1 概述
上海首批交流傳動地鐵車輛，現(xiàn)編號為 AC01/02 型電動列車，是上世紀90 年代末從德國 引進的先進的交流傳動車輛，其關鍵的核心部件 是采用當時先進的可關斷晶閘管GTO" title="GTO">GTO 構成的主 牽引逆變器。
由于電力電子技術的進步與發(fā)展，新一代性 能優(yōu)良的絕緣柵雙極型晶體管IGBT" title="IGBT">IGBT 模塊的電壓 電流等級有突破性的提高，電壓等級已從1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V，電流也從 600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。此 外，IGBT 模塊在性能上比GTO 器件有多項優(yōu)點： 開關損耗小，開關頻率較高；可結合層壓低感母線 實現(xiàn)無吸收電路；屬電壓型驅動，電路功耗較低； 具有抗短路自保護能力；改進了材料與工藝使其 滿足牽引對熱交變負載工況的要求；絕緣式模塊 也簡化了散熱器與變流裝置的結構等[1]。
因此，采用IGBT構成的變流裝置比GTO 的體 積小、重量輕、效率高，并且性能也好，所以在城市軌 道電動車輛牽引領域中所應用的GTO已在不斷地被IGBT模塊取代，高壓IGBT模塊（或HVIGBT）已 成為軌道車輛上選用的主流產(chǎn)品。考慮到GTO退 出在軌道車輛中的應用，進而開展對這類進口的 GTO車輛進行IGBT 的國產(chǎn)化替代研制是非常必 要，并且具有重要的經(jīng)濟意義和重大的社會效益。
GTO牽引逆變器的核心部件是由3 個牽引相 模塊和1 個制動斬波模塊" title="斬波模塊">斬波模塊所構成，這里主要闡述 對制動斬波模塊的IGTB的國產(chǎn)化替代研制，因為 對牽引相模塊已完成了相應的替代研制[2]。
2 GTO 制動斬波模塊
在AC01/02 型電動列車上的GTO 牽引逆變 器中，其制動斬波模塊是用于當電網(wǎng)不能吸收再 生制動反饋來的電能時將此反饋能量消耗在制動 電阻上。
2.1 制動斬波模塊結構
制動斬波模塊的結構與逆變器的牽引相模塊 結構類似，如圖1所示。其結構部件可分為用于安 裝各類組件的散熱器底盤；構成制動斬波模塊的 兩個晶閘管GTO 及其續(xù)流管D 和制動電阻的續(xù) 流管；用于吸收換流尖峰電壓的電阻、電容和二極管組成的低損耗的吸收電路；晶閘管GTO 用的門 極驅動組件，它由A3、A2 和A1三個小部件構成， 以及三個小部組件之間的連線及光纜等；此外還 有溫控小部件。
這些結構部件可歸納為三類：主電路部件由 晶閘管GTO、續(xù)流管D 及吸收電路構成；控制電 路部件由雙門極控制單元A3 和高壓驅動單元A1 與A2及其之間的連線與連接光纜等構成，還有溫 控部件；機械結構部件主要為散熱器底盤及其他 用于固定部件的結構件。
2.2 制動斬波模塊上的接口件
制動斬波模塊與外部的接口件分為：主電路 方面有5 個接口端子P（+）、N（-）、L（~）及C+和 C-；控制電路方面有雙門極控制單元A3上的引入 電源的接線插座X9 和與TCU 相連的導入驅動信 號的電纜座X2，以及底盤上的用于溫度保護的 PT100 的插座X5。
制動斬波模塊上部件間的接口件有：雙門極控 制單元A3上的光纜連接插座B3和B4，分別對應 高壓驅動單元的A2和A1上的光纜連接插座；雙門 極控制單元A3上的連線端子-X5和-X6，分別對應高壓驅動單元的A2和A1的連線端子-X2和-X1。
