大功率IGBT在广州地铁三号线列车牵引系统的应用

魏晓婷

（广州市地下铁道总公司，广东广州 511430）

0 引言

电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域起到了不可替代的作用，而IGBT在大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关元件，因此如何安全可靠地驱动IGBT便成为使其性能稳定的重中之重。在使用IGBT构成的电路中，大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电的作用。因其重要性，可以将该电路看成是一个相对独立的子系统。

基于IGBT的稳定性能特性，现已大量用于轨道交通车辆，广州地铁三号线列车牵引系统便采用IGBT组成的逆变模块。

1 列车牵引系统介绍

广州地铁三号线是采用120 km/h高速B型车的城市轨道交通系统，该车采用西门子的牵引系统。高速行驶的列车对牵引系统提出了严格的要求，IGBT作为牵引逆变器的核心更是起到决定性的作用，其功能的稳定与否直接影响着牵引系统的稳定，甚至决定列车的安全性能。

2 功率半导体元件IGBT在牵引系统的应用

2.1 IGBT的安装位置

在牵引逆变器中，PWM逆变器的6个电源模块（A1～A6）和制动斩波相的电源开关（A7、A8）均使用IGBT半导体，这些IGBT均安装在紧凑型逆变器的散热板上，如图1所示。

图1 紧凑型逆变器散热板上各模块的安装位置

图2 制动回路（一个制动斩波器）

PWM逆变器电源模块中集成了IGBT及与其并联的其储能二极管。并联的二极管防止负载端感性元件（如：电机）的影响，感性元件具有电流不能突变的特性使其在突然断电的情况下会产生巨大的反向电压，并联二极管则可使大电压产生的瞬间电流通过二极管释放，避免加载在断开的IGBT两端，起到保护作用。制动斩波模块的储能二极管集成在二极管模块A9中，储能二极管在IGBT功率半导体元件关闭后通过制动电阻进行引流，如图2所示。

2.2 IGBT的门控器模块

IGBT门控模块A10～A80安装在紧凑型逆变器的后侧。如图3所示。

此IGBT门控单元用于控制1.7 kV或3.3 kV的IGBT模块。该模块有一个光纤电缆的输入和一个用于电气隔离的变压器。此模块能通过一个连接头进行译码，逆变器和制动斩波器IGBT可以通过相同的门控器模块进行控制。IGBT通过纤维光缆由逆变器控制单元直接控制。所有的模块由一个24 V/60 kHz的电源供电。如图4所示。

图3 IGBT门极控制模块A10—A80在紧凑型逆变器的位置

IGBT门控器模块是一个160 mm×70 mm大小的印刷电路板。电路板包括带电气隔离的电源、电源检测、光导纤维的门极和逻辑、触发电源、输出级和过电压保护。如图5所示。

由于产生波形逻辑的控制电路与主回路之间存在电压差异，且主回路存在非常高的电磁干扰，所以需要进行信号传递的隔离及电源供给的隔离。信号隔离分为光耦隔离、脉冲变压器隔离。而广州地铁三号线列车则采用电源供给隔离。

电源包括一个可实现电气隔离功能的变压器、整流和缓冲作用的电容（缓冲时间大约为200 ms）。电源将±12 V/60 kHz转化为±24 V直流电源为模块供电，电源检测模块监控±24 V电源是否正常，若异常将发送禁用信号至IGBT模块，确保供电电源故障时IGBT能够安全关闭。当黄色的LED灯亮起时表示电源正常。如图6所示。

图4 紧凑型逆变器门控模块框图

图5 门控器模块

门极模块由逆变器控制单元通过纤维光缆进行门控。译码插头可以为模块进行编程，所以其可以对PWM逆变器的IGBT或制动斩波器的IGBT进行门控。对于PWM逆变器的IGBT来说，可不连接译码连接器，IGBT的指示灯亮起表示IGBT已导通，否则意味着IGBT被封锁；对于制动斩波器的IGBT，必须连接译码连接器，而逻辑则正好与PWM逆变器相反，当IGBT的指示灯亮起时表示其被封锁，否则意味着IGBT导通。

图6 IGBT门极控制模块框图

门极电压的产生为输出级提供了一个典型的门极信号，它优化了IGBT的开关特性。输出级要符合IGBT门控信号的电压等级。

两个LED灯（红色和绿色）均连接在门极电路的输出端，能够快速识别IGBT的开关状态：绿灯亮起表明IGBT已关闭；红灯亮起表明IGBT已开通。

IGBT的过流检测及保护一般采用间接电压法。当IGBT出现过流情况时，VCE饱和压降增大，因此通过检测IGBT导通时的VCE饱和压降与设定的阈值进行比较可以判断是否出现过流。

图7 紧凑型逆变器IGBT门控模块电源的位置

图6 中过电压限制器能够检测到严重的过电压从而检测过电流，它将封锁IGBT以至于IGBT能够再次闭合，从而限制过电压的情况。

2.3 IGBT控制模块电源

电源模块A82位于紧凑型逆变器的后面，门控器的中间。供电电源的两个配电母线A85和A86位于门控模块的前面。如图7所示。

A82模块是所有IGBT门控模块的中央供电电源。如图8所示。

此模块将直流24 V电源转化为交流±12 V电源，24 V电源可通过配电母线A85和A86作为IGBT门控模块的供电电源。此模块反馈一个由逆变器控制单元给出的正常电源信号。门控模块中的变压器提供电气隔离。如图9所示。

图8 电源回路框图

图9 带配电母线的电源A82和门极控制模块

图10 电源模块A82框图

A82电源模块是一个160 mm×50 mm大小的印刷电路板。其包括防极性错误的二极管保护、输入滤波器、电源检测、限流和斩波器。如图10所示。

正极输入电路中的二极管用于保护模块防止因极性错误造成的损伤；输入滤波器可中断模块电压和输入电压，还可用作储能装备和保护输入电压不被供电回路所影响；电源检测模块监控模块的输入电压，它提供一个检测正常的信号，并通过一个光耦器件实现电气隔离。

3 结论

IGBT因其电压控制、输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点成为逆变电路的首选开关器件，优秀的驱动电路设计保障了由IGBT构成的系统长期运行的可靠性。

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