地鐵車(chē)輛GTO制動(dòng)斬波模塊的IGBT國產(chǎn)化替代研制

1 概述

上海首批交流傳動(dòng)地鐵車(chē)輛，現編號為 AC01/02 型電動(dòng)列車(chē)，是上世紀90 年代末從德國 引進(jìn)的先進(jìn)的交流傳動(dòng)車(chē)輛，其關(guān)鍵的核心部件 是采用當時(shí)先進(jìn)的可關(guān)斷晶閘管GTO 構成的主 牽引逆變器。

由于電力電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，新一代性 能優(yōu)良的絕緣柵雙極型晶體管IGBT 模塊的電壓 電流等級有突破性的提高，電壓等級已從1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V，電流也從 600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。此 外，IGBT 模塊在性能上比GTO 器件有多項優(yōu)點(diǎn)： 開(kāi)關(guān)損耗小，開(kāi)關(guān)頻率較高;可結合層壓低感母線(xiàn) 實(shí)現無(wú)吸收電路;屬電壓型驅動(dòng)，電路功耗較低; 具有抗短路自保護能力;改進(jìn)了材料與工藝使其 滿(mǎn)足牽引對熱交變負載工況的要求;絕緣式模塊 也簡(jiǎn)化了散熱器與變流裝置的結構等[1]。

因此，采用IGBT構成的變流裝置比GTO 的體 積小、重量輕、效率高，并且性能也好，所以在城市軌 道電動(dòng)車(chē)輛牽引領(lǐng)域中所應用的GTO已在不斷地被IGBT模塊取代，高壓IGBT模塊(或HVIGBT)已 成為軌道車(chē)輛上選用的主流產(chǎn)品?？紤]到GTO退 出在軌道車(chē)輛中的應用，進(jìn)而開(kāi)展對這類(lèi)進(jìn)口的 GTO車(chē)輛進(jìn)行IGBT 的國產(chǎn)化替代研制是非常必 要，并且具有重要的經(jīng)濟意義和重大的社會(huì )效益。

GTO牽引逆變器的核心部件是由3 個(gè)牽引相 模塊和1 個(gè)制動(dòng)斬波模塊所構成，這里主要闡述 對制動(dòng)斬波模塊的IGTB的國產(chǎn)化替代研制，因為 對牽引相模塊已完成了相應的替代研制[2]。

2 GTO 制動(dòng)斬波模塊

在A(yíng)C01/02 型電動(dòng)列車(chē)上的GTO 牽引逆變 器中，其制動(dòng)斬波模塊是用于當電網(wǎng)不能吸收再 生制動(dòng)反饋來(lái)的電能時(shí)將此反饋能量消耗在制動(dòng) 電阻上。

2.1 制動(dòng)斬波模塊結構

制動(dòng)斬波模塊的結構與逆變器的牽引相模塊 結構類(lèi)似，如圖1所示。其結構部件可分為用于安 裝各類(lèi)組件的散熱器底盤(pán);構成制動(dòng)斬波模塊的 兩個(gè)晶閘管GTO 及其續流管D 和制動(dòng)電阻的續 流管;用于吸收換流尖峰電壓的電阻、電容和二極管組成的低損耗的吸收電路;晶閘管GTO 用的門(mén) 極驅動(dòng)組件，它由A3、A2 和A1三個(gè)小部件構成， 以及三個(gè)小部組件之間的連線(xiàn)及光纜等;此外還 有溫控小部件。

這些結構部件可歸納為三類(lèi)：主電路部件由 晶閘管GTO、續流管D 及吸收電路構成;控制電 路部件由雙門(mén)極控制單元A3 和高壓驅動(dòng)單元A1 與A2及其之間的連線(xiàn)與連接光纜等構成，還有溫 控部件;機械結構部件主要為散熱器底盤(pán)及其他 用于固定部件的結構件。