2.3 制動斬波模塊的電氣原理
2.3.1 主電路及其原理
GTO 制動斬波模塊的主電路圖如圖2 所示， 由圖2 看出V1 與V2 是兩個并聯(lián)的主晶閘管 GTO1 和GTO2；V4 為V2 和V1（GTO）的續(xù)流管；V3 是制動電阻的續(xù)流管；電容C1 、C2 、C5 、C6 與吸收二 極管V5~V6 以及與端子C+相連的外接電阻R1 一 起構成低損耗的吸收電路；R7 和C7 是保護V5、V6 用的。在制動斬波器中兩個并聯(lián)的主晶閘管V1 與 V2是交替導通的，一個在正半波內導通，另一個在 負半波內導通；PWM的規(guī)律是定頻變寬的脈沖寬 度調制方式。
采用這種通斷方式是由于GTO 的開關頻率 限制在400 Hz左右，為了抑制制動電阻上的電流 脈動以改善制動性能，這樣就可以提高制動電阻 上脈寬調制的頻率，使其滿足大于500 Hz 的斬波 頻率的要求。
圖圓中的高壓驅動單元A1 和A2 是直接驅 動GTO 的驅動單元，通過A1 和A2 按PWM 規(guī)律 交替通斷V1（GTO1）和V2（GTO2）可在制動電阻上 得到雙倍于脈沖頻率的調制波，有利于抑制制動 電流的脈動。
其吸收電路的工作原理是在V1 和V2 均關斷 的初始狀態(tài)下，電容C5、C6被充電至電源電壓，電 容C1、C2經(jīng)制動電阻也被充電至電源電壓。
當V2或V1導通時，電流從正端P流入，經(jīng)V2 或V1 和制動電阻再到負端N，制動電阻得電。此 時C1、C2通過外接電阻R1放電至近似為0 V。
當V2與V1均關斷時，一方面，制動電阻經(jīng)續(xù)流管V3 續(xù)流；另一方面，經(jīng)換向二極管和換向電 容C1、C2及C5、C6 吸收主管關斷時的尖峰電壓；同 時，換向電容C1、C2再經(jīng)制動電阻又被充電至電源 電壓。
從以上分析看出，在換流過程中，漏感中能量 所造成的尖峰電壓能被吸收電路有效抑制，但同 時也有部分能量反饋給電源。
2.3.2 控制電路及其原理
控制電路框圖如圖3 所示。圖中雙門極控制 單元A3要實現(xiàn)對高壓驅動單元A2 和A1 的邏輯 控制；A3 上有控制電路的輸入電壓連接插座X9， 其輸入電壓為直流140 V；A3上的接線端子X5 和 X6 是兩個輸出端子，每個接線端子有4 根信息輸 出（電源）線，分黑白與紅藍兩組，X5 輸出到高壓 驅動單元A1，X6 輸出到高壓驅動單元A2；同時 A3 上的兩個光纜座B3 和B4 通過相應的兩根光 纜LWL各自連向A2 和A1上的光纜座，并且A2 和A1 上裝有光纜的發(fā)射器，而A3上的B3 和B4 是光纜的接收器。
控制電路原理及光纜的作用是當A3 的X9 接線座子輸入直流電壓140 V 時，輸出端子X5 或 X6 的黑白線上信號為依65 V、50 kHz 的方波電源 （圖4），而紅監(jiān)兩根線上無信號。此時A1 和A2上 的光纜發(fā)射器點亮通過光纜發(fā)射光束，讓A3上的B3和B4光纜接收器接收到紅外光束，同時A1 和 A2 的觸發(fā)GTO 的輸出端子G 與K 是負偏置，電 壓約為-15 V，即兩個并聯(lián)GTO是處于斷態(tài)。所以 此兩根光纜僅是傳遞GTO的斷態(tài)的狀態(tài)信息。當 A3得知兩個GTO 均處于斷態(tài)時，才允許向A1 或 A2 發(fā)送觸發(fā)導通信號。
