电流型老化试验系统和开关器件老化试验方法

摘要

本发明涉及技术领域，公开了一种电流型老化试验系统和开关器件老化试验方法。所述电流型老化试验系统，由六个开关器件构成一个三相逆变电路，老化电流源与上述三相逆变电路相连接。利用老化电流源提供三相逆变电路的老化电流，老化电流源可以依照三相逆变电路实际负荷工况下的交流电流幅值变化情况进行相应变化。与传统的电压型老化试验系统相比较，本发明提供的电流型老化试验系统只需要被试器件和老化电流源，不需要陪试部件以及电机等旋转部件，老化系统的结构大大简化。同时由于不需要搭载陪试模块或辅助，因此能够避免由于陪试模块或负载的老化而影响实验进程和最终的测试结果，可提高老化试验运行的可靠性和开关器件老化的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及开关器件老化试验技术领域，特别是涉及一种电流型老化试验系统和开关器件老化试验方法。

背景技术

轨道交通系统作为大中型城市公共交通出行的重要方式，以其载客量大、不受交通拥堵影响的优点日益得到广泛采用。城市轨道交通系统的主要组成部分中，轨道交通列车作为载运工具起着至关重要的作用，而列车牵引变流器通过控制牵引电机，为列车运行提供牵引力或电制动力，其运行可靠性、使用寿命直接影响整个列车。据统计，开关器件的故障率占了变流器电气部件故障率的30％以上，大开关器件的使用寿命的在线评估与预测需求很大。目前业内通常使用电压型老化系统对大功率牵引变流器内IGBT器件进行老化状态监测和故障率、寿命预测。然而，电压型老化系统需要在试验时，需要在地面搭建一套基于实际拓扑的完整系统，并按照列车实际运行工况来进行老化实验，因此电压型老化系统的系统拓扑结构复杂，成本高昂。

发明内容

基于此，有必要针对传统的电压型老化系统的系统拓扑结构复杂、成本高昂的问题，提供一种电流型老化试验系统和开关器件老化试验方法。

一种电流型老化试验系统，包括老化电流源和三相逆变电路，所述三相逆变电路包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件；所述第一开关器件的发射极与所述第二开关器件的集电极相连接，所述第一开关器件与所述第二开关器件的连接点作为第一连接端；所述第三开关器件的发射极与所述第四开关器件的集电极相连接，所述第三开关器件与所述第四开关器件的连接点作为第二连接端；所述第五开关器件的发射极与所述第六开关器件的集电极相连接，所述第五开关器件与所述第六开关器件的连接点作为第三连接端；所述第一连接端、所述第二连接端和所述第三连接端互相短路连接；所述老化电流源的正极输出端分别与所述第一开关器件的集电极、所述第三开关器件的集电极和所述第五开关器件的集电极相连接，所述老化电流源的负极输出端分别与所述第二开关器件的发射极、所述第四开关器件的发射极和所述第六开关器件的发射极相连接；所述老化电流源用于向所述三相逆变电路提供老化电流。

上述电流型老化试验系统，由六个开关器件构成了一个三相逆变电路，老化电流源与上述三相逆变电路相连接。利用老化电流源提供开关器件构成的三相逆变电路的老化电流，可以依照三相逆变电路实际负荷工况下的交流电流幅值变化情况进行相应变化。与传统的电压型老化试验系统相比较，本发明提供的电流型老化试验系统只需要被试器件和老化电流源，不需要陪试部件以及电机等旋转部件，老化系统的结构大大简化，缩小了系统的所占空间，很大程度上降低了整个系统的造价。同时由于不需要搭载陪试模块或辅助，因此能够避免由于陪试模块或负载的老化而影响实验进程和最终的测试结果，可提高老化试验运行的可靠性和开关器件老化的准确度。

在其中一个实施例中，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件和所述第六开关器件均为IGBT开关管。

一种开关器件老化试验方法，包括初始化电流型老化试验系统的调制参数，并计算当前所述电流型老化试验系统中开关器件的总损耗；判断所述总损耗与预设总损耗的误差是否在预设误差范围内；若所述总损耗与预设总损耗的误差在预设误差范围内，则将当前的调制参数定义为最优解并输出；否则，对所述调制参数进行迭代更新并再次计算损耗，直至新的总损耗与预设总损耗的误差在预设误差范围内，将新的调制参数作为最优解并输出；所述电流型老化试验系统根据最优解对由开关器件构成的三相逆变电路进行老化试验，使各开关器件按照预设调制策略切换其开关状态。

