地鐵車輛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)地鐵車輛，現(xiàn)編號(hào)為 AC01/02 型電動(dòng)列車，是上世紀(jì)90 年代末從德國 引進(jìn)的先進(jìn)的交流傳動(dòng)車輛，其關(guān)鍵的核心部件 是采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)的可關(guān)斷晶閘管GTO 構(gòu)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(jí)有突破性的提高，電壓等級(jí)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn)： 開關(guān)損耗小，開關(guān)頻率較高;可結(jié)合層壓低感母線 實(shí)現(xiàn)無吸收電路;屬電壓型驅(qū)動(dòng)，電路功耗較低; 具有抗短路自保護(hù)能力;改進(jìn)了材料與工藝使其 滿足牽引對(duì)熱交變負(fù)載工況的要求;絕緣式模塊 也簡化了散熱器與變流裝置的結(jié)構(gòu)等[1]。

因此，采用IGBT構(gòu)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)車輛牽引領(lǐng)域中所應(yīng)用的GTO已在不斷地被IGBT模塊取代，高壓IGBT模塊(或HVIGBT)已 成為軌道車輛上選用的主流產(chǎn)品?？紤]到GTO退 出在軌道車輛中的應(yīng)用，進(jìn)而開展對(duì)這類進(jìn)口的 GTO車輛進(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(jì)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(gòu)成，這里主要闡述 對(duì)制動(dòng)斬波模塊的IGTB的國產(chǎn)化替代研制，因?yàn)?對(duì)牽引相模塊已完成了相應(yīng)的替代研制[2]。

2 GTO 制動(dòng)斬波模塊

在AC01/02 型電動(dòng)列車上的GTO 牽引逆變 器中，其制動(dòng)斬波模塊是用于當(dāng)電網(wǎng)不能吸收再 生制動(dòng)反饋來的電能時(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(jié)構(gòu)

制動(dòng)斬波模塊的結(jié)構(gòu)與逆變器的牽引相模塊 結(jié)構(gòu)類似，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)部件可分為用于安 裝各類組件的散熱器底盤;構(gòu)成制動(dòng)斬波模塊的 兩個(gè)晶閘管GTO 及其續(xù)流管D 和制動(dòng)電阻的續(xù) 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 極驅(qū)動(dòng)組件，它由A3、A2 和A1三個(gè)小部件構(gòu)成， 以及三個(gè)小部組件之間的連線及光纜等;此外還 有溫控小部件。

這些結(jié)構(gòu)部件可歸納為三類：主電路部件由 晶閘管GTO、續(xù)流管D 及吸收電路構(gòu)成;控制電 路部件由雙門極控制單元A3 和高壓驅(qū)動(dòng)單元A1 與A2及其之間的連線與連接光纜等構(gòu)成，還有溫 控部件;機(jī)械結(jié)構(gòu)部件主要為散熱器底盤及其他 用于固定部件的結(jié)構(gòu)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極控制單元A3上的引入 電源的接線插座X9 和與TCU 相連的導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)信 號(hào)的電纜座X2，以及底盤上的用于溫度保護(hù)的 PT100 的插座X5。

制動(dòng)斬波模塊上部件間的接口件有：雙門極控 制單元A3上的光纜連接插座B3和B4，分別對(duì)應(yīng) 高壓驅(qū)動(dòng)單元的A2和A1上的光纜連接插座;雙門 極控制單元A3上的連線端子-X5和-X6，分別對(duì)應(yīng)高壓驅(qū)動(dòng)單元的A2和A1的連線端子-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(xù)流管;V3 是制動(dòng)電阻的續(xù)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(gòu)成低損耗的吸收電路;R7 和C7 是保護(hù)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(dǎo)通的，一個(gè)在正半波內(nèi)導(dǎo)通，另一個(gè)在 負(fù)半波內(nèi)導(dǎo)通;PWM的規(guī)律是定頻變寬的脈沖寬 度調(diào)制方式。

采用這種通斷方式是由于GTO 的開關(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(diào)制的頻率，使其滿足大于500 Hz 的斬波 頻率的要求。

圖圓中的高壓驅(qū)動(dòng)單元A1 和A2 是直接驅(qū) 動(dòng)GTO 的驅(qū)動(dòng)單元，通過A1 和A2 按PWM 規(guī)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(diào)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(dāng)V2或V1導(dǎo)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(fù)端N，制動(dòng)電阻得電。此 時(shí)C1、C2通過外接電阻R1放電至近似為0 V。

當(dāng)V2與V1均關(guān)斷時(shí)，一方面，制動(dòng)電阻經(jīng)續(xù)流管V3 續(xù)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。圖中雙門極控制 單元A3要實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓驅(qū)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上的接線端子X5 和 X6 是兩個(gè)輸出端子，每個(gè)接線端子有4 根信息輸 出(電源)線，分黑白與紅藍(lán)兩組，X5 輸出到高壓 驅(qū)動(dòng)單元A1，X6 輸出到高壓驅(qū)動(dòng)單元A2;同時(shí) A3 上的兩個(gè)光纜座B3 和B4 通過相應(yīng)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(dāng)A3 的X9 接線座子輸入直流電壓140 V 時(shí)，輸出端子X5 或 X6 的黑白線上信號(hào)為依65 V、50 kHz 的方波電源 (圖4)，而紅監(jiān)兩根線上無信號(hào)。此時(shí)A1 和A2上 的光纜發(fā)射器點(diǎn)亮通過光纜發(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(fù)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(dāng) 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(dǎo)通信號(hào)。

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

X5 或X6 的紅藍(lán)兩根線輸出的觸發(fā)信息波形 如圖5 所示，將圖5(a)的波形展開，得圖5(b)和 (c)波形，由波形圖看出，觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)GTO 導(dǎo)通信 息的前沿有幾十滋s寬的強(qiáng)觸發(fā)信號(hào);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(jù)上述分析，在與TCU 相連的接口X2 上 輸入觸發(fā)信號(hào)，X5 或X6 的紅藍(lán)兩根線輸出的觸發(fā)信號(hào)波形見圖5，通過A1 或A2就可觸發(fā)GTO 的通與斷。從對(duì)應(yīng)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(duì)GTO 驅(qū)動(dòng)電路所要 求的觸發(fā)波形。從圖6(b)中可知，導(dǎo)通瞬間有50~ 60 滋s 寬度的強(qiáng)觸發(fā)脈沖，然后有維持正向?qū)s 1 V 的壓降;從圖6(c)可見，關(guān)斷時(shí)有強(qiáng)的反向電 壓脈沖，最后維持在約-15 V的反向偏置。

結(jié)合制動(dòng)斬波模塊主電路(圖2)可以看出，當(dāng) 在P 與N施予直流電壓時(shí)，由TCU按一定規(guī)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)。