沈阳地铁1号线牵引变流器功率模块国产化设计与开发

周大力，魏红梅，朱剑

摘 要：沈阳地铁1号线电客车使用的牵引变流器功率模块故障比较严重。文章针对沈阳地铁1号线牵引系统功率模块进行国产化开发，从牵引系统功率模块的工作原理进行分析，运用大功率IGBT驱动技术进行重新设计，从而优化系统方案、降低制造成本、缩短采购周期，以满足电客车运营要求。

关键词：牵引逆变器;功率单元;绝缘栅双极型晶体管

沈阳地铁1号线电客车采用的牵引逆变器功率单元为三菱电机设计，该模块长期工作在高温、高电压、高电流的环境下，故障率相对较高。功率模块是牵引逆变器的功率执行单元，直接影响牵引逆变器的工作效率和稳定性。单台牵引逆变器功率单元烧损会影响电客车1/3动力，影响电客车的正常行车。此外，功率单元由国外供货，存在返修周期长、维修价格高等问题。为解决国外备件采购价格高、采购渠道单一和采购周期长等问题，故开展1号线电客车牵引逆变器功率模块国产化及验证工作。

1 牵引变流器功率模块原理介绍

牵引逆变器将引入的电能进行电压调节和频率调节，进而形成可以驱动电机转动的三相交流电，以此实现列车运转?[1]。目前城市轨道交通车辆主要采用受电弓直流1 500 V或三轨750 V供电?[2]，交流传动系统有较宽的速度调节范围和较高的功率等级?[3]，适用于列车重载环境。沈阳地铁1号线为受电弓直流1 500 V供电，功率模块接收牵引逆变器控制机箱的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）矢量调制信号，通过绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）驱动板控制IGBT将1 500 V直流电转化为三相交流电。功率模块原理如图1所示，其中，TH1和TH2为热敏电阻，用于监测功率模块的散热器温度。

图1 功率模块原理

功率模块主要包括IPM/IGBT、散热器、低感母排、电容、信号转换板/驱动电路、温度传感器、电流传感器等，其结构为典型的三相逆变桥。

2 原方案与国产化方案对比分析

2.1 原方案存在的问题

（1）维修周期长。由于产品为进口设计，采用的关键零部件均为进口，且为定制品，采购价格高、周期长。单台功率模块的维修周期长达6～12月。

（2）维修成本高。关键零部件必须进口，维修品的成本包括运费、税务等，由于采购数量小，生产厂家的制造成本也大幅上升。部分零部件为进口定制开发品，在未来时刻会面临因停产而需重新定制、开发的风险。

（3）售后服务反应相对较慢。在进行售后服务时需要国外公司的支持，由于通信、翻译、决策等方面的影响，售后服务反应相对较慢。

2.2 原设计技术方案分析

（1）原设计方案选用的功率器件较为落后，所采用的功率器件为2009年前的产品，其工作温度、过电流能力、短路特性等技术性能已明显落后于现今的技术水平。

（2）原设计方案拓扑固定，灵活性不够。原设计方案采用光电转换板+IPM的拓扑结构。采用IPM作为功率器件，具有高集成度的优势，但运用其进行设计会带来一些不便：

首先，IPM为驱动板和IGBT的集合，任何部分有问题就必须更换整个IPM。

其次，驱动电路板集成封装内，IPM的高温环境会对驱动电路板上元器件寿命产生不良影响。

最后，由于其门极控制电路集成在内部，无法根据实际的工作情况来调节IPM的损耗和安全工作范围。

（3）原设计方案安全工作范围裕量小。功率器件损毁的原因是超出安全工作范围，受限于当时功率器件的技术水平，原设计方案在大电流工作时的设计裕量相对较小，导致在恶劣工作环境下的安全工作区范围较小。

2.3 国产化方案分析

2.3.1 极大缩短生产周期和降低采购成本

国产化功率模块采用全新的驱动板+IGBT，其低感母排、散热器、结构件等都为国内成熟供应商定制开发，较大地缩短了采购周期和运输成本。国产化功率模块的成本可降低40%左右。