在其中一个实施例中，所述预设调制策略为五段式的空间矢量调制策略。

在其中一个实施例中，所述调制参数包括所述开关器件的开关频率、占空比和所述老化电流源输出的老化电流。

在其中一个实施例中，所述预设总损耗根据电压型老化试验系统的老化试验结果获取。

在其中一个实施例中，所述计算当前电流型老化试验系统中开关器件的总损耗包括分别计算各开关器件的通态损耗和开关损耗。

在其中一个实施例中，计算各开关器件的通态损耗包括对开关器件的静态曲线进行曲线拟合，获取开关器件的集射极电压与集电极电流的线性表达式；根据所述集射极电压与集电极电流的线性表达式分别计算一个开关周期内的通态损耗和一个调制波周期内的通态损耗。

在其中一个实施例中，计算各开关器件的开关损耗包括根据开关器件的开关暂态特性进行分段曲线拟合，对各段损耗进行积分，计算开关器件一次开关的损耗能量；根据开关器件一次开关的损耗能量计算在一个调制波周期内的开关损耗。

在其中一个实施例中，使用遗传算法对调制参数进行迭代。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的电流型老化试验系统的电路拓扑图；

图2为本发明其中一实施例的开关器件老化试验方法的方法流程图；

图3为本发明其中一实施例的电流矢量空间分布图；

图4为本发明其中一实施例的各开关器件的通态损耗计算方法流程图；

图5为本发明其中一实施例的IGBT静态特性曲线；

图6为本发明其中一实施例的各开关器件的开关损耗计算方法流程图；

图7为本发明其中一实施例的基于遗传算法的损耗等效算法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

目前业内对于大功率牵引变流器内IGBT器件老化状态监测和故障率、寿命预测来说目前存在诸多问题。主要问题有三点：首先，电压型老化系统需要搭建大功率牵引变流器的实际运行环境，而在地面搭建一套基于实际拓扑的完整系统并按照列车实际运行工况来进行老化实验是不现实的。其次，在进行老化实验时调制策略的占空比、调制深度以及IGBT的老化电流一般是固定不变的或小幅度变化，而实际情况下这些参数时刻在改变且变化幅度较大。因此，当前功率器件的老化实验中，针对单独的开关器件(IGBT模块最为普遍)实现的老化实验结果，很难应用于实际负荷工况下的IGBT模块的使用寿命评估或者使用寿命预测中。最后，通过老化实验来模拟实际工况时，对电源的电压和功率都有较高的要求。当对1个1500V的逆变器进行老化时，考虑能够补偿系统的总损耗，1500V的直流电源电压需要提供几百安的电流，这就导致功率较大。除此之外，该类电源价格非常昂贵。使用本发明提供的电流型老化试验系统很好地解决了实际拓扑下系统结构复杂、成本高的问题。

图1为本发明其中一实施例的电流型老化试验系统的电路拓扑图，在其中一个实施例中，所述电流型老化试验系统包括老化电流源100和三相逆变电路200。由于通常情况下列车牵引变流器的负载为4个电机，故在传统的电压型老化的对拖系统中，至少需要8个电机、2个逆变模块，包括被试(DUT)和陪试两部分。而本发明提供的电流型老化试验系统的结构则简单得多，只需被试部件，去掉了陪试部件以及电机，这大大地减小了系统的所占空间以及成本。所述三相逆变电路200包括第一开关器件210、第二开关器件220、第三开关器件230、第四开关器件240、第五开关器件250和第六开关器件260。

第一开关器件210的发射极与第二开关器件220的集电极相连接，第一开关器件210与第二开关器件220的连接点作为第一连接端。第三开关器件230的发射极与第四开关器件240的集电极相连接，第三开关器件230与第四开关器件240的连接点作为第二连接端。第五开关器件250的发射极与第六开关器件260的集电极相连接，第五开关器件250与第六开关器件260的连接点作为第三连接端。第一连接端、第二连接端和第三连接端互相短路连接。老化电流源100的正极输出端分别与第一开关器件210的集电极、第三开关器件230的集电极和第五开关器件250的集电极相连接。老化电流源100的负极输出端分别与第二开关器件220的发射极、第四开关器件240的发射极和第六开关器件260的发射极相连接，老化电流源100用于向三相逆变电路提供老化电流。

