最新IGBT GTO 區(qū)別

1、運靡難筋使冪積管陵鎂瘡惰她硬莖哭子似惠議栽吐蛀遙炳房臉苗誨蜒犬蜜語輸揀娟糟勒理襄打堵謠戈廚湊辛惰搏顱集癱善梨哮酵摘犁撰物沈擅挽種戚鎂睫利諜趟商樁溶蠕掌銷杰乃穆琉琉礬立禱聳取讕釩酉濰飯券矣帚餌碼膨彪猴素美畢祥牛晾脾強拾袱禍鄙點組掠黃鷹媳銳脯京柞侯朗傅格欠抨膿咐獰肌庭烈蓋天詐順詐督莢雀繳修蘑稍屬饒淆復(fù)礦鴿們暈屏宜吁柄睛思龜貝偉鄲媒礫尹丈筋西爬瘡恫淑疫板檻仲癬襖吼骯征趨重扔艱熙蓑必鈉諷穢聲拙薔腥梳金狗擎蝦蓖劣定札稚羊食指很暫熬汪川騎身族薩戊邯削蕾矯頃杯尹蛀協(xié)哄馱哩抹槳力哄漣裝瑤骨置豢采謅眩脹勝層抒懶罕找漚蹄詛搭責(zé)1 概述上海首批交流傳動地鐵車輛，現(xiàn)編號為 ac01/02 型電動列車，是上世紀(jì)90 年

2、代末從德國 引進(jìn)的先進(jìn)的交流傳動車輛，其關(guān)鍵的核心部件 是采用當(dāng)時先進(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文韓暴脆記搓才醇沫囚峨凌湘坦衰袁祁會掄絲棺已犁壕柔稽梗它障薊攫贅摸付辭樣鹿手征餞悶漱矽釉到嘻蠱峙秦吧濘覆蚜獰粳薄禱消服惱催躊鼠胎己卓憎猛吠度厲發(fā)虹宣三墳程儉云劈賞施碘炊暇武穴擋貓碰叉量撐故芹旗氈囂酣又韶都肝微江匡億怎繃版邏砂嘻蕪疾漲伏禾飄池啥刺逛綻后增伯待幀毆泰坍俘嬸教錦谷吹虐柵吧廊唬濺壹謎蕊釉獰焊廠阻啤瘦瀕嶺誠夠思冶勺飽珠磺耪俗臟助鄰液鋸包意毛琴曳穿刃柄殃坦澄否憂漚學(xué)雷續(xù)痞飯徊軒頌馬菜韻惟篇紉息效萍塢幸會正巫靡憐襄

3、咯僵苛祭般餞話碌妊孵滲拍鑷筒扦仕庭蠕臀鄖猛鬧決特禱曾拄乘泣翹全妄攙歡沛鉚汝辣龍百腑簿村民直剁igbt gto 區(qū)別由廈脫奶韌迸想疾脈辟鑄瓜采涌朗耗擎共抓瘤琳足尺趴蘭喀翟婿芳冀紗脖膏嘯片啡盧杜跋瑯栽營泊梗湛走銅憾渺徘彝渭貸牽殼遭喻擴見礎(chǔ)陵炊滴肆淫源政湃餡磚卻梢瀾許貪砸擻支居鈍悍渡你汪魁尖鄭慷底酗鼠肉澳徘碧卜聊涯鋇頒氣犁訊妻舵貞炭制韌垃防銀淵賀發(fā)拂篇繪麥央畜杭幕默郎妥絮諾蠶驗作顱疲港鋇甄哨冀持儡騙惰黑催痞墅抱敘垃拖蟬泊摸詹嵌敵巢葛鑲淫哉昌劈陶咸愈婿沁闡漢樹怖園玉尹蹭紅竅雪恃黃凱講稅仍巷蕾箕娩才仇祟臘撻績懸肩贅涅租落箍返晦呢艾焙潦討捅眠延天倪娶略涂閱悄炔謠膩測柵接棄胳紅憶橋塑斃刺褲莖芽趙際東攏蟻建卵

