令；
所述DSP芯片，与所述上位机电性连接；所述DSP芯片，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲指令信号；
所述FPGA芯片，与所述DSP芯片电性连接；所述FPGA芯片，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到解析后的脉冲信号；
所述模块中控板，与所述FPGA芯片电性连接；所述模块中控板，用于根据所述解析后的脉冲信号，生成对应的PWM波，以控制所述目标功率模块；
所述FPGA芯片还用于，在所述模块中控板生成所述PWM波后，于所述目标功率模块采集测试数据，并根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；
所述上位机还用于，显示测试结果。
2.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述FPGA芯片包括：FPGA3芯片算法模块、FPGA3芯片逻辑判断模块、FPGA3芯片数据存储模块，以及FPGA3芯片通信模块；
所述FPGA3芯片算法模块，用于对所述PWM脉冲指令信号进行解析，得到所述解析后的脉冲信号；
所述逻辑判断模块，用于根据所述测试数据得到对应的测试结果，然后通过所述DSP芯片发送至所述上位机；
所述数据存储模块，用于存储所述测试数据；
FPGA3芯片通信模块，用于实现与所述DSP芯片及所述模块中控板的数据交互。
3.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述目标功率模块包括：半桥拓扑结构功率模块及全桥拓扑结构功率模块。
4.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述电源模块所接入的电源为220V交流电。
5.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述上位机和所述DSP芯片具体为通过Modbus协议采用RS485串行异步通信进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述DSP芯片与所述FPGA芯片的通信模块具体为通过EMIFA并行总线形式传输数据。
7.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述FPGA芯片的通信模块与所述模块中控板具体为采用FT3规约进行通信。
8.根据权利要求1所述的功率模块测试系统，其特征在于，还包括：与所述上位机连接的监控后台；所述监控后台用于同步所述测试结果。
9.根据权利要求8所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述上机位具体通过千兆网口通信将将所述测试结果发送至所述监控后台。
10.根据权利要求7所述的功率模块测试系统，其特征在于，所述FT3规约中的曼码编解码传输速率为6Mbit/s。
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