2.3.2 设计方案极大优化

（1）功率器件工作温度大为提升。目前选用的IGBT为宽温度范围器件，其工作温度为﹣40～150 ℃，原设计的IPM最高工作温度为125 ℃，高温比IPM提高了25 ℃，延长了功率模块的使用寿命。

（2）新设计散热器散热功率提升。为了提高IGBT的安全工作范围，对散热器进行了国产化定制开发，提高了散热器的散热能力，可以有效降低IGBT的工作结温，减小模块损坏的概率。

（3）功率器件安全工作范围的提升。在功率模块设计时，根据采用的新型IGBT驱动特性，通过调节驱动电路板的驱动特性，在保证损耗和温升的条件下，合理降低IGBT的开通关断电压、电流尖峰电压，使得功率模块承受的尖峰电压和尖峰電流更小。

（4）方案为未来升级提供空间。国产化功率模块方案可以灵活的对IGBT工作特性进行调整。该方案可在技术上进行持续改进，如有新型IGBT性能更优，也可灵活调节、替换。

3 试验结果分析

国产化功率模块在沈阳1号线进行了装车试验，试验在列车满载情况下进行，装载约110 t沙袋。列车编组方式为6车编组，3动车3拖车，其中2车、3车、5车为动车，国产化功率模块安装在5车，2车、3车依旧采用原车功率模块。试验将在同种工况下对比国产化功率模块与原功率模块的温度情况。

列车以满载状态自动驾驶模式运行两圈，试验过程列车运行良好，各功率模块输出电流均衡，各车辆功率模块散热器温度记录曲线如图2所示，其中，5车为国产化功率模块，TH1，TH2分别为散热器左右两侧的温度测试点。

列车运行两圈的全过程中，两车功率模块散热器最高温度60 ℃>5车功率模块散热器（国产化）最高温度58 ℃>3车功率模块散热器最高温度57 ℃。

3車处于列车中间，上下行功率模块温度都介于2车与5车之间，越靠近列车前进方向，散热情况越好，来回行驶时中间车不容易出现极端温度。

试验时隧道内的环境温度为18～22 ℃。根据最低的环境温度18 ℃来进行温升计算，5车的散热器最高温升为：58﹣18=40 K。

设计环境温度为﹣25～40 ℃。按最高的环境温度计算，5车散热器最高温度为：40+40=80 ℃。国产化功率模块采用的IGBT最高节温为150 ℃，国产化功率模块温升满足要求。

4 结语

本文运用新设计对沈阳地铁1号线牵引变流器功率模块进行了国产化，降低了采购成本及采购周期，优化了模块设计方案，提高了模块安全工作范围，并成功进行了正线满载试验，试验结果符合设计要求。

作者简介：周大力（1980— ），男，湖南湘潭人，工程师，硕士;研究方向：大功率变流器。

[参考文献]

[1]刘成武.地铁车辆牵引逆变器的常见故障与维修[J].科技创新导报，2018（19）：37-38.

[2]田慧，王泉文，杜绍岩.地铁列车牵引系统组成概述[J].通讯世界，2016（7）：239-240.

[3]陈广泰，贾云岗，高永军，等.大功率牵引交流传动系统试验平台搭建[J].内燃机车，2013（2）：6-9.

Domestic design and development of traction converter power module for Shenyang metro line 1

Zhou Dali1， Wei Hongmei2， Zhu Jian1

（1.Zhuzhou Shiling Transportation Equipment Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China;2.Operation Branch of Shenyang Metro Group Co.， Ltd.， Shenyang 110141， China）

Abstract：The power unit of the traction inverter used in Shenyang metro line 1 has frequent failures. This paper analyzes the traction system power unit of Shenyang metro line 1 and analyzes the working principle of the power unit of the traction system. It is designed with high-power IGBT drive technology to optimize system， reduce manufacturing costs， shorten procurement cycles， and meet train operation operating requirements.

Key words：traction inverter; power unit; insulated gate bipolar transistor