地铁牵引功率模块测试系统设计

王 泉 李旭光

(1.上海交通大学电气工程系,200240,上海; 2.上海地铁电子科技有限公司,200233,上海∥第一作者，工程师)

地铁牵引功率模块测试系统设计

王 泉1,2李旭光1

(1.上海交通大学电气工程系,200240,上海; 2.上海地铁电子科技有限公司,200233,上海∥第一作者，工程师)

地铁牵引系统主要由牵引逆变器提供动力,牵引功率模块是其中的核心主电路部分。介绍了一种地铁牵引系统功率模块测试系统设计思路及参数计算,给出了测试系统的硬件和软件设计方法。通过静态脉冲测试和动态脉冲测试可以看出,设计的测试系统可较为精确地测量到地铁牵引逆变器功率模块每个桥的桥臂IGBT(绝缘栅双极晶体管),且其实测值与理论计算值接近。该测试系统较为适合现场测试和验证功率模块的整体性能。

地铁; 牵引系统； 牵引功率模块； 测试系统

First-author′s address Shanghai Jiaotong University,200240,Shanghai,China

地铁牵引系统主要由牵引逆变器提供动力,而牵引功率模块又是其中的核心主电路部分。随着地铁车辆逐渐进入架修和大修阶段,功率模块的维修显得越来越迫切和必要，因此,需要建立一套能验证功率模块性能的测试系统。本文提出了一种测试方法解决方案,以提高功率模块维修质量。

1 功率模块电气结构

图1所示为目前通用的直流母线地铁牵引系统功率模块组的主电路结构,牵引逆变器负责输出三相变频变压的交流电流，以驱动牵引电机带动地铁列车运行；另一相RC在车辆进行电制动接触网网压过时高做主动能量消耗。

图1 牵引逆变器功率模块主电路示意图

2 测试系统硬件设计

2.1 主电路

电气架构设计采用开环控制,以进行牵引系统动力模块的饱和电流测试及轻载动态输出试验。测试系统主电路如图2所示。因牵引逆变器所带为电机负载,而目前牵引电机多为Y型连接的感应电机,所以在此简化了模型。考虑到对每相桥臂进行测试,将每相负载看成为感性负载[1]，如图2中的负载2。图2中的负载1为纯电阻负载,考察电阻制动时的模块负载特性。

图2 牵引模块试验台框图

控制部分负责控制受控源及负载每相选择接触器,并对逆变器输出控制脉冲。整个高压带载测试分为两个部分:

(1) 单次双峰脉冲测试,测试每相模块可到达的设计电流。其等效电路如图3所示，通过双脉冲以及接触器对上下桥臂的选择,来依次测试每个IGBT(绝缘栅双极晶体管)及其寄生二极管的特性。

图3 单次脉冲试验原理图

(2) 重复性脉冲测试,测试每相模块可到达的设计饱和电流。其等效电路如图4，输出连续的占空比固定的方波至负载电感,得到一系列三角波波形。通过理论值计算,来判断当前波形是否正确。

图4 单相连续脉冲测试

针对电制动RC相所做的制动电阻试验如图5所示。

图5 电制动连续脉冲测试

2.2 安全电路

安全电路考虑以下情况:

(1) 交流电源输入时过流保护；

(2) 直流进线的手动隔离开关确保绝对的物理性隔离,以确保作业人员安全；

(3) 使用莱姆的霍尔效应电压电流传感器，确保直流进线侧的过压和欠压；

(4) 负载熔断器保护。

2.3 信号发生电路

信号发生电路使用ARM 7的LPC 2294芯片核心板和自行设计的外部适配板生成各种波形。具体接口电路如图6所示。信号使用LPC 2294的定时器电路发出所需的方波波形,并采用高速光耦PC 923隔离以及独立MOS管 MAX 4420 EPA驱动,以二级隔离的方式来驱动被试牵引模块的下级IGBT触发电路。

图6 信号接口电路

2.4 采样电路

采样电路主要包括接收IGBT反馈信号的数字电路以及接收传感器信号的模拟电路。反馈信号来自IGBT的高压C侧,被试模块已通过降压及独立电源驱动的方式进行了一次隔离,为防止环境对中间传输进行干扰,采样电路同样采用高速光耦隔离,同时在前级使用小时间常数的RC电路进行滤波。如图7所示。

模拟量采样电路接收来自莱姆的直流电压电流霍尔效应传感器的信号。传感器的输出为即时的脉冲电流信号,采样板使用双电源运放将信号隔离放大后转至LPC 2294芯片接口。如图8所示。

图7 带光耦隔离的数字采样电路

图8 传感器信号处理

3 测试系统软件设计

软件设计主要根据测试步骤以及前期的数值理论计算进行。系统程序主要由初始化、脉冲输出、数据与状态的采样、串口通信等部分组成。使用Keil uVision 4编写下位机控制程序。下位机从试验装置及传感器读取各状态信号，同时通过串口通信向上位机发送记录数据。

