广州地铁直线电机车辆牵引逆变模块技术改造

金文涛， 夏耀天， 陈智华, 李天明, 陈　威

(广州地铁集团有限公司　运营事业总部基地维修中心， 广东广州 510310)



广州地铁直线电机车辆牵引逆变模块技术改造

金文涛， 夏耀天， 陈智华, 李天明, 陈威

(广州地铁集团有限公司运营事业总部基地维修中心， 广东广州 510310)

采用IGBT与GDU结合的方式，对广州地铁进口直线电机车辆逆变模块进行改造，替代原使用的三菱IPM，改造后的逆变模块满足原系统的要求，最终经过装车载客运营考核。

逆变模块; 改造; 垄断; IPM

广州地铁4、5、6号线直线电机车辆牵引系统由日本三菱公司设计制造，该系统功率单元(POWER UNIT，以下称PU模块)采用IPM(智能功率模块)作为功率器件。IPM内部封装了IGBT、驱动电路以及保护电路，是一种比IGBT集成度更高、技术更先进的功率器件。随着运营里程的增加，PU模块中IPM炸裂的频率逐渐加大，进入故障高发期。由于三菱公司对IPM的技术垄断，并不对外单独销售，给广州地铁4、5、6号线的列车的正常运营造成了影响。为了不影响列车正常上线运营，广州地铁开展了PU模块技术改造的研究工作。

1　PU模块介绍

PU模块是牵引系统中的逆变执行单元，其功能是在牵引工况下将列车的1 500 V直流电逆变为三相变压变频的交流电，用以驱动直线电机；而在电制动工况下，将电机产生的交流电整流反馈回电网，其外观如图1所示。原装PU模块采用的功率器件是额定电压3 300 V，额定电流1 200 A的IPM，内部集成了IGBT、驱动电路及保护电路。保护电路具备过流保护(OC)、短路保护(SC)以及欠压保护(UV)等功能。PU模块上有一块EOU-02电路板(光电转换电路板)，一端与DCU(牵引控制单元)使用电缆进行控制信号与反馈信号的连接，另一端以光纤传输6个IPM的开关控制及状态反馈信号，原理图如图2所示。

图1　PU模块外观

图2　PU模块原理图

控制信号与反馈信号的定义如图3所示，两个信号电平反相代表工作正常，而同相则表示故障，DCU检测控制信号与反馈信号同相出现一定的时间，则进行牵引封锁，报IGBT保护。

图3　PU模块控制信号与反馈信号逻辑

2　技术方案

2.1功率器件及外置驱动板(GDU)的选择

广州地铁列车主要分A、B、L 3种车型，各车型又根据不同的生产厂家和采购批次分成十几种不同的子车型，其中直线电机车辆为L型车，包括L1～L4等车型，统计广州地铁主要车型逆变模块的技术特点如表1所示。

表1　广州地铁车型逆变模型特点

根据广州地铁各型车逆变系统的对比，考虑控制系统的接口兼容性、系统的成熟性及备件的通用性3个方面，整体方案替代拟从庞巴迪和西门子两种方案之间选择。

西门子的IGBT方案有两个特点，一是驱动板体积大，安装要求的空间比较大，这与PU模块内部有限的安装空间冲突；二是西门子GDU板没有反馈信号，无法与控制系统的接口兼容。基于这两点，西门子的IGBT方案不能作为PU模块IPM(图4所示)的替代方案。而庞巴迪的IGBT驱动板体积小，具有反馈信号，可以与控制系统的接口兼容，因此选择A2、A3型车牵引系统MCM模块中的IGBT+GDU方案替代三菱IPM。