由此看出，這里對GTO 的觸發(fā)信息不是由光 纜發(fā)送的。通過分析與測試得出，X5 或X6端子上 的紅藍兩根線是用來給GTO 傳遞通斷的觸發(fā)信 號。通斷信息是由與TCU相連的X2接口得到的， 再通過上述的X5 或X6 的紅藍兩根線傳遞給 GTO的驅動單元A2 或A1 的。
X5 或X6 的紅藍兩根線輸出的觸發(fā)信息波形 如圖5 所示，將圖5（a）的波形展開，得圖5（b）和 （c）波形，由波形圖看出，觸發(fā)導通時GTO 導通信 息的前沿有幾十滋s寬的強觸發(fā)信號；關斷時也有 足夠的關斷能量（約反壓140 V、寬20 滋s 的脈 沖），保證可靠關斷。
1 概述
上海首批交流傳動地鐵車輛，現(xiàn)編號為 AC01/02 型電動列車，是上世紀90 年代末從德國 引進的先進的交流傳動車輛，其關鍵的核心部件 是采用當時先進的可關斷晶閘管GTO 構成的主 牽引逆變器。
由于電力電子技術的進步與發(fā)展，新一代性 能優(yōu)良的絕緣柵雙極型晶體管IGBT 模塊的電壓 電流等級有突破性的提高，電壓等級已從1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V，電流也從 600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。此 外，IGBT 模塊在性能上比GTO 器件有多項優(yōu)點： 開關損耗小，開關頻率較高；可結合層壓低感母線 實現(xiàn)無吸收電路；屬電壓型驅動，電路功耗較低； 具有抗短路自保護能力；改進了材料與工藝使其 滿足牽引對熱交變負載工況的要求；絕緣式模塊 也簡化了散熱器與變流裝置的結構等[1]。
因此，采用IGBT構成的變流裝置比GTO 的體 積小、重量輕、效率高，并且性能也好，所以在城市軌 道電動車輛牽引領域中所應用的GTO已在不斷地被IGBT模塊取代，高壓IGBT模塊（或HVIGBT）已 成為軌道車輛上選用的主流產(chǎn)品。考慮到GTO退 出在軌道車輛中的應用，進而開展對這類進口的 GTO車輛進行IGBT 的國產(chǎn)化替代研制是非常必 要，并且具有重要的經(jīng)濟意義和重大的社會效益。
GTO牽引逆變器的核心部件是由3 個牽引相 模塊和1 個制動斬波模塊所構成，這里主要闡述 對制動斬波模塊的IGTB的國產(chǎn)化替代研制，因為 對牽引相模塊已完成了相應的替代研制[2]。
2 GTO 制動斬波模塊
在AC01/02 型電動列車上的GTO 牽引逆變 器中，其制動斬波模塊是用于當電網(wǎng)不能吸收再 生制動反饋來的電能時將此反饋能量消耗在制動 電阻上。
2.1 制動斬波模塊結構
制動斬波模塊的結構與逆變器的牽引相模塊 結構類似，如圖1所示。其結構部件可分為用于安 裝各類組件的散熱器底盤；構成制動斬波模塊的 兩個晶閘管GTO 及其續(xù)流管D 和制動電阻的續(xù) 流管；用于吸收換流尖峰電壓的電阻、電容和二極管組成的低損耗的吸收電路；晶閘管GTO 用的門 極驅動組件，它由A3、A2 和A1三個小部件構成， 以及三個小部組件之間的連線及光纜等；此外還 有溫控小部件。
這些結構部件可歸納為三類：主電路部件由 晶閘管GTO、續(xù)流管D 及吸收電路構成；控制電 路部件由雙門極控制單元A3 和高壓驅動單元A1 與A2及其之間的連線與連接光纜等構成，還有溫 控部件；機械結構部件主要為散熱器底盤及其他 用于固定部件的結構件。
2.2 制動斬波模塊上的接口件
