大功率IGBT在廣州地鐵三號線列車牽引系統的應用

魏曉婷

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 511430）

0 引言

電力電子技術在當今急需節能降耗的工業領域起到了不可替代的作用，而IGBT在大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關元件，因此如何安全可靠地驅動IGBT便成為使其性能穩定的重中之重。在使用IGBT構成的電路中，大功率IGBT驅動保護電路起到弱電控制強電的作用。因其重要性，可以將該電路看成是一個相對獨立的子系統。

基于IGBT的穩定性能特性，現已大量用于軌道交通車輛，廣州地鐵三號線列車牽引系統便采用IGBT組成的逆變模塊。

1 列車牽引系統介紹

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

2 功率半導體元件IGBT在牽引系統的應用

2.1 IGBT的安裝位置

在牽引逆變器中，PWM逆變器的6個電源模塊（A1～A6）和制動斬波相的電源開關（A7、A8）均使用IGBT半導體，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 制動回路（一個制動斬波器）

PWM逆變器電源模塊中集成了IGBT及與其并聯的其儲能二極管。并聯的二極管防止負載端感性元件（如：電機）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產生巨大的反向電壓，并聯二極管則可使大電壓產生的瞬間電流通過二極管釋放，避免加載在斷開的IGBT兩端，起到保護作用。制動斬波模塊的儲能二極管集成在二極管模塊A9中，儲能二極管在IGBT功率半導體元件關閉后通過制動電阻進行引流，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。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。該模塊有一個光纖電纜的輸入和一個用于電氣隔離的變壓器。此模塊能通過一個連接頭進行譯碼，逆變器和制動斬波器IGBT可以通過相同的門控器模塊進行控制。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、光導纖維的門極和邏輯、觸發電源、輸出級和過電壓保護。如圖5所示。

由于產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，所以需要進行信號傳遞的隔離及電源供給的隔離。信號隔離分為光耦隔離、脈沖變壓器隔離。而廣州地鐵三號線列車則采用電源供給隔離。

電源包括一個可實現電氣隔離功能的變壓器、整流和緩沖作用的電容（緩沖時間大約為200 ms）。電源將±12 V/60 kHz轉化為±24 V直流電源為模塊供電，電源檢測模塊監控±24 V電源是否正常，若異常將發送禁用信號至IGBT模塊，確保供電電源故障時IGBT能夠安全關閉。當黃色的LED燈亮起時表示電源正常。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行門控。譯碼插頭可以為模塊進行編程，所以其可以對PWM逆變器的IGBT或制動斬波器的IGBT進行門控。對于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已導通，否則意味著IGBT被封鎖；對于制動斬波器的IGBT，必須連接譯碼連接器，而邏輯則正好與PWM逆變器相反，當IGBT的指示燈亮起時表示其被封鎖，否則意味著IGBT導通。

圖6 IGBT門極控制模塊框圖

門極電壓的產生為輸出級提供了一個典型的門極信號，它優化了IGBT的開關特性。輸出級要符合IGBT門控信號的電壓等級。

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

IGBT的過流檢測及保護一般采用間接電壓法。當IGBT出現過流情況時，VCE飽和壓降增大，因此通過檢測IGBT導通時的VCE飽和壓降與設定的閾值進行比較可以判斷是否出現過流。

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到嚴重的過電壓從而檢測過電流，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。此模塊反饋一個由逆變器控制單元給出的正常電源信號。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160 mm×50 mm大小的印刷電路板。其包括防極性錯誤的二極管保護、輸入濾波器、電源檢測、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模塊防止因極性錯誤造成的損傷；輸入濾波器可中斷模塊電壓和輸入電壓，還可用作儲能裝備和保護輸入電壓不被供電回路所影響；電源檢測模塊監控模塊的輸入電壓，它提供一個檢測正常的信號，并通過一個光耦器件實現電氣隔離。

3 結論

IGBT因其電壓控制、輸入阻抗高、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優點成為逆變電路的首選開關器件，優秀的驅動電路設計保障了由IGBT構成的系統長期運行的可靠性。

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