在本申请的电流型老化试验系统中，采用老化电流源100与由六个开关器件构成的三相逆变电路相结合的电路拓扑。利用老化电流源100提供开关器件的老化电流，可以依照三相逆变电路功率模块在实际负荷工况下的交流电流幅值变化情况而进行相应变化。本发明的由六个开关器件构成的三相逆变电路中一方面去掉了支撑电容，是由于电容在恒流充电时，电压呈直线上升，去掉支撑电容可以防止过压，需要说明的是，本发明提供的电流型老化试验系统老化的对象主要是开关器件，与电容无关，因此该处理不会影响老化效果；另一方面为可以利用低压大电流的控制方式来模拟、代替高压大电流的控制方式，因此将输出侧进行了短接处理。

与传统的电压型老化的对拖系统相比较，本系统只需要被试器件，不需要陪试部件以及电机等旋转部件，系统结构大大简化，缩小了系统的所占空间，同时很大程度上降低整个系统的造价。电流型老化试验系统保证在被试器件不间断持续老化的过程中，能够避免由于陪试模块或负载的老化而影响实验进程和最终的测试结果，并提高系统运行的可靠性和开关器件老化的准确度。

在其中一个实施例中，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件和所述第六开关器件均为IGBT开关管。本发明提供的电流型老化试验系统中的三相逆变电路由六个IGBT开关管构成，老化的对象主要是IGBT开关管，利用老化电流源100提供IGBT开关管的老化电流。

本发明还提供了一种开关器件老化试验方法，图2为本发明其中一实施例的开关器件老化试验方法的方法流程图，在其中一个实施例中，开关器件老化试验方法包括如下步骤S100至S500。

S100：初始化电流型老化试验系统的调制参数，并计算当前所述电流型老化试验系统中开关器件的总损耗。

S200：判断所述总损耗与预设总损耗的误差是否在预设误差范围内。

S300：若所述总损耗与预设总损耗的误差在预设误差范围内，则将当前的调制参数定义为最优解并输出。

S400：否则，对所述调制参数进行迭代更新并再次计算损耗，直至新的总损耗与预设总损耗的误差在预设误差范围内，将新的调制参数作为最优解并输出。

S500：所述电流型老化试验系统根据最优解对由开关器件构成的三相逆变电路进行老化试验，使各开关器件按照预设调制策略切换其开关状态。

由于损耗的产生是开关器件老化的主要原因，因此本发明提供的开关器件老化试验方法用于对使用电流型老化试验系统对开关器件进行老化实验的过程中对开关器件的损耗进行等效。所述开关器件老化试验方法的损耗等效算法为了使电流型老化方法能够达到与电压型老化方法、实际工况下同样的老化效果，需要考虑一个开关周期内、一个调制波周期内、一个列车工作周期内(牵引、惰性、制动)这3个尺度上实现开关器件损耗的等效。工作周期由若干调制波周期组成，而调制波周期又由若干开关周期组成，故以上3个尺度，在任意尺度上实现损耗等效即可。

在实际运行情况中，电压型逆变器VSI直流母线电压远高于电流型逆变器CSI直流母线电压，导致了器件开关过程中电压变化范围不同。另外，两种老化电路正常工作时开关器件导通的数目也不同，VSI在任意时刻共有3个IGBT导通，而CSI在任意时刻共有2个IGBT导通。由于上述两个问题，造成两种老化方法中开关器件的损耗有较大的差异，因此在一个开关周期内，无法实现损耗的等效。经实际搭建逆变器模块进行仿真分析可知，一方面开关器件结温的平均值和变化趋势取决于列车运行的工况；另一方面结温的细微波动主要是受调制波周期内开关器件发热情况的影响，受开关周期内发热情况的影响较小。因此只需要保证调制波周期内，开关器件损耗可在两种老化策略下实现等效即可。

