一种三电平功率模块加速老化试验系统

摘要

本发明涉及功率器件试验技术领域，更具体的说，涉及一种三电平功率模块加速老化试验系统。本发明提供了一种三电平功率模块加速老化试验系统，包括三电平供电电源，提供三电平电源；开关控制柜，根据控制装置发送的开关控制信号，控制三电平供电电源和三电平功率模块之间的三电平电源通断；控制装置，发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，驱动三电平功率模块工作；三电平功率模块，作为被试功率模块，与开关控制柜、控制装置、负载连接，进行加速老化试验；负载，与三电平功率模块连接，消耗三电平功率模块的输出电能。本发明不仅可以输出宽电压范围、高精度和纹波小的三电平电源，也可以在短时间内为三电平功率模块进行加速寿命试验。

权利要求

1.一种三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，包括三电平供电电源、开关控制柜、控制装置和负载：

所述三电平供电电源，与开关控制柜、控制装置连接，提供三电平电源；

所述开关控制柜，输入端与三电平供电电源、控制装置连接，输出端与三电平功率模块连接，根据控制装置发送的开关控制信号，控制三电平供电电源和三电平功率模块之间的三电平电源通断；

所述控制装置，与三电平功率模块连接，发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，驱动三电平功率模块工作，进行系统逻辑控制；

三电平功率模块，作为被试功率模块，与开关控制柜、控制装置、负载连接，进行加速老化试验；

所述负载，与三电平功率模块连接，消耗三电平功率模块的输出电能；

其中，所述三电平供电电源，包括交流电、三相调压变压器和十二脉波整流电路模块：所述交流电，与三相调压变压器相连接，输出交流电源；

所述三相调压变压器，与十二脉波整流电路模块连接，将输入的交流电源进行三相变压升压，形成三相交流电；

所述十二脉波整流电路模块，将三相交流电进行整流，输出三电平电源。

2.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述十二脉波整流电路模块，由两个三相全控桥式整流电路并联或者串联进行多重联结构成。

3.根据权利要求2所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述三相全控桥式整流电路为三相六脉波整流电路，每相桥上下桥臂由电力电子开关连接，通过控制电力电子开关的触发角，控制整流电路的输出电压波形。

4.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述开关控制柜，输入端与十二脉波整流电路模块、控制装置连接，输出端与三电平功率模块连接，根据控制装置发送的开关控制信号，控制十二脉波整流电路模块和三电平功率模块之间的三电平电源的通断；

所述控制装置，对三电平功率模块进行故障检测和故障保护；

当检测到三电平功率模块发生故障时，控制装置停止发送驱动脉冲信号，发送开关控制信号至开关控制柜，切断三电平功率模块与十二脉波整流电路模块之间的输出电源连接，发送前端开关控制信号至三相调压变压器，切断三相调压变压器的前端开关。

5.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，还包括冷却系统，一端与控制装置连接，另一端与三电平功率模块连接，为三电平功率模块提供冷却；

所述控制装置，与冷却系统连接，采集三电平功率模块的实时温度信息；

当三电平功率模块达到预设温度时，控制装置停止发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，发送冷却控制信号至冷却系统，为三电平功率模块提供冷却，直至三电平功率模块冷却至预设温度。

6.根据权利要求5所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述预设温度，通过控制装置进行设置，预设温度的数量大于等于1个。

7.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述控制装置，设定三电平功率模块的实际线路运行的温度变化数据，根据温度变化数据发送驱动脉冲信号，驱动三电平功率模块工作，进行加速老化试验。

8.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于，所述负载，为电感负载或者电感、电阻负载的组合。

9.根据权利要求1所述的三电平功率模块加速老化试验系统，其特征在于：所述交流电为三相380V工业交流电；

所述三相调压变压器包括星型和三角形结构。

说明书

一种三电平功率模块加速老化试验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及功率器件试验技术领域，更具体的说，涉及一种三电平功率模块加速老化试验系统。

背景技术

[0002] 大功率变流系统是轨道交通、风电和电网等领域电气系统的关键组成部分。在大功率变流传动领域，为了达到中压器件实现高压电路的目的，大功率变流领域通常使用三
电平功率模块。

[0003] 三电平功率模块因其独有的如谐波成份小、无需大电抗器、可提高设备电压等级等优势，在轨道交通、风电、轧钢等变流领域得到了广泛的应用，3300V三电平功率器件即可
实现6500V两电平功率器件的电压等级，具有损耗小、成本低、谐波小等多个优点。

[0004] 目前大功率设备发展迅速，速度不断加快，功率不断提高，客户对变流设备提出了越来越高的要求，三电平功率模块作为大功率变流系统的核心组成部分，准确评估功率模
块的可靠性和寿命是当前研究的难点和热点。