2.2 制動(dòng)斬波模塊上的接口件

制動(dòng)斬波模塊與外部的接口件分為：主電路 方面有5 個(gè)接口端子P(+)、N(-)、L(~)及C+和 C-;控制電路方面有雙門(mén)極控制單元A3上的引入 電源的接線(xiàn)插座X9 和與TCU 相連的導入驅動(dòng)信 號的電纜座X2，以及底盤(pán)上的用于溫度保護的 PT100 的插座X5。

制動(dòng)斬波模塊上部件間的接口件有：雙門(mén)極控 制單元A3上的光纜連接插座B3和B4，分別對應 高壓驅動(dòng)單元的A2和A1上的光纜連接插座;雙門(mén) 極控制單元A3上的連線(xiàn)端子-X5和-X6，分別對應高壓驅動(dòng)單元的A2和A1的連線(xiàn)端子-X2和-X1。

2.3 制動(dòng)斬波模塊的電氣原理

2.3.1 主電路及其原理

GTO 制動(dòng)斬波模塊的主電路圖如圖2 所示， 由圖2 看出V1 與V2 是兩個(gè)并聯(lián)的主晶閘管 GTO1 和GTO2;V4 為V2 和V1(GTO)的續流管;V3 是制動(dòng)電阻的續流管;電容C1 、C2 、C5 、C6 與吸收二 極管V5~V6 以及與端子C+相連的外接電阻R1 一 起構成低損耗的吸收電路;R7 和C7 是保護V5、V6 用的。在制動(dòng)斬波器中兩個(gè)并聯(lián)的主晶閘管V1 與 V2是交替導通的，一個(gè)在正半波內導通，另一個(gè)在 負半波內導通;PWM的規律是定頻變寬的脈沖寬 度調制方式。

采用這種通斷方式是由于GTO 的開(kāi)關(guān)頻率 限制在400 Hz左右，為了抑制制動(dòng)電阻上的電流 脈動(dòng)以改善制動(dòng)性能，這樣就可以提高制動(dòng)電阻 上脈寬調制的頻率，使其滿(mǎn)足大于500 Hz 的斬波 頻率的要求。

圖圓中的高壓驅動(dòng)單元A1 和A2 是直接驅 動(dòng)GTO 的驅動(dòng)單元，通過(guò)A1 和A2 按PWM 規律 交替通斷V1(GTO1)和V2(GTO2)可在制動(dòng)電阻上 得到雙倍于脈沖頻率的調制波，有利于抑制制動(dòng) 電流的脈動(dòng)。

其吸收電路的工作原理是在V1 和V2 均關(guān)斷 的初始狀態(tài)下，電容C5、C6被充電至電源電壓，電 容C1、C2經(jīng)制動(dòng)電阻也被充電至電源電壓。

當V2或V1導通時(shí)，電流從正端P流入，經(jīng)V2 或V1 和制動(dòng)電阻再到負端N，制動(dòng)電阻得電。此 時(shí)C1、C2通過(guò)外接電阻R1放電至近似為0 V。

當V2與V1均關(guān)斷時(shí)，一方面，制動(dòng)電阻經(jīng)續流管V3 續流;另一方面，經(jīng)換向二極管和換向電 容C1、C2及C5、C6 吸收主管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓;同 時(shí)，換向電容C1、C2再經(jīng)制動(dòng)電阻又被充電至電源 電壓。

從以上分析看出，在換流過(guò)程中，漏感中能量 所造成的尖峰電壓能被吸收電路有效抑制，但同 時(shí)也有部分能量反饋給電源。

2.3.2 控制電路及其原理

控制電路框圖如圖3 所示。圖中雙門(mén)極控制 單元A3要實(shí)現對高壓驅動(dòng)單元A2 和A1 的邏輯 控制;A3 上有控制電路的輸入電壓連接插座X9， 其輸入電壓為直流140 V;A3上的接線(xiàn)端子X(jué)5 和 X6 是兩個(gè)輸出端子，每個(gè)接線(xiàn)端子有4 根信息輸 出(電源)線(xiàn)，分黑白與紅藍兩組，X5 輸出到高壓 驅動(dòng)單元A1，X6 輸出到高壓驅動(dòng)單元A2;同時(shí) A3 上的兩個(gè)光纜座B3 和B4 通過(guò)相應的兩根光 纜LWL各自連向A2 和A1上的光纜座，并且A2 和A1 上裝有光纜的發(fā)射器，而A3上的B3 和B4 是光纜的接收器。

