大功率IGBT在廣州地鐵三號(hào)線列車牽引系統(tǒng)的應(yīng)用

魏曉婷

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 511430）

0 引言

電力電子技術(shù)在當(dāng)今急需節(jié)能降耗的工業(yè)領(lǐng)域起到了不可替代的作用，而IGBT在大功率開關(guān)電源等電力電子技術(shù)的能量變換與管理應(yīng)用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)元件，因此如何安全可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT便成為使其性能穩(wěn)定的重中之重。在使用IGBT構(gòu)成的電路中，大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路起到弱電控制強(qiáng)電的作用。因其重要性，可以將該電路看成是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

基于IGBT的穩(wěn)定性能特性，現(xiàn)已大量用于軌道交通車輛，廣州地鐵三號(hào)線列車牽引系統(tǒng)便采用IGBT組成的逆變模塊。

1 列車牽引系統(tǒng)介紹

廣州地鐵三號(hào)線是采用120 km/h高速B型車的城市軌道交通系統(tǒng)，該車采用西門子的牽引系統(tǒng)。高速行駛的列車對(duì)牽引系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的要求，IGBT作為牽引逆變器的核心更是起到?jīng)Q定性的作用，其功能的穩(wěn)定與否直接影響著牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至決定列車的安全性能。

2 功率半導(dǎo)體元件IGBT在牽引系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 IGBT的安裝位置

在牽引逆變器中，PWM逆變器的6個(gè)電源模塊（A1～A6）和制動(dòng)斬波相的電源開關(guān)（A7、A8）均使用IGBT半導(dǎo)體，這些IGBT均安裝在緊湊型逆變器的散熱板上，如圖1所示。

圖1 緊湊型逆變器散熱板上各模塊的安裝位置

圖2 制動(dòng)回路（一個(gè)制動(dòng)斬波器）

PWM逆變器電源模塊中集成了IGBT及與其并聯(lián)的其儲(chǔ)能二極管。并聯(lián)的二極管防止負(fù)載端感性元件（如：電機(jī)）的影響，感性元件具有電流不能突變的特性使其在突然斷電的情況下會(huì)產(chǎn)生巨大的反向電壓，并聯(lián)二極管則可使大電壓產(chǎn)生的瞬間電流通過二極管釋放，避免加載在斷開的IGBT兩端，起到保護(hù)作用。制動(dòng)斬波模塊的儲(chǔ)能二極管集成在二極管模塊A9中，儲(chǔ)能二極管在IGBT功率半導(dǎo)體元件關(guān)閉后通過制動(dòng)電阻進(jìn)行引流，如圖2所示。

2.2 IGBT的門控器模塊

IGBT門控模塊A10～A80安裝在緊湊型逆變器的后側(cè)。如圖3所示。

此IGBT門控單元用于控制1.7 kV或3.3 kV的IGBT模塊。該模塊有一個(gè)光纖電纜的輸入和一個(gè)用于電氣隔離的變壓器。此模塊能通過一個(gè)連接頭進(jìn)行譯碼，逆變器和制動(dòng)斬波器IGBT可以通過相同的門控器模塊進(jìn)行控制。IGBT通過纖維光纜由逆變器控制單元直接控制。所有的模塊由一個(gè)24 V/60 kHz的電源供電。如圖4所示。

圖3 IGBT門極控制模塊A10—A80在緊湊型逆變器的位置

IGBT門控器模塊是一個(gè)160 mm×70 mm大小的印刷電路板。電路板包括帶電氣隔離的電源、電源檢測(cè)、光導(dǎo)纖維的門極和邏輯、觸發(fā)電源、輸出級(jí)和過電壓保護(hù)。如圖5所示。

由于產(chǎn)生波形邏輯的控制電路與主回路之間存在電壓差異，且主回路存在非常高的電磁干擾，所以需要進(jìn)行信號(hào)傳遞的隔離及電源供給的隔離。信號(hào)隔離分為光耦隔離、脈沖變壓器隔離。而廣州地鐵三號(hào)線列車則采用電源供給隔離。