[0005] 对于轨道交通、风电等大功率领域的三电平功率模块，当前功率模块的加速老化试验，主要集中在器件的功率循环和热循环试验，并没有三电平功率模块的加速老化试验
系统。

[0006] 功率模块加速寿命试验，一般是对功率模块进行电压电流的高加速应力加载进行功率循环，目的是在产品开发阶段揭示设计缺陷和不足同时在产品开发的早期阶段识别出
产品的功能和破坏极限。

[0007] 目前，在设计完成三电平高压功率模块后，国内大部分高压三电平功率模块的验证都是在产品上进行长时间的可靠性和寿命验证，随着产品开发进度和代际产品迭代速度
快，通过产品验证可靠性和寿命存在验证周期长、成本高、效率低和一次成功率低等问题。

[0008] 中国发明专利CN201810391528.4公开了一种IGBT功率模块加速寿命试验方法及装置，该方法包括：S01、控制IGBT功率模块输出预定测试电流，并实时检测温度T；S02、在T
小于预设上限温度T2时，持续运行t1，再停止t2，依此间歇循环，直至T超过T2；S03、当T超过
T2时，停止运行，对被试IGBT功率模块进行冷却降温，直至T低于T1，停止主动冷却降温；
S04、重复步骤S02～S04，直至功率模块故障。上述专利并不是对三电平功率模块进行加速
老化试验，同时，电源采用的10kV的电源并不能直接用于三电平功率模块。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种三电平功率模块加速老化试验系统，解决现有技术对于三电平功率模块的可靠性和寿命试验周期长、成本高、效率低和一次成功率低的问题。

[0010] 为了实现上述目的，本发明提供了一种三电平功率模块加速老化试验系统，包括三电平供电电源、开关控制柜、控制装置和负载：

[0011] 所述三电平供电电源，与开关控制柜、控制装置连接，提供三电平电源；

[0012] 所述开关控制柜，输入端与三电平供电电源、控制装置连接，输出端与三电平功率模块连接，根据控制装置发送的开关控制信号，控制三电平供电电源和三电平功率模块之
间的三电平电源通断；

[0013] 所述控制装置，与三电平功率模块连接，发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，驱动三电平功率模块工作，进行系统逻辑控制；

[0014] 三电平功率模块，作为被试功率模块，与开关控制柜、控制装置、负载连接，进行加速老化试验；

[0015] 所述负载，与三电平功率模块连接，消耗三电平功率模块的输出电能。

[0016] 在一实施例中，所述三电平供电电源，包括交流电、三相调压变压器和十二脉波整流电路模块：

[0017] 所述交流电，与三相调压变压器相连接，输出交流电源；

[0018] 所述三相调压变压器，与十二脉波整流电路模块连接，将输入交流电源进行三相变压升压，形成三相交流电；

[0019] 所述十二脉波整流电路模块，将三相交流电进行整流，输出三电平电源。

[0020] 在一实施例中，所述十二脉波整流电路模块，由两个三相全控桥式整流电路并联或者串联进行多重联结构成。

[0021] 在一实施例中，所述三相全控桥式整流电路为三相六脉波整流电路，每相桥上下桥臂由电力电子开关连接，通过控制电力电子开关的触发角，控制整流电路的输出电压波
形。

[0022] 在一实施例中，所述开关控制柜，输入端与十二脉波整流电路模块、控制装置连接，输出端与三电平功率模块连接，根据控制装置发送的开关控制信号，控制十二脉波整流
电路模块和三电平功率模块之间的三电平电源的通断；

[0023] 所述控制装置，对三电平功率模块进行故障检测和故障保护；

[0024] 当检测到三电平功率模块发生故障时，控制装置停止发送驱动脉冲信号，发送开关控制信号至开关控制柜，切断三电平功率模块与十二脉波整流电路模块之间的输出电源
连接，发送前端开关控制信号至三相调压变压器，切断三相调压变压器的前端开关。

[0025] 在一实施例中，还包括冷却系统，一端与控制装置连接，另一端与三电平功率模块连接，为三电平功率模块提供冷却；

[0026] 所述控制装置，与冷却系统连接，采集三电平功率模块的实时温度信息；

[0027] 当三电平功率模块达到预设温度时，控制装置停止发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，发送冷却控制信号至冷却系统，为三电平功率模块提供冷却，直至三电平功率模块
冷却至预设温度。

[0028] 在一实施例中，所述预设温度，通过控制装置进行设置，预设温度的数量大于等于1个。

[0029] 在一实施例中，所述控制装置，设定三电平功率模块的实际线路运行的温度变化数据，根据温度变化数据发送驱动脉冲信号，驱动三电平功率模块工作，进行加速老化试
验。

