ONIX1500型牵引逆变器IGBT驱动匹配技术研究

(上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海 200233）

ONIX1500型牵引逆变器IGBT驱动匹配技术研究

平建祥

(上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海 200233）

地铁在用ONIX1500型牵引逆变器因使用年限长、故障频发，严重影响列车安全运营，经分析发现其主要故障点集中在特殊订制器件IGBT上，上海地铁维护保障有限公司车辆分公司通过技术攻关，解决了IGBT与驱动板匹配困难及特殊订制采购困难等问题，并优化了电气性能。

牵引相模块；脉宽调制方式；再生制动；IGBT功率模块

一、研究背景

目前地铁在用ONIX1500型牵引逆变器在5、6、8号线运行已超过5年、3号线超过10年，当前工作故障频发并呈大幅上升趋势。对列车安全运营造成严重影响。通过梳理分析，发现主要故障点集中在IGBT损坏上。ONIX1500型牵引逆变器所采用的IGBT为特殊订制器件，无法采购。为此，进行技术革新，解决了备件问题，并进一步改善牵引模块的工作性能，提高了列车运营的安全性与可靠性，降低了维护成本。

二、主要研究内容

1.剖析牵引逆变器结构特点，掌握其工作原理

（1）ONIX1500型牵引逆变器的工作原理

图1 牵引逆变器原理图

逆变相模块（图1）是牵引逆变器的核心部件，它的主要功能是牵引时将触网的1 500V直流电通过脉宽调制方式(PWM)逆变成电压、频率可调(VVVF)的交流电，给三相交流电机供电，它可降低低速时的转矩脉动，可产生近乎完美的正弦波电流输出，并减少电机发热及涡流损耗。在制动时将能量回馈到电网(再生制动)或消耗在制动电阻上(能耗制动)。

（2）驱动控制板的工作原理

驱动板是ONIX1500系列牵引逆变器的核心控制部件，它主要用于驱动IGBT通断、监控电源电压、反馈故障信息等功能。

①电源电路（图2）由次级绕组带中心抽头的隔离升压变压器TR1、桥式整流二极管D8、D9、D10、D11、滤波电路R34、C15、R35、C16，三端集成稳压芯片U6、U7、保护二极管D18、D12、电源指示灯DS1、DS2、消振电容C13、C14及滤波电容C17、C18组成。工作中隔离变压器的一次侧输入电压为±24V、35kHz的矩形波，二次侧输出为±48V、35kHz的矩形波，输出电压经单相桥式整流、RC滤波后电压变为43V左右，经变压器中心抽头分压后，分为±20VDC。分压后的电压经三端集成稳压芯片U6和U7稳压后输出+15VDC和-12.5VDC。C13、C14是消振电容，起到防止稳压器产生自激振荡。C18、C17是滤波电容，构成低通滤波电路。这样利用大容量的电解电容将中、低频信号滤除，利用小容量的无极性电容将高频信号吸收掉，使电源所含有的谐波分量不进入或少进入电路。

图2 电源部分工作原理图

②驱动电路（图3）由晶体管T5、驱动芯片U3、U4、稳压管D16，MOSFETT1、T3组成。驱动芯片U3、U4采用的是TC427，当输入信号是高电平时，栅源极电压＞开启电压，芯片饱和输出为电源正电压。当输入信号是低电平时，栅源极电压＜开启电压，芯片截止输出为电源负电压。驱动芯片U3所加的是正电源电压(+15V、0V)，U4加的是负电源电压(0V、-12.5V)。D16是稳压管，稳压值是15V。T1和T3分别是N沟道和P沟道增强型MOSFET，两个管子以互补的方式工作，当T1导通时驱动板输出-12.5VDC，IGBT截止；当T3导通时驱动板输出15VDC，IGBT导通。

图3 驱动部分工作原理图

当T5饱和导通时，驱动芯片U3、U4均饱和输出高电平，T1导通，T3截止，驱动板输出-12.5V，IGBT截止。当T5截止时，由光耦合器U2决定输出与否，当有输入信号时，驱动芯片U3、U4均截止输出低电平，T1截止T3导通，驱动板输出15V，IGBT导通。当没有输入信号时，驱动芯片U3、U4均饱和输出高电平，T1导通，T3截止，驱动板输出-12.5V，IGBT截止。

③保护电路（图4）具有正负电源欠电压保护的功能。该电路由芯片LM293、电阻R63、R58、R54、R56、R68、R67、R66、R65、D2、D22等组成。LM293是低功耗双电压比较器，其两只运算放大器并联构成线与电路，均接有正反馈电阻做非线型应用，分别用于正负电源欠电压保护，其中用于正电源欠电压保护的运算放大器的等效电路如图5所示。

图4 保护电路部分工作原理图

图5 正电源欠电压保护运算放大器等效电路

根据电工学叠加原理可得计算公式如下：

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，反相端电位被稳压管D2限幅在4.7V，运放正相饱和时输出电源电压Uo=15V，反相饱和时输出电源负电压Uo＝-12.5V。分别代入式中得：Ui正相饱和=11.8V；Ui反相饱和=13.1V。

正电源欠电压保护运算放大器的传输特性如图6所示，当正电源电压大于13.1V时，放大器输出为+15V。根据上述结论，驱动芯片U3饱和，U3的7号脚上输出为高电平+15V，晶体管T5截止，驱动板输出与否由输入信号决定。当电源电压小于11.8V时，输出为低电平-12.5V，经二极管限幅在-0.7V，驱动芯片U3截止，U3的7号脚输出为低电平0V，晶体管T5饱和导通，驱动板输出-12.5V电压，IGBT截止。

