ONIX1500型牽引逆變器IGBT驅動匹配技術研究

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，上海 200233）

ONIX1500型牽引逆變器IGBT驅動匹配技術研究

平建祥

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，上海 200233）

地鐵在用ONIX1500型牽引逆變器因使用年限長、故障頻發，嚴重影響列車安全運營，經分析發現其主要故障點集中在特殊訂制器件IGBT上，上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司通過技術攻關，解決了IGBT與驅動板匹配困難及特殊訂制采購困難等問題，并優化了電氣性能。

牽引相模塊；脈寬調制方式；再生制動；IGBT功率模塊

一、研究背景

目前地鐵在用ONIX1500型牽引逆變器在5、6、8號線運行已超過5年、3號線超過10年，當前工作故障頻發并呈大幅上升趨勢。對列車安全運營造成嚴重影響。通過梳理分析，發現主要故障點集中在IGBT損壞上。ONIX1500型牽引逆變器所采用的IGBT為特殊訂制器件，無法采購。為此，進行技術革新，解決了備件問題，并進一步改善牽引模塊的工作性能，提高了列車運營的安全性與可靠性，降低了維護成本。

二、主要研究內容

1.剖析牽引逆變器結構特點，掌握其工作原理

（1）ONIX1500型牽引逆變器的工作原理

圖1 牽引逆變器原理圖

逆變相模塊（圖1）是牽引逆變器的核心部件，它的主要功能是牽引時將觸網的1 500V直流電通過脈寬調制方式(PWM)逆變成電壓、頻率可調(VVVF)的交流電，給三相交流電機供電，它可降低低速時的轉矩脈動，可產生近乎完美的正弦波電流輸出，并減少電機發熱及渦流損耗。在制動時將能量回饋到電網(再生制動)或消耗在制動電阻上(能耗制動)。

（2）驅動控制板的工作原理

驅動板是ONIX1500系列牽引逆變器的核心控制部件，它主要用于驅動IGBT通斷、監控電源電壓、反饋故障信息等功能。

①電源電路（圖2）由次級繞組帶中心抽頭的隔離升壓變壓器TR1、橋式整流二極管D8、D9、D10、D11、濾波電路R34、C15、R35、C16，三端集成穩壓芯片U6、U7、保護二極管D18、D12、電源指示燈DS1、DS2、消振電容C13、C14及濾波電容C17、C18組成。工作中隔離變壓器的一次側輸入電壓為±24V、35kHz的矩形波，二次側輸出為±48V、35kHz的矩形波，輸出電壓經單相橋式整流、RC濾波后電壓變為43V左右，經變壓器中心抽頭分壓后，分為±20VDC。分壓后的電壓經三端集成穩壓芯片U6和U7穩壓后輸出+15VDC和-12.5VDC。C13、C14是消振電容，起到防止穩壓器產生自激振蕩。C18、C17是濾波電容，構成低通濾波電路。這樣利用大容量的電解電容將中、低頻信號濾除，利用小容量的無極性電容將高頻信號吸收掉，使電源所含有的諧波分量不進入或少進入電路。

圖2 電源部分工作原理圖

②驅動電路（圖3）由晶體管T5、驅動芯片U3、U4、穩壓管D16，MOSFETT1、T3組成。驅動芯片U3、U4采用的是TC427，當輸入信號是高電平時，柵源極電壓＞開啟電壓，芯片飽和輸出為電源正電壓。當輸入信號是低電平時，柵源極電壓＜開啟電壓，芯片截止輸出為電源負電壓。驅動芯片U3所加的是正電源電壓(+15V、0V)，U4加的是負電源電壓(0V、-12.5V)。D16是穩壓管，穩壓值是15V。T1和T3分別是N溝道和P溝道增強型MOSFET，兩個管子以互補的方式工作，當T1導通時驅動板輸出-12.5VDC，IGBT截止；當T3導通時驅動板輸出15VDC，IGBT導通。

