地铁车辆GTO制动斩波模块的IGBT国产化替代研制

2019-08-13 10:57

1 概述

  上海首批交流传动地铁车辆,现编号为 AC01/02 型电动列车,是上世纪90 年代末从德国 引进的先进的交流传动车辆,其关键的核心部件 是采用当时先进的可关断晶闸管GTO 构成的主 牵引逆变器。

  由于电力电子技术的进步与发展,新一代性 能优良的绝缘栅双极型晶体管IGBT 模块的电压 电流等级有突破性的提高,电压等级已从1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V,电流也从 600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。此 外,IGBT 模块在性能上比GTO 器件有多项优点: 开关损耗小,开关频率较高;可结合层压低感母线 实现无吸收电路;属电压型驱动,电路功耗较低; 具有抗短路自保护能力;改进了材料与工艺使其 满足牵引对热交变负载工况的要求;绝缘式模块 也简化了散热器与变流装置的结构等[1]。

  因此,采用IGBT构成的变流装置比GTO 的体 积小、重量轻、效率高,并且性能也好,所以在城市轨 道电动车辆牵引领域中所应用的GTO已在不断地被IGBT模块取代,高压IGBT模块(或HVIGBT)已 成为轨道车辆上选用的主流产品。考虑到GTO退 出在轨道车辆中的应用,进而开展对这类进口的 GTO车辆进行IGBT 的国产化替代研制是非常必 要,并且具有重要的经济意义和重大的社会效益。

  GTO牵引逆变器的核心部件是由3 个牵引相 模块和1 个制动斩波模块所构成,这里主要阐述 对制动斩波模块的IGTB的国产化替代研制,因为 对牵引相模块已完成了相应的替代研制[2]。

2 GTO 制动斩波模块

  在AC01/02 型电动列车上的GTO 牵引逆变 器中,其制动斩波模块是用于当电网不能吸收再 生制动反馈来的电能时将此反馈能量消耗在制动 电阻上。

  2.1 制动斩波模块结构

  制动斩波模块的结构与逆变器的牵引相模块 结构类似,如图1所示。其结构部件可分为用于安 装各类组件的散热器底盘;构成制动斩波模块的 两个晶闸管GTO 及其续流管D 和制动电阻的续 流管;用于吸收换流尖峰电压的电阻、电容和二极管组成的低损耗的吸收电路;晶闸管GTO 用的门 极驱动组件,它由A3、A2 和A1三个小部件构成, 以及三个小部组件之间的连线及光缆等;此外还 有温控小部件。

  这些结构部件可归纳为三类:主电路部件由 晶闸管GTO、续流管D 及吸收电路构成;控制电 路部件由双门极控制单元A3 和高压驱动单元A1 与A2及其之间的连线与连接光缆等构成,还有温 控部件;机械结构部件主要为散热器底盘及其他 用于固定部件的结构件。

  2.2 制动斩波模块上的接口件

  制动斩波模块与外部的接口件分为:主电路 方面有5 个接口端子P(+)、N(-)、L(~)及C+和 C-;控制电路方面有双门极控制单元A3上的引入 电源的接线插座X9 和与TCU 相连的导入驱动信 号的电缆座X2,以及底盘上的用于温度保护的 PT100 的插座X5。

  制动斩波模块上部件间的接口件有:双门极控 制单元A3上的光缆连接插座B3和B4,分别对应 高压驱动单元的A2和A1上的光缆连接插座;双门 极控制单元A3上的连线端子-X5和-X6,分别对应高压驱动单元的A2和A1的连线端子-X2和-X1。

  2.3 制动斩波模块的电气原理

  2.3.1 主电路及其原理

  GTO 制动斩波模块的主电路图如图2 所示, 由图2 看出V1 与V2 是两个并联的主晶闸管 GTO1 和GTO2;V4 为V2 和V1(GTO)的续流管;V3 是制动电阻的续流管;电容C1 、C2 、C5 、C6 与吸收二 极管V5~V6 以及与端子C+相连的外接电阻R1 一 起构成低损耗的吸收电路;R7 和C7 是保护V5、V6 用的。在制动斩波器中两个并联的主晶闸管V1 与 V2是交替导通的,一个在正半波内导通,另一个在 负半波内导通;PWM的规律是定频变宽的脉冲宽 度调制方式。

  采用这种通断方式是由于GTO 的开关频率 限制在400 Hz左右,为了抑制制动电阻上的电流 脉动以改善制动性能,这样就可以提高制动电阻 上脉宽调制的频率,使其满足大于500 Hz 的斩波 频率的要求。

