(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，上海 200233）

ONIX1500型牽引逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)匹配技術(shù)研究

平建祥

(上海地鐵維護(hù)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(fā)，嚴(yán)重影響列車安全運(yùn)營，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其主要故障點(diǎn)集中在特殊訂制器件IGBT上，上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司通過技術(shù)攻關(guān)，解決了IGBT與驅(qū)動(dòng)板匹配困難及特殊訂制采購困難等問題，并優(yōu)化了電氣性能。

牽引相模塊；脈寬調(diào)制方式；再生制動(dòng)；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(hào)線運(yùn)行已超過5年、3號(hào)線超過10年，當(dāng)前工作故障頻發(fā)并呈大幅上升趨勢。對(duì)列車安全運(yùn)營造成嚴(yán)重影響。通過梳理分析，發(fā)現(xiàn)主要故障點(diǎn)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(jìn)行技術(shù)革新，解決了備件問題，并進(jìn)一步改善牽引模塊的工作性能，提高了列車運(yùn)營的安全性與可靠性，降低了維護(hù)成本。

二、主要研究內(nèi)容

1.剖析牽引逆變器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shí)將觸網(wǎng)的1 500V直流電通過脈寬調(diào)制方式(PWM)逆變成電壓、頻率可調(diào)(VVVF)的交流電，給三相交流電機(jī)供電，它可降低低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可產(chǎn)生近乎完美的正弦波電流輸出，并減少電機(jī)發(fā)熱及渦流損耗。在制動(dòng)時(shí)將能量回饋到電網(wǎng)(再生制動(dòng))或消耗在制動(dòng)電阻上(能耗制動(dòng))。

（2）驅(qū)動(dòng)控制板的工作原理

驅(qū)動(dòng)板是ONIX1500系列牽引逆變器的核心控制部件，它主要用于驅(qū)動(dòng)IGBT通斷、監(jiān)控電源電壓、反饋故障信息等功能。

①電源電路（圖2）由次級(jí)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(wěn)壓芯片U6、U7、保護(hù)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(cè)輸入電壓為±24V、35kHz的矩形波，二次側(cè)輸出為±48V、35kHz的矩形波，輸出電壓經(jīng)單相橋式整流、RC濾波后電壓變?yōu)?3V左右，經(jīng)變壓器中心抽頭分壓后，分為±20VDC。分壓后的電壓經(jīng)三端集成穩(wěn)壓芯片U6和U7穩(wěn)壓后輸出+15VDC和-12.5VDC。C13、C14是消振電容，起到防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生自激振蕩。C18、C17是濾波電容，構(gòu)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(hào)濾除，利用小容量的無極性電容將高頻信號(hào)吸收掉，使電源所含有的諧波分量不進(jìn)入或少進(jìn)入電路。

圖2 電源部分工作原理圖

②驅(qū)動(dòng)電路（圖3）由晶體管T5、驅(qū)動(dòng)芯片U3、U4、穩(wěn)壓管D16，MOSFETT1、T3組成。驅(qū)動(dòng)芯片U3、U4采用的是TC427，當(dāng)輸入信號(hào)是高電平時(shí)，柵源極電壓＞開啟電壓，芯片飽和輸出為電源正電壓。當(dāng)輸入信號(hào)是低電平時(shí)，柵源極電壓＜開啟電壓，芯片截止輸出為電源負(fù)電壓。驅(qū)動(dòng)芯片U3所加的是正電源電壓(+15V、0V)，U4加的是負(fù)電源電壓(0V、-12.5V)。D16是穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值是15V。T1和T3分別是N溝道和P溝道增強(qiáng)型MOSFET，兩個(gè)管子以互補(bǔ)的方式工作，當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)板輸出-12.5VDC，IGBT截止；當(dāng)T3導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)板輸出15VDC，IGBT導(dǎo)通。