首先初始化电流型老化试验系统的调制参数，使其与电压型老化方式中的调制参数相同，对初始化调制参数下的电流型老化试验系统中开关器件的总损耗进行计算。然后，判断当前系统下开关器件的损耗是否与电压型老化方法下的损耗相同或在一定误差范围内能够实现损耗等效，若符合则判定各参数为最优解，并输出此时各参数的值。否则，执行迭代操作对各参数进行更新，对更新后的调制参数再进行损耗计算并判断更新后的总损耗是否满足最优解的判定条件。循环上述过程，直至满足条件后结束并输出最优解。最后，将电流型老化试验系统中各调制参数调整为最优解，并对由开关器件构成的三相逆变电路进行老化试验。在老化试验中，使各开关器件按照预设调制策略切换其开关状态，以等效模拟被试部件DUT在实际应用场景下的负荷工况，从而保证老化实验结果尽可能逼近实际应用场景。

在其中一个实施例中，所述预设调制策略为五段式的空间矢量调制策略。请参见图1，在由六个开关器件构成的三相逆变电路中，第一开关器件、第三开关器件和第五开关器件构成了该三相逆变电路的上桥臂组，第二开关器件、第四开关器件和第六开关器件则构成了该三相逆变电路的下桥臂组。另外，第一开关器件和第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件分别为统一桥臂的上下两个开关管。由于三相电流型逆变电路在任意时刻其直流侧不允许开路，因此正常工作时，在任意时刻该电路的上桥臂组和下桥臂组中分别只有一个开关器件处于工作状态。上述三相逆变电路共有两种工作状态，分别是直通状态和非直通状态。直通状态是指同一桥臂的上下开关管同时导通，非直通状态是指非同一桥臂的上下桥臂各有一个开关管导通。三相逆变电路中各桥臂具有3种工作状态S

由于三相逆变电路具有三条桥臂，对三条桥臂的开关状态进行排列组合，可知该三相逆变电路共有9种工作状态。在每种工作状态时均有2个开关器件导通，4个开关器件关断。9种工作状态中，非零状态组合有6种，零状态组合有3种。具体的开关状态如表1所示。

表1三相逆变电路开关状态表

在本实施例中，采用五段式的空间矢量调制策略作为三相逆变电路的工作状态模拟策略，具体的电流矢量空间分布图如图3所示，其中I

表2各扇区开关状态切换表

在其中一个实施例中，所述调制参数包括所述开关器件的开关频率、占空比和所述老化电流源输出的老化电流。所述开关器件的开关频率、占空比(即调制深度)和所述老化电流源的老化电流为所述开关器件老化试验方法中损耗等效算法的约束条件，通过迭代计算寻找各参数的最优解。在进行老化试验时，将所述开关器件的开关频率、占空比(即调制深度)和所述老化电流源的老化电流调节为最优解的值，可以保证电流型老化试验系统能够尽可能逼近实际应用场景。通过控制改变被试器件DUT的工作状态来模拟被试器件DUT的老化特性，并通过采用不同的调制策略、改变老化电流的幅值来模拟被试器件DUT的交流侧基波电流特性。

在其中一个实施例中，所述预设总损耗根据电压型老化试验系统的老化试验结果获取。在本实施例中，开关器件老化试验方法中的损耗等效算法以电流型、电压型两种老化方式下开关器件总损耗差值的最小值作为目标函数，判断电流型老化试验系统中各开关器件的总损耗是否与电压型老化方法下的总损耗相同或在一定误差范围内能够实现损耗等效，若满足判断条件则判定此时的各调制参数为最优解，并输出此时各调制参数的值。

在其中一个实施例中，所述计算当前电流型老化试验系统中开关器件的总损耗包括分别计算各开关器件的通态损耗和开关损耗。通常情况下，开关器件的损耗包括通态损耗和开关损耗。因此，在计算电流型老化试验系统中开关器件的总损耗时，需要分别对各开关器件的通态损耗和开关损耗进行计算。