制動斬波模塊與外部的接口件分為：主電路 方面有5 個接口端子P（+）、N（-）、L（~）及C+和 C-；控制電路方面有雙門極控制單元A3上的引入 電源的接線插座X9 和與TCU 相連的導入驅動信 號的電纜座X2，以及底盤上的用于溫度保護的 PT100 的插座X5。
制動斬波模塊上部件間的接口件有：雙門極控 制單元A3上的光纜連接插座B3和B4，分別對應 高壓驅動單元的A2和A1上的光纜連接插座；雙門 極控制單元A3上的連線端子-X5和-X6，分別對應高壓驅動單元的A2和A1的連線端子-X2和-X1。
2.3 制動斬波模塊的電氣原理
2.3.1 主電路及其原理
GTO 制動斬波模塊的主電路圖如圖2 所示， 由圖2 看出V1 與V2 是兩個并聯(lián)的主晶閘管 GTO1 和GTO2；V4 為V2 和V1（GTO）的續(xù)流管；V3 是制動電阻的續(xù)流管；電容C1 、C2 、C5 、C6 與吸收二 極管V5~V6 以及與端子C+相連的外接電阻R1 一 起構成低損耗的吸收電路；R7 和C7 是保護V5、V6 用的。在制動斬波器中兩個并聯(lián)的主晶閘管V1 與 V2是交替導通的，一個在正半波內導通，另一個在 負半波內導通；PWM的規(guī)律是定頻變寬的脈沖寬 度調制方式。
采用這種通斷方式是由于GTO 的開關頻率 限制在400 Hz左右，為了抑制制動電阻上的電流 脈動以改善制動性能，這樣就可以提高制動電阻 上脈寬調制的頻率，使其滿足大于500 Hz 的斬波 頻率的要求。
圖圓中的高壓驅動單元A1 和A2 是直接驅 動GTO 的驅動單元，通過A1 和A2 按PWM 規(guī)律 交替通斷V1（GTO1）和V2（GTO2）可在制動電阻上 得到雙倍于脈沖頻率的調制波，有利于抑制制動 電流的脈動。
其吸收電路的工作原理是在V1 和V2 均關斷 的初始狀態(tài)下，電容C5、C6被充電至電源電壓，電 容C1、C2經(jīng)制動電阻也被充電至電源電壓。
當V2或V1導通時，電流從正端P流入，經(jīng)V2 或V1 和制動電阻再到負端N，制動電阻得電。此 時C1、C2通過外接電阻R1放電至近似為0 V。
當V2與V1均關斷時，一方面，制動電阻經(jīng)續(xù)流管V3 續(xù)流；另一方面，經(jīng)換向二極管和換向電 容C1、C2及C5、C6 吸收主管關斷時的尖峰電壓；同 時，換向電容C1、C2再經(jīng)制動電阻又被充電至電源 電壓。
從以上分析看出，在換流過程中，漏感中能量 所造成的尖峰電壓能被吸收電路有效抑制，但同 時也有部分能量反饋給電源。
2.3.2 控制電路及其原理
控制電路框圖如圖3 所示。圖中雙門極控制 單元A3要實現(xiàn)對高壓驅動單元A2 和A1 的邏輯 控制；A3 上有控制電路的輸入電壓連接插座X9， 其輸入電壓為直流140 V；A3上的接線端子X5 和 X6 是兩個輸出端子，每個接線端子有4 根信息輸 出（電源）線，分黑白與紅藍兩組，X5 輸出到高壓 驅動單元A1，X6 輸出到高壓驅動單元A2；同時 A3 上的兩個光纜座B3 和B4 通過相應的兩根光 纜LWL各自連向A2 和A1上的光纜座，并且A2 和A1 上裝有光纜的發(fā)射器，而A3上的B3 和B4 是光纜的接收器。