MCM模块采用德国英飞凌IGBT(图5所示)，驱动与保护电路采用庞巴迪与其配套的驱动与保护电路，庞巴迪提供了完整的程序下载与测试工具。

图4　三菱3 300 V,1 200 A HVIPM

图5　英飞凌3 300 V,1 200 A IGBT

该GDU的驱动保护电路使用CPLD(复杂可编程逻辑器件)实现驱动保护逻辑功能，包含过流保护(OC)、短路保护(SC)以及欠压保护(UV)等功能，保护功能实现方式见图6所示原理。

过流保护(OC)：通过检测IGBT的饱和压降VCE_SAT以及集发间电压VCE，通过比较器与参考值作比较，判断IGBT是否过流，从而实现保护功能；

短路保护(SC)：通过检测IGBT的E极电流变化率，通过比较器与参考值作比较，判断是否产生短路，从而实现保护功能；

欠压保护(UV)：通过检测IGBT的G极电压，通过比较器与参考值作比较，判断是否产生欠压，从而实现保护功能。

通过这些保护功能，能够实现与IPM一致的保护作用。

图6　GDU的保护电路原理

此外，在三菱IPM与英飞凌IGBT的外形尺寸上，都采用了6英寸封装尺寸，两者在外形尺寸上一致，因此，庞巴迪的IGBT方案在PU模块上具备安装条件。

A2、A3型车MCM模块所使用的IBGT为英飞凌的FZ1200R33KF2C，而L型车PU模块所使用的IPM为三菱的PM1200HCH330-206，由于此款IPM为广州地铁车辆专用产品，厂家只提供PU模块整件的采购，不单独提供IPM，也不提供IPM相关技术资料，所以无法获取其相应的技术参数，因此以三菱公司的一款型号为PM1200HCE330-1的IPM和一款型号为CM1200HG-66H的IGBT与英飞凌的FZ1200R33KF2C的IGBT进行参数对比，对比情况见表2。

表2　功率器件参数对比

由于不同厂家给出的参数条件不一致，但是通过表2的对比，能够作为一种参考，即英飞凌FZ1200R33KF 2C基本参数比三菱同级别的IGBT元器件的基本参数大致相当或略高，因此可以成为替代产品。

2.2整体布局

改造方案需新增的6块IGBT驱动板，由于原PU模块框架无固定支撑位置，因此需要根据PU模块的外形尺寸新增一块绝缘安装板，替代原有的金属框架，用于承载与固定IGBT驱动板与信号接口板，布局示意如图7所示。绝缘安装板选用机械性能好，绝缘强度高的材料加工制作。

图7　IGBT驱动板的安装布局示意图

2.3GDU供电的问题

PU模块IPM的驱动电源为100 kHz、24 V交流电，额定功率为48 W。MCM模块IGBT驱动电源为24 V直流电源，输出功率为91.2 W。由于驱动电源的稳定性及输出功率对于IGBT的驱动有着非常关键的影响，为保证电源功率留有一定的余量，电源的输出功率至少要大于91.2 W。考虑到VVVF箱体内部的空间所限，因此需要选择体积较小的电源模块。经过对比选型，采用了美国VICOR公司的电源，该电源模块为DC 110 V输入，DC 24 V输出，输出功率200 W，外部尺寸大约55 mm×45 mm，非常小巧，便于安装与布局。

2.4信号逻辑匹配

MCM模块中的GDU驱动信号与反馈信号的逻辑关系为：两信号同相表示工作正常，反相表示故障，反相时将会报IGBT保护故障。这与PU模块中IPM的信号逻辑相反，因此需要将庞巴迪IGBT驱动的控制信号与反馈信号的进行调整：在EOU-2板的P2接口上新增加一块电路板，将反馈信号通过一个“非门”CD4584，将其逻辑取反从而符合系统要求。

3　方案验证

为了验证新方案的功能及可靠性，进行了地面试验及装车试验。

3.1地面试验

地面试验根据厂家提供的试验大纲，进行了功率元件开关试验，试验原理如图8所示，每次针对一个IGBT进行测试。

图8　试验原理(虚线按需连接)