圖3 驅動部分工作原理圖

當T5飽和導通時，驅動芯片U3、U4均飽和輸出高電平，T1導通，T3截止，驅動板輸出-12.5V，IGBT截止。當T5截止時，由光耦合器U2決定輸出與否，當有輸入信號時，驅動芯片U3、U4均截止輸出低電平，T1截止T3導通，驅動板輸出15V，IGBT導通。當沒有輸入信號時，驅動芯片U3、U4均飽和輸出高電平，T1導通，T3截止，驅動板輸出-12.5V，IGBT截止。

③保護電路（圖4）具有正負電源欠電壓保護的功能。該電路由芯片LM293、電阻R63、R58、R54、R56、R68、R67、R66、R65、D2、D22等組成。LM293是低功耗雙電壓比較器，其兩只運算放大器并聯構成線與電路，均接有正反饋電阻做非線型應用，分別用于正負電源欠電壓保護，其中用于正電源欠電壓保護的運算放大器的等效電路如圖5所示。

圖4 保護電路部分工作原理圖

圖5 正電源欠電壓保護運算放大器等效電路

根據電工學疊加原理可得計算公式如下：

U+=R56×R63/(R56+R63)/[R58+R56×R63/ (R56+R63)]×Ui+R58×R56/(R58+R56)/ [R63+R58×R56/(R58+R56)]×Uo

式中：R56=6.19k、R58=10k、R63=205k，反相端電位被穩壓管D2限幅在4.7V，運放正相飽和時輸出電源電壓Uo=15V，反相飽和時輸出電源負電壓Uo＝-12.5V。分別代入式中得：Ui正相飽和=11.8V；Ui反相飽和=13.1V。

正電源欠電壓保護運算放大器的傳輸特性如圖6所示，當正電源電壓大于13.1V時，放大器輸出為+15V。根據上述結論，驅動芯片U3飽和，U3的7號腳上輸出為高電平+15V，晶體管T5截止，驅動板輸出與否由輸入信號決定。當電源電壓小于11.8V時，輸出為低電平-12.5V，經二極管限幅在-0.7V，驅動芯片U3截止，U3的7號腳輸出為低電平0V，晶體管T5飽和導通，驅動板輸出-12.5V電壓，IGBT截止。

圖6 正電源欠電壓保護運算放大器傳輸特性圖

負電源欠電壓保護運算放大器的等效電路如圖7所示。

圖7 負電源欠電壓保護運算放大器等效電路

圖8 負電源欠電壓保護運算放大器傳輸特性

根據電工學疊加原理可得計算公式如下：

U+=R66×R68/ (R66+R68)/[R67+R66×R68/ (R66+R68)]×Ui+R66×R67/ (R66+R67)/[R68+R66×R67/ (R66+R67)]×Uo

式中R66=6.81k、R67=6.89k、R68=162k，反相端電位被穩壓管D22限幅在-7.8V，運放正相飽和時輸出電源電壓Uo=15V，反相飽和時輸出電源負電壓Uo＝-12.5V。分別代入式中得：Ui正相飽和=-15.7V；Ui反相飽和=-14.7V。

負電源欠電壓保護運算放大器的傳輸特性如圖8所示，當負電源電壓＞-14.7V時，放大器輸出為+15V，驅動芯片U3飽和，U3的7號腳輸出為高電平+15V，晶體管T5截止，驅動板輸出與否由輸入信號決定。當電源電壓＜-15.7V時，輸出為低電平-12.5V，經二極管D17限幅在-0.7V，驅動芯片U3截止，U3的7號腳輸出為低電平0V，晶體管T5飽和導通，驅動板輸出電壓-12.5V，IGBT截止。

2.對IGBT功率管（1 200A/3 300V）的創新試驗

原先使用的是三菱公司為阿爾斯通特殊定制的IGBT，現選用日立、ABB功率管進行試驗，并對其關鍵技術參數進行了橫向比較,結果如表1所示，保證了試驗的可行性。

3.改進驅動控制板的電氣參數

直接使用日立、ABB功率管替代三菱功率管會引起牽引逆變器開通、關斷故障。在完成功能性試驗以及掌握牽引逆變器工作原理的基礎上，對驅動控制板上的電氣參數進行改進，使改進后的IGBT與驅動板在靜態、動態特性上相匹配，這是本項目的重點、難點所在。