控制電路原理及光纜的作用是當A3 的X9 接線座子輸入直流電壓140 V 時，輸出端子X5 或 X6 的黑白線上信號為依65 V、50 kHz 的方波電源 （圖4），而紅監(jiān)兩根線上無信號。此時A1 和A2上 的光纜發(fā)射器點亮通過光纜發(fā)射光束，讓A3上的B3和B4光纜接收器接收到紅外光束，同時A1 和 A2 的觸發(fā)GTO 的輸出端子G 與K 是負偏置，電 壓約為-15 V，即兩個并聯(lián)GTO是處于斷態(tài)。所以 此兩根光纜僅是傳遞GTO的斷態(tài)的狀態(tài)信息。當 A3得知兩個GTO 均處于斷態(tài)時，才允許向A1 或 A2 發(fā)送觸發(fā)導通信號。
由此看出，這里對GTO 的觸發(fā)信息不是由光 纜發(fā)送的。通過分析與測試得出，X5 或X6端子上 的紅藍兩根線是用來給GTO 傳遞通斷的觸發(fā)信 號。通斷信息是由與TCU相連的X2接口得到的， 再通過上述的X5 或X6 的紅藍兩根線傳遞給 GTO的驅動單元A2 或A1 的。
X5 或X6 的紅藍兩根線輸出的觸發(fā)信息波形 如圖5 所示，將圖5（a）的波形展開，得圖5（b）和 （c）波形，由波形圖看出，觸發(fā)導通時GTO 導通信 息的前沿有幾十滋s寬的強觸發(fā)信號；關斷時也有 足夠的關斷能量（約反壓140 V、寬20 滋s 的脈 沖），保證可靠關斷。
2.4 制動斬波模塊性能分析及其測試
根據(jù)上述分析，在與TCU 相連的接口X2 上 輸入觸發(fā)信號，X5 或X6 的紅藍兩根線輸出的觸發(fā)信號波形見圖5，通過A1 或A2就可觸發(fā)GTO 的通與斷。從對應的GK 測試波形（圖6 所示）的 上升沿[圖6（b）] 與下降沿[圖6（c）]的分析看出， 所測試的觸發(fā)波形是符合對GTO 驅動電路所要 求的觸發(fā)波形。從圖6（b）中可知，導通瞬間有50~ 60 滋s 寬度的強觸發(fā)脈沖，然后有維持正向導通約 1 V 的壓降；從圖6（c）可見，關斷時有強的反向電 壓脈沖，最后維持在約-15 V的反向偏置。
結合制動斬波模塊主電路（圖2）可以看出，當 在P 與N施予直流電壓時，由TCU按一定規(guī)律發(fā) 出PWM 通斷信息，經(jīng)A3 及A2 與A1 交替觸發(fā) GTO1 和GTO2（見圖7（a）），即可在輸出端的制動 電阻上得到兩倍于脈沖頻率的斬波電壓波形，如 圖7（b）所示（10 V/div）。
3 IGBT 制動斬波模塊的研制
3.1 IGBT 制動斬波模塊結構設計
基本結構方案如圖8 所示。
C&Q 為控制、信號轉換、保護及驅動電路，A3 為驅動控制邏輯單元，A2、A1 為高壓驅動單元， IGBT 為絕緣柵雙極型晶體管，Snub 為吸收電路。 在圖8 中，IGBT 替代GTO 及其續(xù)流管，因為在IGBT模塊中已包含有本身的續(xù)流管；制動電阻續(xù)流 管未畫出來；A1和A2是原來驅動GTO 的高壓驅 動單元；C&Q1和C&Q2是所研制的包含了控制、信 號轉換與保護電路的驅動IGBT的驅動電路單元。
從GTO制動模塊結構看，所布置的IGBT和 制動電阻續(xù)流管的散熱面積要比GTO 及其續(xù)流 管大，因而對其散熱是有利的。
從主電路及其對外連接的端子看，有足夠的 空間來安排和考慮，并盡量從減少分布電感及有 利于均流來布置，保留模塊原有的對外連接的端 子不變。
關于IGBT驅動電路的布置設計，可以將其布 置在A1 和A2 的下面，固定在一塊絕緣的環(huán)氧板 上，空間足夠，固定將是很牢靠的。
通過上述結構方案經(jīng)多次試驗、改善與優(yōu)化，可以實現(xiàn)制動斬波模塊的國產(chǎn)化替代研制。
3.2 IGBT制動斬波模塊驅動電路方案及其分析