  图圆中的高压驱动单元A1 和A2 是直接驱 动GTO 的驱动单元,通过A1 和A2 按PWM 规律 交替通断V1(GTO1)和V2(GTO2)可在制动电阻上 得到双倍于脉冲频率的调制波,有利于抑制制动 电流的脉动。

  其吸收电路的工作原理是在V1 和V2 均关断 的初始状态下,电容C5、C6被充电至电源电压,电 容C1、C2经制动电阻也被充电至电源电压。

  当V2或V1导通时,电流从正端P流入,经V2 或V1 和制动电阻再到负端N,制动电阻得电。此 时C1、C2通过外接电阻R1放电至近似为0 V。

  当V2与V1均关断时,一方面,制动电阻经续流管V3 续流;另一方面,经换向二极管和换向电 容C1、C2及C5、C6 吸收主管关断时的尖峰电压;同 时,换向电容C1、C2再经制动电阻又被充电至电源 电压。

  从以上分析看出,在换流过程中,漏感中能量 所造成的尖峰电压能被吸收电路有效抑制,但同 时也有部分能量反馈给电源。

  2.3.2 控制电路及其原理

  控制电路框图如图3 所示。图中双门极控制 单元A3要实现对高压驱动单元A2 和A1 的逻辑 控制;A3 上有控制电路的输入电压连接插座X9, 其输入电压为直流140 V;A3上的接线端子X5 和 X6 是两个输出端子,每个接线端子有4 根信息输 出(电源)线,分黑白与红蓝两组,X5 输出到高压 驱动单元A1,X6 输出到高压驱动单元A2;同时 A3 上的两个光缆座B3 和B4 通过相应的两根光 缆LWL各自连向A2 和A1上的光缆座,并且A2 和A1 上装有光缆的发射器,而A3上的B3 和B4 是光缆的接收器。

  控制电路原理及光缆的作用是当A3 的X9 接线座子输入直流电压140 V 时,输出端子X5 或 X6 的黑白线上信号为依65 V、50 kHz 的方波电源 (图4),而红监两根线上无信号。此时A1 和A2上 的光缆发射器点亮通过光缆发射光束,让A3上的B3和B4光缆接收器接收到红外光束,同时A1 和 A2 的触发GTO 的输出端子G 与K 是负偏置,电 压约为-15 V,即两个并联GTO是处于断态。所以 此两根光缆仅是传递GTO的断态的状态信息。当 A3得知两个GTO 均处于断态时,才允许向A1 或 A2 发送触发导通信号。

  由此看出,这里对GTO 的触发信息不是由光 缆发送的。通过分析与测试得出,X5 或X6端子上 的红蓝两根线是用来给GTO 传递通断的触发信 号。通断信息是由与TCU相连的X2接口得到的, 再通过上述的X5 或X6 的红蓝两根线传递给 GTO的驱动单元A2 或A1 的。

  X5 或X6 的红蓝两根线输出的触发信息波形 如图5 所示,将图5(a)的波形展开,得图5(b)和 (c)波形,由波形图看出,触发导通时GTO 导通信 息的前沿有几十滋s宽的强触发信号;关断时也有 足够的关断能量(约反压140 V、宽20 滋s 的脉 冲),保证可靠关断。

  2.4 制动斩波模块性能分析及其测试

  根据上述分析,在与TCU 相连的接口X2 上 输入触发信号,X5 或X6 的红蓝两根线输出的触发信号波形见图5,通过A1 或A2就可触发GTO 的通与断。从对应的GK 测试波形(图6 所示)的 上升沿[图6(b)] 与下降沿[图6(c)]的分析看出, 所测试的触发波形是符合对GTO 驱动电路所要 求的触发波形。从图6(b)中可知,导通瞬间有50~ 60 滋s 宽度的强触发脉冲,然后有维持正向导通约 1 V 的压降;从图6(c)可见,关断时有强的反向电 压脉冲,最后维持在约-15 V的反向偏置。

  结合制动斩波模块主电路(图2)可以看出,当 在P 与N施予直流电压时,由TCU按一定规律发 出PWM 通断信息,经A3 及A2 与A1 交替触发 GTO1 和GTO2(见图7(a)),即可在输出端的制动 电阻上得到两倍于脉冲频率的斩波电压波形,如 图7(b)所示(10 V/div)。

3 IGBT 制动斩波模块的研制

  3.1 IGBT 制动斩波模块结构设计

  基本结构方案如图8 所示。

  CQ 为控制、信号转换、保护及驱动电路,A3 为驱动控制逻辑单元,A2、A1 为高压驱动单元, IGBT 为绝缘栅双极型晶体管,Snub 为吸收电路。 在图8 中,IGBT 替代GTO 及其续流管,因为在IGBT模块中已包含有本身的续流管;制动电阻续流 管未画出来;A1和A2是原来驱动GTO 的高压驱 动单元;CQ1和CQ2是所研制的包含了控制、信 号转换与保护电路的驱动IGBT的驱动电路单元。