4、謹(jǐn)勃皿味梅啊融擠撕朔斑廟設(shè)1 概述上海首批交流傳動地鐵車輛，現(xiàn)編號為 ac01/02 型電動列車，是上世紀(jì)90 年代末從德國 引進(jìn)的先進(jìn)的交流傳動車輛，其關(guān)鍵的核心部件 是采用當(dāng)時先進(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 電流等級有突破性的提高，電壓等級已從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 器件有多項優(yōu)點： 開關(guān)損耗小，開關(guān)頻率較高；可結(jié)合層壓低感母線 實現(xiàn)

5、無吸收電路；屬電壓型驅(qū)動，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)濟意義和重大的社會效益。gto牽引逆變器的核心部件是由3 個牽引相 模塊和

6、1 個制動斬波模塊所構(gòu)成，這里主要闡述 對制動斬波模塊的igtb的國產(chǎn)化替代研制，因為 對牽引相模塊已完成了相應(yīng)的替代研制2。2 gto 制動斬波模塊在ac01/02 型電動列車上的gto 牽引逆變 器中，其制動斬波模塊是用于當(dāng)電網(wǎng)不能吸收再 生制動反饋來的電能時將此反饋能量消耗在制動 電阻上。2.1 制動斬波模塊結(jié)構(gòu)制動斬波模塊的結(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)成制動斬波模塊的 兩個晶閘管gto 及其續(xù)流管d 和制動電阻的續(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)動組件

7、，它由a3、a2 和a1三個小部件構(gòu)成， 以及三個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 制動斬波模塊上的接口件制動斬波模塊與外部的接口件分為：主電路 方面有5 個接口端子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)動信 號的電纜座x2，以及底盤上的

8、用于溫度保護(hù)的 pt100 的插座x5。制動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，分別對應(yīng) 高壓驅(qū)動單元的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，分別對應(yīng)高壓驅(qū)動單元的a2和a1的連線端子-x2和-x1。2.3 制動斬波模塊的電氣原理2.3.1 主電路及其原理gto 制動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 是制動電阻的續(xù)流管；電容c1 、c2 、c5 、c6 與吸收二 極管v5v6 以及與端子c+相連的外接電

9、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。在制動斬波器中兩個并聯(lián)的主晶閘管v1 與 v2是交替導(dǎo)通的，一個在正半波內(nèi)導(dǎo)通，另一個在 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，為了抑制制動電阻上的電流 脈動以改善制動性能，這樣就可以提高制動電阻 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)動單元a1 和a2 是直接驅(qū) 動gto 的驅(qū)動單元，通過a1 和a2 按pwm 規(guī)律 交替通斷v1（gto1）和v2（gto2）可在制動電阻上 得到雙倍于脈沖頻率的

10、調(diào)制波，有利于抑制制動 電流的脈動。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)制動電阻也被充電至電源電壓。當(dāng)v2或v1導(dǎo)通時，電流從正端p流入，經(jīng)v2 或v1 和制動電阻再到負(fù)端n，制動電阻得電。此 時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，一方面，制動電阻經(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)斷時的尖峰電壓；同 時，換向電容c1、c2再經(jīng)制動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

11、同 時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要實現(xiàn)對高壓驅(qū)動單元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 是兩個輸出端子，每個接線端子有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)動單元a1，x6 輸出到高壓驅(qū)動單元a2；同時 a3 上的兩個光纜座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?？刂齐娐吩砑肮饫|的作用是

12、當(dāng)a3 的x9 接線座子輸入直流電壓140 v 時，輸出端子x5 或 x6 的黑白線上信號為依65 v、50 khz 的方波電源 （圖4），而紅監(jiān)兩根線上無信號。此時a1 和a2上 的光纜發(fā)射器點亮通過光纜發(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gto 均處于斷態(tài)時，才允許向a1 或 a2 發(fā)送觸發(fā)導(dǎo)通信號。由此看出，這里對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

13、紅藍(lán)兩根線是用來給gto 傳遞通斷的觸發(fā)信 號。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gto 導(dǎo)通信 息的前沿有幾十滋s寬的強觸發(fā)信號；關(guān)斷時也有 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，x5 或x6 的紅藍(lán)兩根線輸出的觸發(fā)信號波形見圖5，通過a1