[0030] 在一实施例中，所述负载，为电感负载或者电感、电阻负载的组合。

[0031] 在一实施例中，所述交流电为三相380V工业交流电；

[0032] 所述三相调压变压器包括星型和三角形结构。

[0033] 本发明提出的一种三电平功率模块加速寿命试验系统，不仅可以输出宽电压范围、高精度和纹波小的三电平电源，也可以在短时间内为三电平功率模块进行不同负载周
期、不同电压电流工况条件下的加速寿命试验，可以很好解决三电平功率模块现场验证周
期长、成本高和效率低等问题。

附图说明

[0034] 本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

[0035] 图1揭示了根据本发明一实施例的三电平功率模块加速老化试验系统的原理框图；

[0036] 图2揭示了根据本发明一实施例的交流电的电路原理图；

[0037] 图3揭示了根据本发明一实施例的三相调压变压器的电路原理图；

[0038] 图4揭示了根据本发明一实施例的十二脉波整流电路模块的电路原理图。

[0039] 图中各附图标记的含义如下：

[0040] 1交流电；

[0041] 2三相调压变压器；

[0042] 3十二脉波整流电路模块；

[0043] 4开关控制柜；

[0044] 5冷却系统；

[0045] 6三电平功率模块；

[0046] 7控制装置；

[0047] 8负载。

具体实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用
于限定发明。

[0049] 本发明中提到的功率模块在大功率变流设备上进行DC‑AC、AC‑DC等变换，主要由功率半导体器件、驱动装置、散热器、低感母排和电容等部件组成。

[0050] 常用的主电路拓扑结构有两电平和三电平，两电平输出为正、负两个电平，三电平输出为正、负和零电平。

[0051] 两电平的桥臂上有两个电力半导体器件；

[0052] 三电平的桥臂上有4个电力半导体器件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，使波形更加接近正弦波。

[0053] 加速老化寿命试验是一种利用阶梯应力加诸于试品，并在早期发现产品缺陷、操作设计边际的方法。主要目的是在产品设计和试产阶段，通过试验快速发现产品的潜在缺
陷，并加以改进和验证，从而增加产品的极限值，提高可靠性。

[0054] 为了研究三电平功率模块的可靠性和寿命问题，根据现有技术平台、模块技术、现场路线运营等情况，本发明提出了一种三电平功率模块加速老化寿命试验系统，包括三电
平供电电源、开关控制柜、控制装置和负载：

[0055] 所述三电平供电电源，与开关控制柜、控制装置连接，提供三电平电源；

[0056] 所述开关控制柜，输入端与三电平供电电源、控制装置连接，输出端与三电平功率模块连接，根据控制装置发送的开关控制信号，控制三电平供电电源和三电平功率模块之
间的三电平电源通断；

[0057] 所述控制装置，与三电平功率模块连接，发送驱动脉冲信号至三电平功率模块，驱动三电平功率模块工作和系统的逻辑控制、故障保护等功能；

[0058] 三电平功率模块，作为被试功率模块，与开关控制柜、控制装置、负载连接，进行加速老化试验；

[0059] 所述负载，与三电平功率模块连接，消耗三电平功率模块的输出电能。

[0060] 图1揭示了根据本发明一实施例的三电平功率模块加速老化试验系统的原理框图，如图1所示，本发明的一种三电平功率模块加速老化试验系统，包括交流电1、三相调压
变压器2、十二脉波整流电路模块3、开关控制柜4、冷却系统5、三电平功率模块6、控制装置7
和负载8。

[0061] 在图1所示的实施例中，三电平功率模块为三电平高压IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块。

[0062] 由于被试功率模块为三电平功率模块6，需要给被试验的三电平功率模块6提供三电平电源。

[0063] 若通过三电平功率模块实现三电平电源，需要的设备较多、电路复杂、成本高、可靠性低，三电平电源的中点电位也容易出现不平衡的问题，且输出的三电平电压范围很窄。

[0064] 在图1的实施例中，本发明提出的三电平供电电源，包括交流电1、三相调压变压器2和十二脉波整流电路模块3：

[0065] 所述交流电1，与三相调压变压器2相连接，输出交流电源；

[0066] 所述三相调压变压器2，与十二脉波整流电路模块3连接，将输入的交流电源进行三相变压升压，形成三相交流电；

[0067] 所述十二脉波整流电路模块3，将三相交流电进行整流，输出三电平电源。所生成并输出的三电平电源可实现宽电压范围调节，三电平上下电平输出精度高，整个系统具有
简单、成本低、可靠性高、中点电位平衡等。