電源包括一個(gè)可實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能的變壓器、整流和緩沖作用的電容（緩沖時(shí)間大約為200 ms）。電源將±12 V/60 kHz轉(zhuǎn)化為±24 V直流電源為模塊供電，電源檢測(cè)模塊監(jiān)控±24 V電源是否正常，若異常將發(fā)送禁用信號(hào)至IGBT模塊，確保供電電源故障時(shí)IGBT能夠安全關(guān)閉。當(dāng)黃色的LED燈亮起時(shí)表示電源正常。如圖6所示。

圖4 緊湊型逆變器門控模塊框圖

圖5 門控器模塊

門極模塊由逆變器控制單元通過纖維光纜進(jìn)行門控。譯碼插頭可以為模塊進(jìn)行編程，所以其可以對(duì)PWM逆變器的IGBT或制動(dòng)斬波器的IGBT進(jìn)行門控。對(duì)于PWM逆變器的IGBT來說，可不連接譯碼連接器，IGBT的指示燈亮起表示IGBT已導(dǎo)通，否則意味著IGBT被封鎖；對(duì)于制動(dòng)斬波器的IGBT，必須連接譯碼連接器，而邏輯則正好與PWM逆變器相反，當(dāng)IGBT的指示燈亮起時(shí)表示其被封鎖，否則意味著IGBT導(dǎo)通。

圖6 IGBT門極控制模塊框圖

門極電壓的產(chǎn)生為輸出級(jí)提供了一個(gè)典型的門極信號(hào)，它優(yōu)化了IGBT的開關(guān)特性。輸出級(jí)要符合IGBT門控信號(hào)的電壓等級(jí)。

兩個(gè)LED燈（紅色和綠色）均連接在門極電路的輸出端，能夠快速識(shí)別IGBT的開關(guān)狀態(tài)：綠燈亮起表明IGBT已關(guān)閉；紅燈亮起表明IGBT已開通。

IGBT的過流檢測(cè)及保護(hù)一般采用間接電壓法。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流情況時(shí)，VCE飽和壓降增大，因此通過檢測(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)的VCE飽和壓降與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較可以判斷是否出現(xiàn)過流。

圖7 緊湊型逆變器IGBT門控模塊電源的位置

圖6 中過電壓限制器能夠檢測(cè)到嚴(yán)重的過電壓從而檢測(cè)過電流，它將封鎖IGBT以至于IGBT能夠再次閉合，從而限制過電壓的情況。

2.3 IGBT控制模塊電源

電源模塊A82位于緊湊型逆變器的后面，門控器的中間。供電電源的兩個(gè)配電母線A85和A86位于門控模塊的前面。如圖7所示。

A82模塊是所有IGBT門控模塊的中央供電電源。如圖8所示。

此模塊將直流24 V電源轉(zhuǎn)化為交流±12 V電源，24 V電源可通過配電母線A85和A86作為IGBT門控模塊的供電電源。此模塊反饋一個(gè)由逆變器控制單元給出的正常電源信號(hào)。門控模塊中的變壓器提供電氣隔離。如圖9所示。

圖8 電源回路框圖

圖9 帶配電母線的電源A82和門極控制模塊

圖10 電源模塊A82框圖

A82電源模塊是一個(gè)160 mm×50 mm大小的印刷電路板。其包括防極性錯(cuò)誤的二極管保護(hù)、輸入濾波器、電源檢測(cè)、限流和斬波器。如圖10所示。

正極輸入電路中的二極管用于保護(hù)模塊防止因極性錯(cuò)誤造成的損傷；輸入濾波器可中斷模塊電壓和輸入電壓，還可用作儲(chǔ)能裝備和保護(hù)輸入電壓不被供電回路所影響；電源檢測(cè)模塊監(jiān)控模塊的輸入電壓，它提供一個(gè)檢測(cè)正常的信號(hào)，并通過一個(gè)光耦器件實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

3 結(jié)論

IGBT因其電壓控制、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)成為逆變電路的首選開關(guān)器件，優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)保障了由IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

［1］SIEMENS.Guangzhou Metro line3 Traction Inverter Description［Z］.2003.