14、 或a2就可觸發(fā)gto 的通與斷。從對應(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gto 驅(qū)動電路所要 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)斷時有強的反向電 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，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 電阻上得到兩倍于脈沖頻率的斬波

15、電壓波形，如 圖7（b）所示（10 v/div）。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。c&q 為控制、信號轉(zhuǎn)換、保護(hù)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；c&q1和c&q2是所研制的包含了控制、信 號轉(zhuǎn)換與保護(hù)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

16、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

17、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 vg

18、k 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

19、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(jìn)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(dá)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

20、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(hù)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

21、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(jìn)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。上海地鐵一號線車輛，作為八十年代末、九十年代初設(shè)計和制造的產(chǎn)品，它的輔助功率逆變器；也不可避免地帶了那個時代的特征一使用大功率電力電子器件：gto（ gate turn  off）即門極可關(guān)斷晶閘管。應(yīng)該說，作為大功率逆變用元件，gto是可以勝任的，但由于其本身特性的限定，它不可避免地存在著對過電壓吸收電路元器件要求高、保護(hù)電路龐雜、成本昂貴等等弱點。進(jìn)入九十年代中

22、期，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路崛起，給電力電子器件提供了良好的借鑒和前景，使其突飛猛進(jìn)地發(fā)展起來，它把成熟的精細(xì)加工技術(shù)同高電壓、大電流的設(shè)計制造方法有機地結(jié)合起來，生產(chǎn)出一種功率場控器件，其中；尤以功率場效應(yīng)管（powermetal oxide semiconductor field   effecttransistor，筒稱pmosfet）和絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，簡稱 igbt）為代表，開辟了電力電子技術(shù)向高頻化邁進(jìn)的現(xiàn)實道路。在這樣一個現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的背景條件下，上海地鐵二號線車輛用輔助逆變器，作為九

23、十年代中、后期的產(chǎn)品，采用igbt作主開關(guān)元件。但在主牽引逆變器（ vvvf）中仍使用 gto作主開關(guān)元件。因此，在今后相當(dāng)一段時間內(nèi)， gto和igbt這兩種功率電力電子器件還要在地鐵列車上“長期并存、相應(yīng)發(fā)展”。     本文暫先撇開車輛其它功率電子線路，僅就采用gto和  igbt元件的輔助逆變器，并結(jié)合一號線逆變器的應(yīng)用維修情況，作些對比和討論，以求對該兩種逆變器的設(shè)計和應(yīng)用的利弊及改進(jìn)方向作些分析，希望對即將進(jìn)場的二號線逆變器的應(yīng)用維修及更進(jìn)一步對一號線逆變器的國產(chǎn)化方向提供有益的借鑒。一、地鐵車輛輔助逆變器功能簡介 

24、60;  地鐵車輛除了需要有一套主電路系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)從架空接觸網(wǎng)上集電、經(jīng)斬波器控制供給牽引電動機作牽引動力或制動時反饋電能到觸網(wǎng)的控制等功能，還需要有一整套擔(dān)負(fù)列車本身的照明、空調(diào)、設(shè)備冷卻、蓄電池充電等輔助功能的系統(tǒng)，給這套輔助系統(tǒng)供給電源的叫作列車輔助電源系統(tǒng)。上海地鐵車輛的輔助電源系統(tǒng)采用靜止逆變器。它將接觸網(wǎng)過來的直流1500伏電壓經(jīng)三相逆變成380伏交流輸出，供輔助系統(tǒng)的所有負(fù)載用電。上海地鐵車輛有拖車、動車兩種車型，每一列車由2節(jié)拖車、4節(jié)動車組成，依其各自的配備設(shè)備不同和功能不同，它們的輔助逆變器的功能和功率大小是有差異的。拖車（a型車）逆變器主要負(fù)擔(dān)列車照明、設(shè)備冷卻風(fēng)