  从GTO制动模块结构看,所布置的IGBT和 制动电阻续流管的散热面积要比GTO 及其续流 管大,因而对其散热是有利的。

  从主电路及其对外连接的端子看,有足够的 空间来安排和考虑,并尽量从减少分布电感及有 利于均流来布置,保留模块原有的对外连接的端 子不变。

  关于IGBT驱动电路的布置设计,可以将其布 置在A1 和A2 的下面,固定在一块绝缘的环氧板 上,空间足够,固定将是很牢靠的。

  通过上述结构方案经多次试验、改善与优化,可以实现制动斩波模块的国产化替代研制。

  3.2 IGBT制动斩波模块驱动电路方案及其分析

  通过对G与K 触发波形分析来构建IGBT驱 动电路方案,并分析了三种可能的电路方案,第一 种由分立元件电路构成,第二种是采用瑞士公司 生产的IGD515驱动模块构成的电路方案,第三种 也是用瑞士公司生产的2SD315驱动模块构成。通 过对其所构成的驱动电路分析与试验,及其对测 试波形的比较,选择由2SD315驱动模块来构成的 IGBT驱动电路较为合适;信号转换电路也通过采 用光耦与运放比较后,宜采用后者或组合式来构 成。由于采用IGBT模块,其开关频率的限制值要 比GTO 的大得多,为此把原交替触发方式通过 或处理将两个并联的IGBT都同时触发,也即控 制上也是并联工作的。所设计的控制与驱动原理 框图如图9 所示。

  通过对所设计与研制的驱动电路板的试验, 得到如图10 所示的测试波形。输入为G、K 端的 VGK 波形(CH2-5V/div),输出为触发IGBT 的VGE 波形(CH1-5V/div)。

  由测试波形图10 看出,G 与K的触发通断波 形VGK与IGBT 的触发波形VGE 的前沿、后沿几乎完全吻合;如对其前、后沿展开并比较后可得出, VGE 波形前沿对VGK 波形而言,延时约1 滋s;而其 后沿延时约2 滋s,故其导通脉宽约宽1 滋s,这差 异在工程上完全可忽略不计,也可说,这么小的差 异早被淹没在制动力的闭环控制调节之中了。

  3.3 IGBT制动斩波模块电气性能分析及其测试

  图11 是用IGBT 模块替代GTO 及其续流管 后的主电路原理图,与GTO 斩波模块主电路结构 上是一致的,为分析比较两者电路在加以触发信 号时电气性能,分别对他们的制动斩波电路(图11 和图2)进行了测试。IGBT的驱动电压波形如图 12 所示。

  为使制动力较为平稳,要求制动电阻上斩波 电压波形的脉冲频率高于500 Hz。在图2 中,通过 两个并联但交替触发驱动的方式,来达到制动电 阻上的斩波电压波形为两倍于脉冲频率的电压波 形(见图7);而图11 中,两个IGBT不仅电路上是 并联,而且控制上对两路驱动信号或处理后也属并联工作了,将图12 与图7(a)对比看出,在图12 上,G、E 端子上的驱动电压波形(CH3)的频率也被提高了一倍,制动电阻上的斩波电压波形也就与原来的图7(b)所示的一样了。而此时流过 IGBT的电流可降为一半,而且其开关时间短,开关损耗小,这对IGBT的工作都是有利的。

  同样,也测试了两者(GTO 和IGBT)制动斩波 模块中其他部件的波形,它们显示的波形几乎是 一致的。

4 装车试验与总结

  1)所研制的IGBT制动斩波模块,通过实验室 试验后已于7 月底装车,在试车线上做了不同速 度下的牵引与制动试验,列车运行均正常,表明 IGBT制动斩波模块工作正常,之后便投入正式运 营考核,至今运行一直正常。

  2)从性能对比试验看出,两者性能几乎一致, 且IGBT 的损耗要小,成本也低,这也明显地降低 了该类车型的运营维护费用。

  3)本项目研制的成功,不仅解决了GTO 停产 后的备品备件的问题,而且确保了AC01/02型电 动列车的持续可靠安全运营,这具有重要的经济 效益和社会意义。

  4)目前,国内上海、广州和北京城市地铁部门 都有进口的GTO 交流传动车辆,对他们来说,本 次研制具有较好的参考与实用价值。

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