地鐵車輛GTO制動斬波模塊的IGBT國產(chǎn)化替代研制

3 IGBT 制動斬波模塊的研制

3.1 IGBT 制動斬波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

基本結(jié)構(gòu)方案如圖8 所示。

CQ 為控制、信號轉(zhuǎn)換、保護及驅(qū)動電路，A3 為驅(qū)動控制邏輯單元，A2、A1 為高壓驅(qū)動單元， IGBT 為絕緣柵雙極型晶體管，Snub 為吸收電路。 在圖8 中，IGBT 替代GTO 及其續(xù)流管，因為在IGBT模塊中已包含有本身的續(xù)流管;制動電阻續(xù)流 管未畫出來;A1和A2是原來驅(qū)動GTO 的高壓驅(qū) 動單元;CQ1和CQ2是所研制的包含了控制、信 號轉(zhuǎn)換與保護電路的驅(qū)動IGBT的驅(qū)動電路單元。

從GTO制動模塊結(jié)構(gòu)看，所布置的IGBT和 制動電阻續(xù)流管的散熱面積要比GTO 及其續(xù)流 管大，因而對其散熱是有利的。

從主電路及其對外連接的端子看，有足夠的 空間來安排和考慮，并盡量從減少分布電感及有 利于均流來布置，保留模塊原有的對外連接的端 子不變。

關(guān)于IGBT驅(qū)動電路的布置設(shè)計，可以將其布 置在A1 和A2 的下面，固定在一塊絕緣的環(huán)氧板 上，空間足夠，固定將是很牢靠的。

通過上述結(jié)構(gòu)方案經(jīng)多次試驗、改善與優(yōu)化，可以實現(xiàn)制動斬波模塊的國產(chǎn)化替代研制。

3.2 IGBT制動斬波模塊驅(qū)動電路方案及其分析

通過對G與K 觸發(fā)波形分析來構(gòu)建IGBT驅(qū) 動電路方案，并分析了三種可能的電路方案，第一 種由分立元件電路構(gòu)成，第二種是采用瑞士公司 生產(chǎn)的IGD515驅(qū)動模塊構(gòu)成的電路方案，第三種 也是用瑞士公司生產(chǎn)的2SD315驅(qū)動模塊構(gòu)成。通 過對其所構(gòu)成的驅(qū)動電路分析與試驗，及其對測 試波形的比較，選擇由2SD315驅(qū)動模塊來構(gòu)成的 IGBT驅(qū)動電路較為合適;信號轉(zhuǎn)換電路也通過采 用光耦與運放比較后，宜采用后者或組合式來構(gòu) 成。由于采用IGBT模塊，其開關(guān)頻率的限制值要 比GTO 的大得多，為此把原交替觸發(fā)方式通過 “或”處理將兩個并聯(lián)的IGBT都同時觸發(fā)，也即控 制上也是并聯(lián)工作的。所設(shè)計的控制與驅(qū)動原理 框圖如圖9 所示。

通過對所設(shè)計與研制的驅(qū)動電路板的試驗， 得到如圖10 所示的測試波形。輸入為G、K 端的 VGK 波形(CH2-5V/div)，輸出為觸發(fā)IGBT 的VGE 波形(CH1-5V/div)。

由測試波形圖10 看出，G 與K的觸發(fā)通斷波 形VGK與IGBT 的觸發(fā)波形VGE 的前沿、后沿幾乎完全吻合;如對其前、后沿展開并比較后可得出， VGE 波形前沿對VGK 波形而言，延時約1 滋s;而其 后沿延時約2 滋s，故其導(dǎo)通脈寬約寬1 滋s，這差 異在工程上完全可忽略不計，也可說，這么小的差 異早被淹沒在制動力的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)之中了。

3.3 IGBT制動斬波模塊電氣性能分析及其測試

圖11 是用IGBT 模塊替代GTO 及其續(xù)流管 后的主電路原理圖，與GTO 斬波模塊主電路結(jié)構(gòu) 上是一致的，為分析比較兩者電路在加以觸發(fā)信 號時電氣性能，分別對他們的制動斬波電路(圖11 和圖2)進行了測試。IGBT的驅(qū)動電壓波形如圖 12 所示。

為使制動力較為平穩(wěn)，要求制動電阻上斬波 電壓波形的脈沖頻率高于500 Hz。在圖2 中，通過 兩個并聯(lián)但交替觸發(fā)驅(qū)動的方式，來達到制動電 阻上的斬波電壓波形為兩倍于脈沖頻率的電壓波 形(見圖7);而圖11 中，兩個IGBT不僅電路上是 并聯(lián)，而且控制上對兩路驅(qū)動信號“或”處理后也屬并聯(lián)工作了，將圖12 與圖7(a)對比看出，在圖12 上，G、E 端子上的驅(qū)動電壓波形(CH3)的頻率也被提高了一倍，制動電阻上的斬波電壓波形也就與原來的圖7(b)所示的一樣了。而此時流過 IGBT的電流可降為一半，而且其開關(guān)時間短，開關(guān)損耗小，這對IGBT的工作都是有利的。

同樣，也測試了兩者(GTO 和IGBT)制動斬波 模塊中其他部件的波形，它們顯示的波形幾乎是 一致的。

4 裝車試驗與總結(jié)

1)所研制的IGBT制動斬波模塊，通過實驗室 試驗后已于7 月底裝車，在試車線上做了不同速 度下的牽引與制動試驗，列車運行均正常，表明 IGBT制動斬波模塊工作正常，之后便投入正式運 營考核，至今運行一直正常。

2)從性能對比試驗看出，兩者性能幾乎一致， 且IGBT 的損耗要小，成本也低，這也明顯地降低 了該類車型的運營維護費用。

3)本項目研制的成功，不僅解決了GTO 停產(chǎn) 后的備品備件的問題，而且確保了AC01/02型電 動列車的持續(xù)可靠安全運營，這具有重要的經(jīng)濟 效益和社會意義。

4)目前，國內(nèi)上海、廣州和北京城市地鐵部門 都有進口的GTO 交流傳動車輛，對他們來說，本 次研制具有較好的參考與實用價值。