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浅谈HXN3型内燃机车相模块IPM替代方案

轨道交通 | 发布时间:2018-12-25 | 人气: | #评论# | 本文关键字:HXN3,内燃机车,IGBT,相模块
摘要:摘要:简单介绍了 HXN 3 型机车相模块 IPM的 检测过程及参数, 并 根据测量参数性能分析国产化替代的可行性,寻找 HXN3型 机车相模块 IPM模块国产化 替代 的 解决办法 。 关键词: HXN 3 型机车

摘要:简单介绍了HXN3型机车相模块IPM的检测过程及参数,根据测量参数性能分析国产化替代的可行性,寻找HXN3型机车相模块IPM模块国产化替代解决办法

关键词:HXN3型机车;相模块;IGBT;IPM

一、前言

HXN3内燃机车相模块采用三菱IPM(智能功率模块,将大功率开关器件与智能驱动电路集成在一起的模块单元,一体化设计具有高集成化、体积小优势驱动控制三相牵引电动机每个模块对应一相,每个桥臂为两个IPM并联工作。该型机车近年来相模块故障率攀升,且IPM受限于国外供应商,为EMD定制产品,对其维护成本及维修难度过高,综合考虑成本、效率及维护维修的便捷性等因素,现测试三菱IPM,并分析IPM模式更换为IGBT+GDU的驱动控制方案的可行性以及IPM状态检测做好基础工作

二、检测方法

在确认所需参数能够正确测得的前提下,综合考虑测试的安全性及可实施性,本次测试为地面空载测试,主回路不加载,给IPM供电,测试静态及PWM启动模式下的各主要参数。

测试原理图如下图1:

空载测试电路原理图 

1 空载测试电路原理图

地面测试环境如图2:

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2 地面测试环境

三、检测过程

1、静态上电测试

1.1电源测试

一台相模块含4个IPM(2主、2副),主、从并联分别组成两个桥臂(U、X),如图3,每个桥臂控制驱动部分通过铜排并联控制,由主IPM统一供电和光纤控制。









相模块IGBT并联 

3 相模块IGBT并联

IGBT电源给该模块供电,IGBT电源输入72VDC,静态电流440mA。该电源输出至IPM通过隔离变压器供电。IPM输入电源实测波形如图4:

相模块控制电源输入波形

4 相模块控制电源输入波形

确认该IPM供电方式,基本参数:±24V方波,占空比50%,频率100kHz±10%。静态上电光纤反馈通道不发光,代表关态。

1.2 IPM关态测试

保持IPM处于上电状态,静态测量两组(U、X)IPM主要控制点静态电压,具体数据如下表:

VGE(V)

VT1(V)

VT2(V)

电压测量皆以E为参考电位

-10.1

-5.1

-9.6

2 PWM启动测试

2.1 收发逻辑测试

PWM发生器通过光纤转接板对IPM发送PWM信号,确认光纤反馈信号逻辑。测试设定PWM信号频率为1HZ,占空比50%,无故障状态下,实际测量光纤接收(A通道)与反馈(B通道)的逻辑关系,具体波形如图5:

正常状态下驱动与反馈波形

5正常状态下驱动与反馈波形

如图可知,光纤收发逻辑相同,当接收到光信号时,接收信号由高电平转为低电平,同样反馈信号由高电平转为低电平(反馈光纤端口light=low)。

2.2故障逻辑测试

模拟故障,在IPM接收PWM的过程中,模拟G-E短路,监测光纤反馈信号,具体监测波形如图6:

短路故障状态下驱动与反馈波形

6 短路故障状态下驱动与反馈波形

如图可知,正常情况下反馈信号与接收的PWM信号同步,当故障发生时,光纤反馈信号会以低电平(light)会向上级反馈故障信号,直到故障移除。

2.3 延时测试

监测光纤输入输出信号确认反馈延时实际测试数据波形如图7、图8。由实测可知,开、关反馈延时约4us。

驱动输入与反馈下降沿延时

7 驱动输入与反馈下降沿延时

驱动输入与反馈上升沿反馈

8驱动输入与反馈上升沿反馈

实际测量IGBT开关延时,确认其开关效率及上升时间,用以参考驱动IGBT及配合上位机控制器,实际测量开延时约2us,关延时约4us,实测数据波形如图9、图10。

IGBT开通延时

9 IGBT开通延时

IGBT关断延时.jpg

10 IGBT关断延时

四、替代方案重点解决的关键问题

    1 配置的GDU用到的控制电压为高频低压交流电,而驱动对象IGBT的工作环境时DC2800V高压环境,且要求高频控制。因此定制高频变压器主要特性在于高频应用(100KHz高绝缘耐压(AC10KV特定多路输出,变压器的主材磁芯应用超微晶材料配合真空环氧灌封技术,以达到高频、高绝缘耐压、体积小、并满足额定负载能力

2 替代的GDU+IGBT需要在接口和机械尺寸上和原IPM模式兼容,不改变安装及连接方式。功率元件选取英飞凌相同功率等级IGBT,要求设计GDU必须IGBT表面并每个驱动板在并联IGBT部分贴装时高度不超过5mm,且驱动板不得超过IGBT边缘5mm并且综合考虑高低压隔离及EMC问题,设计IGBTGDU配合示例11。

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11

3 该方案研发生产的GDU必须IPM的控制方式一致,即光纤通讯逻辑必须一致,包括驱动控制(图5)及故障反馈(6GDU必须在时效性上与原IPM模式接近,确保时序正常,这就要求IPM实际开关延时及上升下降时间相匹配(图9开延时,图10关延时,需要IGBT的一致性也较高,然后根据一致性参数正确配置GDU。

四、结束语

通过完成HXN3型机车IPM的测试,确认了IPM的各项参数,为IPM故障的判断奠定了坚实基础;同时提出了IPM国产化替代的方案该方案以GDU+IGBT模式代替IPM之后

对于相模块的成本及故障件的维护成本大大降低,原捆绑式的IPM在该方案基础上将IGBT和GDU作为分解件,改善了采购困难的限制。

责任编辑:HXN3相模块

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