图6 正电源欠电压保护运算放大器传输特性图

负电源欠电压保护运算放大器的等效电路如图7所示。

图7 负电源欠电压保护运算放大器等效电路

图8 负电源欠电压保护运算放大器传输特性

根据电工学叠加原理可得计算公式如下：

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，反相端电位被稳压管D22限幅在-7.8V，运放正相饱和时输出电源电压Uo=15V，反相饱和时输出电源负电压Uo＝-12.5V。分别代入式中得：Ui正相饱和=-15.7V；Ui反相饱和=-14.7V。

负电源欠电压保护运算放大器的传输特性如图8所示，当负电源电压＞-14.7V时，放大器输出为+15V，驱动芯片U3饱和，U3的7号脚输出为高电平+15V，晶体管T5截止，驱动板输出与否由输入信号决定。当电源电压＜-15.7V时，输出为低电平-12.5V，经二极管D17限幅在-0.7V，驱动芯片U3截止，U3的7号脚输出为低电平0V，晶体管T5饱和导通，驱动板输出电压-12.5V，IGBT截止。

2.对IGBT功率管（1 200A/3 300V）的创新试验

原先使用的是三菱公司为阿尔斯通特殊定制的IGBT，现选用日立、ABB功率管进行试验，并对其关键技术参数进行了横向比较,结果如表1所示，保证了试验的可行性。

3.改进驱动控制板的电气参数

直接使用日立、ABB功率管替代三菱功率管会引起牵引逆变器开通、关断故障。在完成功能性试验以及掌握牵引逆变器工作原理的基础上，对驱动控制板上的电气参数进行改进，使改进后的IGBT与驱动板在静态、动态特性上相匹配，这是本项目的重点、难点所在。

在IGBT改造期间，虽然模块改进后测试无异常，但部件装上车运行一段时间后故障就会出现。经分析，找到原因：由于驱动板带有过电流保护功能，该功能是通过监控管压降Vce来实现的。

表1 三菱IGBT与ABB、日立IGBT性能比较

（1）管压降Vce主要受3方面影响

①工作温度：温度越高，管压降Vce越大；

②负载：负载越重，电流越大，管压降Vce越大；

③器件性能：器件使用时间越长，性能越差，管压降Vce越大。

由于在使用日立或ABBIGBT进行替代时，管压降Vce超出驱动板的设定值，导致牵引模块不能正常工作，而落车时由于没有大功率测试平台，所以很难找到故障。

经过和同类型模块的比较发现该驱动板设定值偏低，目前牵引模块驱动板设定值是6V左右，一旦超过就会封锁输出，通过调整部分参数的值，将设定值提高15%到7V左右，在兼顾管耗的前提下，大大提高牵引模块的工作稳定性，避免全部更换IGBT部件，节约了大量成本。

（2）具体改进方法

①在管子关断时,运算放大器的反相端参考电压等于8.5V。

根据公式：Ui×R23/(R23+R24)＋Uo×R24/ (R23+R24)=8.5

若代入Uo=6V，则：Ui=8.6V；

若Uo=-12V，则：Ui=9.5V。

根据以上公式，管子关断时的传输特性如图9所示。

图9 IGBT关断时传输特性

从传输特性可以得出，由于IGBT关断时，输入电压为15V，运算放大器输出高电平，牵引模块可以正常工作。

②在IGBT导通时,运算放大器的反相端参考电压等于取决于管压降大小，管压降越大，传输特性越往右移，管压降越小，传输特性越往左移。根据公式：

Ui×R23/(R23+R24)＋Uo×R24/(R23+R24)=2.5

若代入Uo=6V，则：Ui=2.3V；

若Uo=-12V，则：Ui=3.5V。

根据以上公式，管子导通时的传输特性如图10所示。

由于IGBT导通时，输入电压为2.6V，由传输特性可知运算放大器输出高电平，牵引模块可以正常工作。当对IGBT进行替代时，由于新器件管压降高，传输特性右移，可能存在输出负电压的情况，使得驱动板封锁输出，导致牵引模块不能正常工作。

图10 IGBT导通时传输特性

③根据以上分析，制定驱动板创新方案，如图11所示。

图11 驱动板部分原理图

通过改变R12的阻值，从原来100k调整到95k，补偿由于管压降的升高而导致运算放大器反相端的电位上升，使得传输特性左移，有效工作区域增加，在对IGBT进行替代后，牵引模块仍能正常工作。

4.上车动态调试

项目小组于2013年3月20日将牵引模块185装车试验，至今工作正常，证明了通过改变电阻的阻值来达到与驱动板匹配的方案是可行的。

三、应用效果

1.应用情况

（1）工艺应用

形成ONIX1500型牵引逆变器拆装工艺、调试工艺、驱动板单板调试工艺，被应用在3号线牵引逆变器的架大修和部件修中。

（2）创新项目

将MBN1200E33E型IGBT安装于ONIX1500型牵引逆变器，新的IGBT在技术参数上能够满足的牵引模块的电气需求，通过调整驱动板参数后，牵引逆变器在列车上运营正常。

2.经济效益

据统计，2012年维修牵引逆变器数量为115台，每台维修平均更换2个IGBT。CM1200HB-66H型IGBT单价为32 000元，MBN1200E33E型IGBT单价为10 000元。计算得出总节省金额为506万元。

3.社会效益

由于掌握了IGBT驱动匹配技术，一方面解决了备件问题，另一方面有效降低了由于IGBT引起的牵引逆变器故障，提高了部件检修效率。

[1]金如麟,谭弗娃.电力电子技术基础[M].上海交通大学出版社,2001.5.

[2]E.Wolfgang,ReliabilityofHigh-powerSemiconductorDevices:fromth eStateoftheArttoFutureTrends[J].PowerConversion,June1999.

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