圖3 驅(qū)動(dòng)部分工作原理圖

當(dāng)T5飽和導(dǎo)通時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片U3、U4均飽和輸出高電平，T1導(dǎo)通，T3截止，驅(qū)動(dòng)板輸出-12.5V，IGBT截止。當(dāng)T5截止時(shí)，由光耦合器U2決定輸出與否，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片U3、U4均截止輸出低電平，T1截止T3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)板輸出15V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片U3、U4均飽和輸出高電平，T1導(dǎo)通，T3截止，驅(qū)動(dòng)板輸出-12.5V，IGBT截止。

③保護(hù)電路（圖4）具有正負(fù)電源欠電壓保護(hù)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(yùn)算放大器并聯(lián)構(gòu)成線與電路，均接有正反饋電阻做非線型應(yīng)用，分別用于正負(fù)電源欠電壓保護(hù)，其中用于正電源欠電壓保護(hù)的運(yùn)算放大器的等效電路如圖5所示。

圖4 保護(hù)電路部分工作原理圖

圖5 正電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器等效電路

根據(jù)電工學(xué)疊加原理可得計(jì)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(wěn)壓管D2限幅在4.7V，運(yùn)放正相飽和時(shí)輸出電源電壓Uo=15V，反相飽和時(shí)輸出電源負(fù)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(hù)運(yùn)算放大器的傳輸特性如圖6所示，當(dāng)正電源電壓大于13.1V時(shí)，放大器輸出為+15V。根據(jù)上述結(jié)論，驅(qū)動(dòng)芯片U3飽和，U3的7號(hào)腳上輸出為高電平+15V，晶體管T5截止，驅(qū)動(dòng)板輸出與否由輸入信號(hào)決定。當(dāng)電源電壓小于11.8V時(shí)，輸出為低電平-12.5V，經(jīng)二極管限幅在-0.7V，驅(qū)動(dòng)芯片U3截止，U3的7號(hào)腳輸出為低電平0V，晶體管T5飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)板輸出-12.5V電壓，IGBT截止。

圖6 正電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器傳輸特性圖

負(fù)電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器的等效電路如圖7所示。

圖7 負(fù)電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器等效電路

圖8 負(fù)電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器傳輸特性

根據(jù)電工學(xué)疊加原理可得計(jì)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(wěn)壓管D22限幅在-7.8V，運(yùn)放正相飽和時(shí)輸出電源電壓Uo=15V，反相飽和時(shí)輸出電源負(fù)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(fù)電源欠電壓保護(hù)運(yùn)算放大器的傳輸特性如圖8所示，當(dāng)負(fù)電源電壓＞-14.7V時(shí)，放大器輸出為+15V，驅(qū)動(dòng)芯片U3飽和，U3的7號(hào)腳輸出為高電平+15V，晶體管T5截止，驅(qū)動(dòng)板輸出與否由輸入信號(hào)決定。當(dāng)電源電壓＜-15.7V時(shí)，輸出為低電平-12.5V，經(jīng)二極管D17限幅在-0.7V，驅(qū)動(dòng)芯片U3截止，U3的7號(hào)腳輸出為低電平0V，晶體管T5飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)板輸出電壓-12.5V，IGBT截止。

2.對(duì)IGBT功率管（1 200A/3 300V）的創(chuàng)新試驗(yàn)

原先使用的是三菱公司為阿爾斯通特殊定制的IGBT，現(xiàn)選用日立、ABB功率管進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了橫向比較,結(jié)果如表1所示，保證了試驗(yàn)的可行性。

3.改進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制板的電氣參數(shù)

直接使用日立、ABB功率管替代三菱功率管會(huì)引起牽引逆變器開通、關(guān)斷故障。在完成功能性試驗(yàn)以及掌握牽引逆變器工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制板上的電氣參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使改進(jìn)后的IGBT與驅(qū)動(dòng)板在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性上相匹配，這是本項(xiàng)目的重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。

在IGBT改造期間，雖然模塊改進(jìn)后測試無異常，但部件裝上車運(yùn)行一段時(shí)間后故障就會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)分析，找到原因：由于驅(qū)動(dòng)板帶有過電流保護(hù)功能，該功能是通過監(jiān)控管壓降Vce來實(shí)現(xiàn)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(fù)載：負(fù)載越重，電流越大，管壓降Vce越大；