3.1 输出波形设计

静态脉冲波形的生成使用芯片LPC 2294内部定时器，通过晶振数计算绝对时间来依次判断是否输出高电平或低电平。动态脉冲直接使用PWM(脉宽调制)信号,定义频率及占空比参数。其输出脉冲的条件以外部输入量信号逻辑为准,同时实时检测负载电路电流,出现异常则封锁脉冲。其流程图如图9所示。

3.2 数据处理

数据处理主要记录负载电压电流、IGBT触发导通及关断时间。其中，IGBT从触发命令输出直至IGBT反馈的时间延迟可用来判断IGBT的性能以及是否能在正常工况下工作。为使其用于高压强电环境,采用光藕及双非门的方式来消除干扰。

4 系统测试

4.1 数值计算

功率模块使用日本三菱公司的CM 1200 HC-66 H。室温25 ℃时,其反向击穿电压为3 300 V,额定电流为1 200 A。它是目前轨道交通行业使用较广泛的电力电子开关器件。

图9 下位机软件设计流程框图

4.1.1 静态测试电路计算

以图3为计算电路,测试IGBT-IT1时,触发电路一次输出2个方波的单次脉冲(见图10)。其中，t1为第一次波峰脉冲时长，t2为第一次波谷脉冲时长，t3为第二次波峰脉冲时长。

由电工学原理,通过电感的磁链ψ等于电感量L1与其流通电流I的乘积:

(1)

对式(1)两边微分,可得:

图10 静态脉冲示意

(2)

式中：

U——电感L1两端的电压,即直流母线电压。

由式(2)可得：

(3)

因IGBT开关时间为微秒级,且回路为断路模式,故近似认为在图10中的t1至t3内电感电流的变化率为线性关系。则最终单次脉冲在电感中生成的即时充电电流最大值为:

由式(4)可知，负载电感最终电流波形应为带2次峰值的电流充电过程。其获得峰值的时间总长为t1+t3。

4.1.2 动态测试电路计算

以图4为计算电路,测试IGBT-IT1,IGBT-IT2时,触发电路一次输出占空比相同的连续脉冲[2]。

在一个周期内,动态电路计算方式与静态电路计算方式相同。由式(4)，类似可得：

式中：

L2——动态模式下的电感；

Ip-p——负载L2下的峰峰值电流；

f——控制脉冲频率，占空比为50%。

通过计算可知，其输出为频率跟随连续脉冲频率的三角波。

4.2 静态脉冲测试

静态脉冲测试主要是测试逆变器桥臂上下两臂在给定单次脉冲时的静特性,并通过与静态测试电路的理论计算值相对比,来判断模块整体静特性是否在可靠范围内。当测试上臂时,所给脉冲触发上臂的IGBT,关断时电感中的感生电流由下臂IGBT寄生二极管继续放电。结果如图11所示。图中电流波形即为负载电流曲线,触发脉冲即为ARM从前级光耦发出的脉冲信号。从示波器波形刻度上看，其在峰值上的电流基本与理论计算值相近。

图11 上臂单次静态脉冲波形

当测试下臂时,所给脉冲触发下臂的IGBT,关断时电感中的感生电流由上臂IGBT寄生二极管继续放电。结果如图12所示。图中的电流波形即为负载电流曲线。从示波器读数看，其在峰值上的电流与理论计算值相近。

图12 下臂单次静态脉冲波形

4.3 动态脉冲测试

动态脉冲测试主要是测试逆变器单臂处于半桥逆变、斩波制动时的功能，并通过与动态测试电路理论计算值的对比,来判断模块整体动特性是否在可靠范围内。

测试半桥逆变时,上下臂永远给出电相位差180°、方向相反的脉冲，此时电流波形为三角波。如图13所示。

测试斩波制动时,仅上臂给出占空比给定的脉冲,此时电流波形与给定占空比触发脉冲趋势上一致。如图14所示。图中的触发脉冲即为给定占空比的触发脉冲,电流波形为即负载上的直流方波电流波形，反馈脉冲即为触发IGBT两端电压反馈波形。

图13 单相动态脉冲运行波形

图14 电制动运行波形

5 结语

通过真实情况下的测试可以看出，所设计的测试系统可较为精确地测量到地铁牵引逆变器功率模块每个桥的桥臂IGBT,且其实测值与理论计算值接近。该测试系统较为适合现场测试和验证功率模块的整体性能。

[1] 周顺荣.电机学[M].北京:科学出版社,2002：151.

[2] 金如麟,谭弗娃.电力电子技术基础[M].上海:上海交通大学出版社,2001：133-134.

Design of the Test System for Metro Traction Power Module

WANG Quan, LI Xuguang

Rail transit traction system is mainly powered by the traction inverter,and the traction power module is the core part of the main circuit. In this paper, the design idea and the parameter calculation of the power module test in rail transit traction system are introduced, the design method of the hardware and software in the test system is analyzed. The static and dynamic pulse test shows that the system can measure more accurately the IGBT (insulated gate bipolar transistor) of each bridge arm in subway traction inverter power module.The actual values in working condition and theoretical calculation values are similar, meaning the test equipment and methods are more suitable for the field test and could verify the overall performance of the power module.

metro; traction system; traction power module; test system

U 266.291+.7

10.16037/j.1007-869x.2016.07.012

2014-08-26)