[0068] 图2揭示了根据本发明一实施例的交流电的电路原理图，如图2所示，交流电1采用三相380V工业交流电。

[0069] 交流电1，采用常用的三相3AC380V工业交流电，作为输入的交流电源。

[0070] 图3揭示了根据本发明一实施例的三相调压变压器的电路原理图，如图3所示，三相调压变压器2，将输入交流电源进行三相变压升压，形成三相交流电。

[0071] 三相调压变压器2，可以对输入电源实现十二脉波整流电路模块3的输入侧三相交流电电压高低的调压。

[0072] 三相调压变压器包括星型和三角形结构。

[0073] 图4揭示了根据本发明一实施例的十二脉波整流电路模块的电路原理图，如图4所示，十二脉波整流电路模块3，对三相交流电整流，控制输出目标的三电平电源电压，输出三
电平电源。

[0074] 十二脉波整流电路模块3，是由两个三相全控桥式整流电路并联或者串联进行多重联结而构成，通过多重联结可以减少交流输入电流的谐波同时减小直流输出电压的谐波
幅值，可以消除电网的五次和七次谐波，从而大大降低线路电流的谐波失真和传导干扰。

[0075] 三相全控桥式整流电路，为三相六脉波整流电路，六脉波的含义为输出整流电压在一个周期内的脉动数目。

[0076] 在图4所示的实施例中，十二脉波整流电路模块3，由两路三相六脉波整流电路并联组成。

[0077] 所述三相六脉波整流电路，每相桥上下桥臂由电力电子开关连接，通过控制电力电子开关的触发角，来控制整流电路的输出电压波形。

[0078] 其中，电力电子开关包括晶闸管、GTO(可关断晶闸管)和IGBT。

[0079] 开关控制柜4，输入端与十二脉波整流电路模块3、控制装置7连接，输出端与三电平功率模块6连接：

[0080] 所述开关控制柜4，根据控制装置7发送的开关控制信号，控制十二脉波整流电路模块3和三电平功率模块6之间的三电平电源的通断。

[0081] 控制装置7，具有系统驱动控制和故障检测、保护等功能。

[0082] 在三电平功率模块6进行加速老化试验时，控制装置7给三电平功率模块6发送驱动脉冲信号，驱动三电平功率模块6工作。

[0083] 当检测到三电平功率模块6发生故障时，控制装置7立即封锁驱动脉冲信号，并发送开关控制信号至开关控制柜4，切断三电平功率模块6和十二脉波整流电路模块3之间的
输出电源连接，同时，发送前端开关控制信号至三相调压变压器2，切断三相调压变压器2的
前端开关，进而切断整个电源，确保整个试验系统的安全。

[0084] 控制装置7，具有温度检测和温度控制的功能。

[0085] 三电平功率模块6为功率器件组成。

[0086] 加速老化试验时，三电平功率模块6的功率器件安装有温度测试点位，温度参数实时传送至控制装置7。

[0087] 控制装置7，与冷却系统5连接，采集三电平功率模块6的实时温度信息。

[0088] 冷却系统5，一端与控制装置7连接，另一端与三电平功率模块6连接，为三电平功率模块6提供冷却。

[0089] 在三电平功率模块6进行加速老化试验时，当模块台面达到预定温度后，控制装置7停止发送驱动脉冲信号至三电平功率模块6，控制冷却系统5给三电平功率模块6冷却，在
三电平功率模块6的台面温度冷却到预定温度后，控制装置7发送驱动脉冲信号使三电平功
率模块6的工作，依次进行循环试验。

[0090] 在一些实施例中，控制装置7可以设置多个不同的预定温度参数。预设温度参数的数量大于等于1个。

[0091] 在一些实施例中，控制装置7也可以设定三电平功率模块6的实际线路运行的线路仿真温度变化数据，根据温度变化数据从而设定不同的预定温度发送驱动脉冲信号，驱动
三电平功率模块6工作，进行加速老化试验，达到实际线路的加速老化试验模拟。实际线路
运行工况包括不同负载周期、不同电压电流工况。

[0092] 负载8为电感负载或者电感、电阻负责的组合，在节能的原则下，优先使用纯电感负载。

[0093] 本发明提供的一种三电平功率模块加速老化试验系统，具体具有以下有益效果：

[0094] 1)输出高质量的三电平电源，通过十二脉波整流电路模块输出三电平电源，三电平电源输出方式简单可靠，不需要单独配置三电平电路的输出电源，且上下半电压精度高、
纹波小，解决了三电平电路电源中点不平衡的问题；

[0095] 2)可以对功率模块温度和运行情况实时监控，模块故障时及时保护,不对设备或模块造成伤害；

[0096] 3)可以对一个或多个三电平高压大功率功率模块进行加速寿命试验，评估和对比三电平功率模块及功率器件寿命。

[0097] 尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生
和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他
动作并发地发生。

[0098] 如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包
括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备
也可能包含其他的步骤或元素。

[0099] 上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本
发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最
大范围。