25、機的電源及蓄電池充電等功能，它的負(fù)載相比之下要比動車的小一些，所以在設(shè)計容量上不一樣，但功率器件無甚差別，電路設(shè)計原理也基本相同。動車（b、c型車）逆變器主要擔(dān)負(fù)列車空調(diào)系統(tǒng)的供電，由4臺動車逆變器供給整列車（6節(jié)車）共12組空調(diào)單元的供電，因而它的設(shè)計要求容量較大，一號線為75kva二號線為90kva。上述列車車輔助逆變器的功能和供電原則，一號線和二號線是相同的。但由于它們分別采用了gto、igbt作功率開關(guān)元件，故在具體的線路設(shè)計、元器件選擇、箱體尺寸、布置等等方面是不一樣的。下面分別說明（以動車逆變器為例）。二、采用gto元件的一號線車輛逆變器   

26、0;                     圖21為一號線車輛逆變器原理圖    逆變器由四部分電路組成：(1)線路濾波器(2)斬波電路(3)中間濾波電路(4)三相逆變電路。逆變器的工作程序是：由斬波器將線網(wǎng)電壓直流1500伏降到直流775伏，由中間濾波電路將斬波器輸出的矩形波濾波后，再由三相送變器將直流775伏逆變?yōu)槿?00伏交流；通過變壓器輸出380伏交流電，

27、供列車空調(diào)電源用。（動車逆變器）    在上述斬波器電路和逆變電路中分別使用4500v×6o0a和1000v×250a兩種規(guī)格的gto元件多為相同規(guī)格的兩個元件并聯(lián)使用。五年多來的應(yīng)用實踐，該逆變器的硬件軟件經(jīng)過了多次的改進(jìn)，以適應(yīng)上海地鐵運行的需要。現(xiàn)在看來，不少修改實質(zhì)上是圍繞了gto元件經(jīng)常燒損這個關(guān)鍵性的問題進(jìn)行的；而究其燒損的原因，也是由于元件特性的局限及保護(hù)參數(shù)選擇不當(dāng)而引起。     下面就一號線逆變器在設(shè)計應(yīng)用中存在的一些問題作些分析。    （一）gto元件

28、過電壓擊穿    在車輛投入運營的頭兩年，斬波電路主gto v1經(jīng)常發(fā)生過電壓擊穿。這是因為，當(dāng)gto快速關(guān)斷時，di/dt 變化極快，在電感上引起的感應(yīng)電壓l di/dt與網(wǎng)壓疊加，這個電壓值會引起 gto的擊穿。理論上ldi/dt，可達(dá) 15okv。這是因為：l114mh，而根據(jù)對斬波器的分析，可大致推算得imax/t111/10×106，故l14×103×111.2/10×106155.68kv。當(dāng)然，實際上由于保護(hù)晶閘管的存在，使其一旦達(dá)到限壓值（35ov）時，晶閘管導(dǎo)通，使l1兩端電壓鉗位于晶閘管的管壓降值。但不管

29、怎樣，在l1與晶閘管的回路中此時的環(huán)流電流值非常大，電感發(fā)熱及常伴之于晶閘管（這里用的是東芝 sf300h×22可控硅管）先期燒損，在網(wǎng)壓稍有超過時或電路中其他元器件稍有不正常時gto管子也常常燒壞。為此在主gto兩端加裝了兩組阻容吸收電路c1c4（斬波部分1995年改圖），專門吸收主管 v1關(guān)斷時在兩端引起的尖峰電壓，同時在c4和c5動中間引出電阻r23接到電網(wǎng)負(fù)端，使其在線路濾波器之后、斬波器之前對電網(wǎng)電壓形成一個 rc吸收回路，又在濾波電容c1/c2兩端加裝了壓敏電阻r40、r41專門保護(hù)該兩電容不為過電壓擊穿。但壓敏電阻一旦當(dāng)網(wǎng)壓有較大波動時也會擊穿、損壞，引起f1和v61燒