通過對G與K 觸發(fā)波形分析來構建IGBT驅 動電路方案，并分析了三種可能的電路方案，第一 種由分立元件電路構成，第二種是采用瑞士公司 生產(chǎn)的IGD515驅動模塊構成的電路方案，第三種 也是用瑞士公司生產(chǎn)的2SD315驅動模塊構成。通 過對其所構成的驅動電路分析與試驗，及其對測 試波形的比較，選擇由2SD315驅動模塊來構成的 IGBT驅動電路較為合適；信號轉換電路也通過采 用光耦與運放比較后，宜采用后者或組合式來構 成。由于采用IGBT模塊，其開關頻率的限制值要 比GTO 的大得多，為此把原交替觸發(fā)方式通過 “或”處理將兩個并聯(lián)的IGBT都同時觸發(fā)，也即控 制上也是并聯(lián)工作的。所設計的控制與驅動原理 框圖如圖9 所示。
通過對所設計與研制的驅動電路板的試驗， 得到如圖10 所示的測試波形。輸入為G、K 端的 VGK 波形（CH2-5V/div），輸出為觸發(fā)IGBT 的VGE 波形（CH1-5V/div）。
由測試波形圖10 看出，G 與K的觸發(fā)通斷波 形VGK與IGBT 的觸發(fā)波形VGE 的前沿、后沿幾乎完全吻合；如對其前、后沿展開并比較后可得出， VGE 波形前沿對VGK 波形而言，延時約1 滋s；而其 后沿延時約2 滋s，故其導通脈寬約寬1 滋s，這差 異在工程上完全可忽略不計，也可說，這么小的差 異早被淹沒在制動力的閉環(huán)控制調節(jié)之中了。
3.3 IGBT制動斬波模塊電氣性能分析及其測試
圖11 是用IGBT 模塊替代GTO 及其續(xù)流管 后的主電路原理圖，與GTO 斬波模塊主電路結構 上是一致的，為分析比較兩者電路在加以觸發(fā)信 號時電氣性能，分別對他們的制動斬波電路（圖11 和圖2）進行了測試。IGBT的驅動電壓波形如圖 12 所示。
為使制動力較為平穩(wěn)，要求制動電阻上斬波 電壓波形的脈沖頻率高于500 Hz。在圖2 中，通過 兩個并聯(lián)但交替觸發(fā)驅動的方式，來達到制動電 阻上的斬波電壓波形為兩倍于脈沖頻率的電壓波 形（見圖7）；而圖11 中，兩個IGBT不僅電路上是 并聯(lián)，而且控制上對兩路驅動信號“或”處理后也屬并聯(lián)工作了，將圖12 與圖7（a）對比看出，在圖12 上，G、E 端子上的驅動電壓波形（CH3）的頻率也被提高了一倍，制動電阻上的斬波電壓波形也就與原來的圖7（b）所示的一樣了。而此時流過 IGBT的電流可降為一半，而且其開關時間短，開關損耗小，這對IGBT的工作都是有利的。
同樣，也測試了兩者（GTO 和IGBT）制動斬波 模塊中其他部件的波形，它們顯示的波形幾乎是 一致的。
4 裝車試驗與總結
1）所研制的IGBT制動斬波模塊，通過實驗室 試驗后已于7 月底裝車，在試車線上做了不同速 度下的牽引與制動試驗，列車運行均正常，表明 IGBT制動斬波模塊工作正常，之后便投入正式運 營考核，至今運行一直正常。
2）從性能對比試驗看出，兩者性能幾乎一致， 且IGBT 的損耗要小，成本也低，這也明顯地降低 了該類車型的運營維護費用。
3）本項目研制的成功，不僅解決了GTO 停產(chǎn) 后的備品備件的問題，而且確保了AC01/02型電 動列車的持續(xù)可靠安全運營，這具有重要的經(jīng)濟 效益和社會意義。
4）目前，國內上海、廣州和北京城市地鐵部門 都有進口的GTO 交流傳動車輛，對他們來說，本 次研制具有較好的參考與實用價值。