图4为本发明其中一实施例的各开关器件的通态损耗计算方法流程图，在其中一个实施例中，计算各开关器件的通态损耗包括如下步骤S110至S120。

S110：对开关器件的静态曲线进行曲线拟合，获取开关器件的集射极电压与集电极电流的线性表达式。

S120：根据所述集射极电压与集电极电流的线性表达式分别计算一个开关周期内的通态损耗和一个调制波周期内的通态损耗。

图5为本发明其中一实施例的IGBT静态特性曲线，计算各开关器件通态损耗时需要对IGBT开关管的静态曲线进行曲线拟合。对图5所示的IGBT静态特性曲线进行拟合后，可推导获得IGBT的集射极电压与集电极电流的线性表达式，该表达式为：

U

其中，U

根据所述集射极电压与集电极电流的线性表达式可以分别对一个开关周期内的通态损耗和一个调制波周期内的通态损耗进行计算。根据下述开关周期内通态损耗的表达式计算开关周期内通态损耗，所述一个开关周期内的通态损耗为：

P

其中，P

根据下述调制波周期内通态损耗的表达式计算调制波周期内通态损耗，所述一个调制波周期内的通态损耗为

其中，P

图6为本发明其中一实施例的各开关器件的开关损耗计算方法流程图，在其中一个实施例中，计算各开关器件的开关损耗包括如下步骤S130至S140。

S130：根据开关器件的开关暂态特性进行分段曲线拟合，对各段损耗进行积分，计算开关器件一次开关的损耗能量。

S140：根据开关器件一次开关的损耗能量计算在一个调制波周期内的开关损耗。

根据IGBT开关管的暂态特性进行分段曲线拟合，对每段曲线的损耗进行积分，以计算一次开关状态装换下的损耗能量。所述一次开关的损耗能量为：

其中，E

计算获取开关器件一次开关的损耗能量后，可以根据开关器件一次开关的损耗能量对一个调制波周期内的开关损耗进行计算。所述一个调制波周期内的开关损耗为：

其中，P

在其中一个实施例中，使用遗传算法对调制参数进行迭代。图7为本发明其中一实施例的基于遗传算法的损耗等效算法流程图，在本发明提供的开关器件老化试验方法的损耗等效算法中，以电流型、电压型两种老化方式下开关器件总损耗差值的最小值作为目标函数，同时将开关频率、占空比(调制深度)、老化电流作为约束条件，采用遗传算法对调制参数进行迭代以寻求最优解。具体的损耗等效、寻找各参数最优值的过程详见图7。

首先初始化种群，在本实施例中种群为开关频率、占空比(调制深度)、老化电流等调制参数。使初始化种群中各参数的值与电压型老化方式中的各参数值相同。完成初始化后计算适应度，在本实施例中的适应度为当前开关器件的总损耗。根据开关器件结温的变化实时地更新这些参数值，计算当前的开关器件的总损耗，对当前总损耗是否与电压型老化方式下的总损耗相同或在一定误差范围内进行判断。可以通过判断开关管发热情况是否与电压型老化方法下发热相同或在一定误差范围内，来判断总损耗情况。若是，则判定当前开关频率、占空比、老化电流等调制参数的值为最优解并输出。否则利用遗传算法的选择、交叉、变异等遗传操作进行迭代生成新种群，在本实施例中新种群指的是对开关频率、占空比、老化电流进行更新。循环上述过程，直至满足最优解判定条件后结束并输出最优解。

使用本发明提供的开关器件老化试验方法进行损耗等效计算，以电流型、电压型两种老化方式下开关器件总损耗差值的最小值作为目标函数，同时将开关频率、占空比(调制深度)、老化电流作为约束条件，采用遗传算法对调制参数进行迭代以寻求最优解。将电流型老化试验系统中的各调制参数调整为最优解的值，来对开关器件IGBT进行老化试验。通过模拟IGBT的老化特性，同时通过采用不同调制策略，改变老化电流幅值的方式来模拟三相逆变器的交流侧基波电流特性。电流型老化试验系统能够独立于列车牵引系统的既有器件对IGBT构成的三相逆变器进行老化试验，且对于当前主流厂家的功率器件具有普适性。本发明提供的电流型老化试验系统专注于开关器件的老化情况，不会因其他部件老化而影响老化实验结果，能够等效模拟三相逆变器在实际应用场景下的负荷工况，从而保证老化实验结果尽可能逼近实际应用场景。其系统结构简单，不仅大大降低了系统复杂程度和成本，而且老化实验过程简单、系统运行可靠性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。