在IGBT改造期間，雖然模塊改進后測試無異常，但部件裝上車運行一段時間后故障就會出現。經分析，找到原因：由于驅動板帶有過電流保護功能，該功能是通過監控管壓降Vce來實現的。

表1 三菱IGBT與ABB、日立IGBT性能比較

（1）管壓降Vce主要受3方面影響

①工作溫度：溫度越高，管壓降Vce越大；

②負載：負載越重，電流越大，管壓降Vce越大；

③器件性能：器件使用時間越長，性能越差，管壓降Vce越大。

由于在使用日立或ABBIGBT進行替代時，管壓降Vce超出驅動板的設定值，導致牽引模塊不能正常工作，而落車時由于沒有大功率測試平臺，所以很難找到故障。

經過和同類型模塊的比較發現該驅動板設定值偏低，目前牽引模塊驅動板設定值是6V左右，一旦超過就會封鎖輸出，通過調整部分參數的值，將設定值提高15%到7V左右，在兼顧管耗的前提下，大大提高牽引模塊的工作穩定性，避免全部更換IGBT部件，節約了大量成本。

（2）具體改進方法

①在管子關斷時,運算放大器的反相端參考電壓等于8.5V。

根據公式：Ui×R23/(R23+R24)＋Uo×R24/ (R23+R24)=8.5

若代入Uo=6V，則：Ui=8.6V；

若Uo=-12V，則：Ui=9.5V。

根據以上公式，管子關斷時的傳輸特性如圖9所示。

圖9 IGBT關斷時傳輸特性

從傳輸特性可以得出，由于IGBT關斷時，輸入電壓為15V，運算放大器輸出高電平，牽引模塊可以正常工作。

②在IGBT導通時,運算放大器的反相端參考電壓等于取決于管壓降大小，管壓降越大，傳輸特性越往右移，管壓降越小，傳輸特性越往左移。根據公式：

Ui×R23/(R23+R24)＋Uo×R24/(R23+R24)=2.5

若代入Uo=6V，則：Ui=2.3V；

若Uo=-12V，則：Ui=3.5V。

根據以上公式，管子導通時的傳輸特性如圖10所示。

由于IGBT導通時，輸入電壓為2.6V，由傳輸特性可知運算放大器輸出高電平，牽引模塊可以正常工作。當對IGBT進行替代時，由于新器件管壓降高，傳輸特性右移，可能存在輸出負電壓的情況，使得驅動板封鎖輸出，導致牽引模塊不能正常工作。

圖10 IGBT導通時傳輸特性

③根據以上分析，制定驅動板創新方案，如圖11所示。

圖11 驅動板部分原理圖

通過改變R12的阻值，從原來100k調整到95k，補償由于管壓降的升高而導致運算放大器反相端的電位上升，使得傳輸特性左移，有效工作區域增加，在對IGBT進行替代后，牽引模塊仍能正常工作。

4.上車動態調試

項目小組于2013年3月20日將牽引模塊185裝車試驗，至今工作正常，證明了通過改變電阻的阻值來達到與驅動板匹配的方案是可行的。

三、應用效果

1.應用情況

（1）工藝應用

形成ONIX1500型牽引逆變器拆裝工藝、調試工藝、驅動板單板調試工藝，被應用在3號線牽引逆變器的架大修和部件修中。

（2）創新項目

將MBN1200E33E型IGBT安裝于ONIX1500型牽引逆變器，新的IGBT在技術參數上能夠滿足的牽引模塊的電氣需求，通過調整驅動板參數后，牽引逆變器在列車上運營正常。

2.經濟效益

據統計，2012年維修牽引逆變器數量為115臺，每臺維修平均更換2個IGBT。CM1200HB-66H型IGBT單價為32 000元，MBN1200E33E型IGBT單價為10 000元。計算得出總節省金額為506萬元。

3.社會效益

由于掌握了IGBT驅動匹配技術，一方面解決了備件問題，另一方面有效降低了由于IGBT引起的牽引逆變器故障，提高了部件檢修效率。

[1]金如麟,譚弗娃.電力電子技術基礎[M].上海交通大學出版社,2001.5.

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