在PN两端加载直流稳压电源，给IGBT驱动信号，并采集IGBT的反馈信号以及负载上的电压变化，图9所示为测量U相IGBT所采集的信号图，其中CH1为控制信号，从+15 V下降为0 V；CH2为反馈信号，由0 V上升到+15 V，保证了反馈信号与控制信号的反相；CH3为驱动板上G极的响应信号，从+15 V开通电压降低到-7 V，保证IGBT的可靠关断；CH4为负载上的电压信号，负载上的电压产生震荡，符合IGBT在关断时的dVce/dt值很大的关断特性。

根据所采集信号与未改造的PU模块的信号对比，改造的PU模块基本开通关断功能正常，判断改造后的PU模块驱动信号及反馈信号符合使用要求。

图9　U相IGBT所采集的信号

3.2装车试验

将改造好的PU模块安装在广州地铁5号线列车的VVVF箱上，一个VVVF箱有两台PU模块，其中一台为改造后的PU模块，一台为未改造的PU模块。

利用自主开发的信号采集装置，对同一个VVVF箱中的两台PU模块进行信号对比。列车在试车线及正线正常运行，采集运行过程中列车的各种信号如图10所示，图10左侧上方的信号为列车牵引制动信号；牵引制动信号下方为PU模块的电容电压，维持在1 500 V 的供电电压；电容电压信号下方是两台PU模块的牵引电流对比信号，其中白色信号为未改造的PU模块的牵引电流信号，而红色信号为改造后PU模块的牵引电流信号，两个信号几乎完全一致，也证明了改造的PU模块与原装PU模块的牵引工况完全一致；牵引电流信号图下方为列车速度信号。图10中间的四个信号图从上到下分别是未改造的PU模块的温度、改造后PU模块的温度、未改造PU模块的相电流、改造后的PU模块的相电流，经过对比，两个模块的响应信号也基本一致。图10右侧的图是采集的两台PU模块的门极驱动信号和反馈信号，用于辅助分析PU模块的IGBT驱动状态。

图10　信号采集图

经过信号对比，改造后的PU模块与未改造的PU模块信号基本一致，未有明显差异，验证了改造后的PU模块功能正常。

4　结　论

通过选用IGBT与GDU结合的方式替代三菱公司的IPM对PU模块进行改造，并对控制信号与反馈信号做出了调整，改造后的PU模块达到了原系统的要求，并在装车载客考核中性能表现理想，广州地铁直线电机车辆牵引逆变模块改造成功。打破了日本三菱公司对于PU模块的技术垄断，不仅可以为地铁运营节约大量成本，也为列车逆变模块国产化奠定了基础，对地铁设备技术改造具备指导意义。

[1]王晓明,杨秀艳,董玉林.智能功率模块IPM故障信号的处理方法 [J]. 辽宁工学院学报, 2005, (25): 95-96.

[2]陈永淑.IGBT的可靠性模型研究[D]. 重庆：重庆大学，2010.

[3]英飞凌. FZ1200R33KF2C (chinese/english) -EN/CN [Z]. http:∥www.infineon.com/dgdl/Infineon-FZ1200R33KF2C-DS-v02_01-en_de.pdf?fileId=db3a304412b407950112b431408553eb.

Technical Reform of Traction Inverter Module for Line Motor Vehicles of Guangzhou Metro

JINWentao,XIAOYaotian,CHENZhihua,LITianming,CHENWei

(Repair & Overhaul Center of Operation Division, Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510310 Guangdong, China)

Using the method of IGBT with GDU, the linear motor vehicle's inverter modules of Guangzhou metro are reformed to replace the original modules of Mitsubishi IPM. The reformed inverter modules can meet the requirements of the original system, and have achieved ideal performance after the actual operation assessment.

inverter module; technical reform; monopoly; IPM

1008-7842 (2016) 02-0116-04

��)男，助理工程师(

2015-11-14)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.28