控制電路原理及光纜的作用是當A3 的X9 接線(xiàn)座子輸入直流電壓140 V 時(shí)，輸出端子X(jué)5 或 X6 的黑白線(xiàn)上信號為依65 V、50 kHz 的方波電源 (圖4)，而紅監兩根線(xiàn)上無(wú)信號。此時(shí)A1 和A2上 的光纜發(fā)射器點(diǎn)亮通過(guò)光纜發(fā)射光束，讓A3上的B3和B4光纜接收器接收到紅外光束，同時(shí)A1 和 A2 的觸發(fā)GTO 的輸出端子G 與K 是負偏置，電 壓約為-15 V，即兩個(gè)并聯(lián)GTO是處于斷態(tài)。所以 此兩根光纜僅是傳遞GTO的斷態(tài)的狀態(tài)信息。當 A3得知兩個(gè)GTO 均處于斷態(tài)時(shí)，才允許向A1 或 A2 發(fā)送觸發(fā)導通信號。

由此看出，這里對GTO 的觸發(fā)信息不是由光 纜發(fā)送的。通過(guò)分析與測試得出，X5 或X6端子上 的紅藍兩根線(xiàn)是用來(lái)給GTO 傳遞通斷的觸發(fā)信 號。通斷信息是由與TCU相連的X2接口得到的， 再通過(guò)上述的X5 或X6 的紅藍兩根線(xiàn)傳遞給 GTO的驅動(dòng)單元A2 或A1 的。

X5 或X6 的紅藍兩根線(xiàn)輸出的觸發(fā)信息波形 如圖5 所示，將圖5(a)的波形展開(kāi)，得圖5(b)和 (c)波形，由波形圖看出，觸發(fā)導通時(shí)GTO 導通信 息的前沿有幾十滋s寬的強觸發(fā)信號;關(guān)斷時(shí)也有 足夠的關(guān)斷能量(約反壓140 V、寬20 滋s 的脈 沖)，保證可靠關(guān)斷。

2.4 制動(dòng)斬波模塊性能分析及其測試

根據上述分析，在與TCU 相連的接口X2 上 輸入觸發(fā)信號，X5 或X6 的紅藍兩根線(xiàn)輸出的觸發(fā)信號波形見(jiàn)圖5，通過(guò)A1 或A2就可觸發(fā)GTO 的通與斷。從對應的GK 測試波形(圖6 所示)的 上升沿[圖6(b)] 與下降沿[圖6(c)]的分析看出， 所測試的觸發(fā)波形是符合對GTO 驅動(dòng)電路所要 求的觸發(fā)波形。從圖6(b)中可知，導通瞬間有50~ 60 滋s 寬度的強觸發(fā)脈沖，然后有維持正向導通約 1 V 的壓降;從圖6(c)可見(jiàn)，關(guān)斷時(shí)有強的反向電 壓脈沖，最后維持在約-15 V的反向偏置。

結合制動(dòng)斬波模塊主電路(圖2)可以看出，當 在P 與N施予直流電壓時(shí)，由TCU按一定規律發(fā) 出PWM 通斷信息，經(jīng)A3 及A2 與A1 交替觸發(fā) GTO1 和GTO2(見(jiàn)圖7(a))，即可在輸出端的制動(dòng) 電阻上得到兩倍于脈沖頻率的斬波電壓波形，如 圖7(b)所示(10 V/div)。