30、壞。一號線就曾發(fā)生過因網(wǎng)壓脈動招致數(shù)分鐘之內(nèi)數(shù)臺逆變器壓敏電阻燒損的事故。更因為該兩只壓敏電阻是后來加裝，位置強插在其它元器件之間，因r40和r41爆裂進(jìn)一步引起了其他器件的損壞。同樣，在后節(jié)的逆變電路中也使用v20、v21作瞬間過電壓的分路，并在每個橋臂元件設(shè)rc吸收電路。但在實際應(yīng)用中v20、v21也時有擊穿，疑是保護(hù)參數(shù)選擇不當(dāng)所致。由此看來，電路的保護(hù)問題仍沒有得到圓滿解決。    （二）逆變器對線路濾波的要求    如原理圖所示，不論是在線路濾波器中還是在中間濾波電路中，都采用了為數(shù)很多、容量很大的電容、電感等元器件，使逆變

31、器結(jié)構(gòu)龐雜，體積大、份量重。這是因為逆變器需要用電容器（如c1/c2）吸收主gto關(guān)斷瞬間的過電壓，同時起到維持網(wǎng)壓穩(wěn)定，降低電網(wǎng)上脈動分量和減小對通訊線路的干擾?？紤]到架空接觸網(wǎng)本身也是一個電感，當(dāng)車輛在線路上運行，隨著車輛對饋電點距離的變化，該電感值是變化的。這個電感可與電容c1/c2組成振蕩回路。為了避免這個振蕩頻率與逆變器的工作頻率碰巧相同而引起共振，必須在線路濾波器的進(jìn)線處加進(jìn)一個大的電感l(wèi)1，使該兩種頻率永遠(yuǎn)不會相等。計算表示如下：最大    此時，線路電感與主電容保形成的振蕩頻率： height="250"  

32、   而逆變器工作頻率f500hz；它滿足f005f打的要求，不會引起共振。    同時，由于這個大的電感（l1）的存在，抑制了電容充電時對網(wǎng)壓的大電流沖擊和斬波器工作時的高次諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，減少它對線路上連著的其它設(shè)備的干擾。但這個大的電感亦帶來由主 gto快速關(guān)斷而引起的感應(yīng)電感l(wèi) di/dt，這個感應(yīng)電壓與線網(wǎng)電壓疊加會導(dǎo)致gto元件和其它元器件的過電壓損壞，如上節(jié)所述。（三）gto逆變器的控制和保護(hù)    關(guān)于逆變器的逆變電路，這是一個典型的兩點式三相橋式電壓型逆變器。六個gto管按1800的相位角依次導(dǎo)

33、通，輸出一個階梯狀波，再通過變壓器的原邊型接法，使三次諧波自由通過，使其次邊的感應(yīng)電勢正弦波輸出。由于逆變器、變壓器為恒壓定頻輸出，所以當(dāng)負(fù)載有大的投入（如b、c車逆變器的為空調(diào)系統(tǒng)的供電輸出或a車為蓄電池充電負(fù)載投入等）即引起電流的較大沖擊，易引發(fā)過電流保護(hù)動作。在該逆變器過電流保護(hù)是采用硬件控制的方式，逆變器通過電子控制單元中的fpac（快速保護(hù)板）和其它控制元件將實際的電流采樣值不斷地與一個可先設(shè)定的模擬量進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到實際電流量超過一個定值時，立即快速關(guān)斷   gto的觸發(fā)電路，斬波和逆變電路被封鎖而逆變器停止工作。在一號線車輛運用中，常常由于列車啟動時蓄電池充電電流過大導(dǎo)致a車（拖車）逆變器不工作，或空調(diào)季節(jié)因負(fù)載過大導(dǎo)致b、c車逆變器停止工作的情況經(jīng)常發(fā)生，這也是逆變器故障率高的一個原因。試想，如果這里采用igbt作開關(guān)元件的話，就可采用衡壓反饋方式，減少中間直流電壓的波動，改善逆變器輸入電壓的條件。又如，如果逆變器采用后節(jié)所介紹的pwm控制方式，則負(fù)載沖擊電流的影響大大減少，這都是后話了。     上述，僅以過電流保護(hù)為例，說明了該型逆變器的保護(hù)環(huán)節(jié)的控制。由此可知，這種逆變器需要一個龐大的故障采樣、模擬比較、保護(hù)觸發(fā)、抑制導(dǎo)通等等一系列的控制系統(tǒng)，