③器件性能：器件使用時(shí)間越長，性能越差，管壓降Vce越大。

由于在使用日立或ABBIGBT進(jìn)行替代時(shí)，管壓降Vce超出驅(qū)動(dòng)板的設(shè)定值，導(dǎo)致牽引模塊不能正常工作，而落車時(shí)由于沒有大功率測試平臺(tái)，所以很難找到故障。

經(jīng)過和同類型模塊的比較發(fā)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)板設(shè)定值偏低，目前牽引模塊驅(qū)動(dòng)板設(shè)定值是6V左右，一旦超過就會(huì)封鎖輸出，通過調(diào)整部分參數(shù)的值，將設(shè)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(wěn)定性，避免全部更換IGBT部件，節(jié)約了大量成本。

（2）具體改進(jìn)方法

①在管子關(guān)斷時(shí),運(yùn)算放大器的反相端參考電壓等于8.5V。

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

若代入U(xiǎn)o=6V，則：Ui=8.6V；

若Uo=-12V，則：Ui=9.5V。

根據(jù)以上公式，管子關(guān)斷時(shí)的傳輸特性如圖9所示。

圖9 IGBT關(guān)斷時(shí)傳輸特性

從傳輸特性可以得出，由于IGBT關(guān)斷時(shí)，輸入電壓為15V，運(yùn)算放大器輸出高電平，牽引模塊可以正常工作。

②在IGBT導(dǎo)通時(shí),運(yùn)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(jù)公式：

Ui×R23/(R23+R24)＋Uo×R24/(R23+R24)=2.5

若代入U(xiǎn)o=6V，則：Ui=2.3V；

若Uo=-12V，則：Ui=3.5V。

根據(jù)以上公式，管子導(dǎo)通時(shí)的傳輸特性如圖10所示。

由于IGBT導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓為2.6V，由傳輸特性可知運(yùn)算放大器輸出高電平，牽引模塊可以正常工作。當(dāng)對(duì)IGBT進(jìn)行替代時(shí)，由于新器件管壓降高，傳輸特性右移，可能存在輸出負(fù)電壓的情況，使得驅(qū)動(dòng)板封鎖輸出，導(dǎo)致牽引模塊不能正常工作。

圖10 IGBT導(dǎo)通時(shí)傳輸特性

③根據(jù)以上分析，制定驅(qū)動(dòng)板創(chuàng)新方案，如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)板部分原理圖

通過改變R12的阻值，從原來100k調(diào)整到95k，補(bǔ)償由于管壓降的升高而導(dǎo)致運(yùn)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(qū)域增加，在對(duì)IGBT進(jìn)行替代后，牽引模塊仍能正常工作。

4.上車動(dòng)態(tài)調(diào)試

項(xiàng)目小組于2013年3月20日將牽引模塊185裝車試驗(yàn)，至今工作正常，證明了通過改變電阻的阻值來達(dá)到與驅(qū)動(dòng)板匹配的方案是可行的。

三、應(yīng)用效果

1.應(yīng)用情況

（1）工藝應(yīng)用

形成ONIX1500型牽引逆變器拆裝工藝、調(diào)試工藝、驅(qū)動(dòng)板單板調(diào)試工藝，被應(yīng)用在3號(hào)線牽引逆變器的架大修和部件修中。

（2）創(chuàng)新項(xiàng)目

將MBN1200E33E型IGBT安裝于ONIX1500型牽引逆變器，新的IGBT在技術(shù)參數(shù)上能夠滿足的牽引模塊的電氣需求，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)板參數(shù)后，牽引逆變器在列車上運(yùn)營正常。

2.經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年維修牽引逆變器數(shù)量為115臺(tái)，每臺(tái)維修平均更換2個(gè)IGBT。CM1200HB-66H型IGBT單價(jià)為32 000元，MBN1200E33E型IGBT單價(jià)為10 000元。計(jì)算得出總節(jié)省金額為506萬元。

3.社會(huì)效益

由于掌握了IGBT驅(qū)動(dòng)匹配技術(shù)，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(shù)基礎(chǔ)[M].上海交通大學(xué)出版社,2001.5.

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1671-0711（2014）11-0040-05

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