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地铁车辆GTO制动斩波模块的IGBT国产化替代研制

作者:时间:2018-08-20来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/387192.htm

3 IGBT 制动斩波模块的研制

3.1 IGBT 制动斩波模块结构设计

基本结构方案如图8 所示。

CQ 为控制、信号转换、保护及驱动电路,A3 为驱动控制逻辑单元,A2、A1 为高压驱动单元, IGBT 为绝缘栅双极型晶体管,Snub 为吸收电路。 在图8 中,IGBT 替代GTO 及其续流管,因为在IGBT模块中已包含有本身的续流管;制动电阻续流 管未画出来;A1和A2是原来驱动GTO 的高压驱 动单元;CQ1和CQ2是所研制的包含了控制、信 号转换与保护电路的驱动IGBT的驱动电路单元。

从GTO制动模块结构看,所布置的IGBT和 制动电阻续流管的散热面积要比GTO 及其续流 管大,因而对其散热是有利的。

从主电路及其对外连接的端子看,有足够的 空间来安排和考虑,并尽量从减少分布电感及有 利于均流来布置,保留模块原有的对外连接的端 子不变。

关于IGBT驱动电路的布置设计,可以将其布 置在A1 和A2 的下面,固定在一块绝缘的环氧板 上,空间足够,固定将是很牢靠的。

通过上述结构方案经多次试验、改善与优化,可以实现制动斩波模块的国产化替代研制。

3.2 IGBT制动斩波模块驱动电路方案及其分析

通过对G与K 触发波形分析来构建IGBT驱 动电路方案,并分析了三种可能的电路方案,第一 种由分立元件电路构成,第二种是采用瑞士公司 生产的IGD515驱动模块构成的电路方案,第三种 也是用瑞士公司生产的2SD315驱动模块构成。通 过对其所构成的驱动电路分析与试验,及其对测 试波形的比较,选择由2SD315驱动模块来构成的 IGBT驱动电路较为合适;信号转换电路也通过采 用光耦与运放比较后,宜采用后者或组合式来构 成。由于采用IGBT模块,其开关频率的限制值要 比GTO 的大得多,为此把原交替触发方式通过 “或”处理将两个并联的IGBT都同时触发,也即控 制上也是并联工作的。所设计的控制与驱动原理 框图如图9 所示。

通过对所设计与研制的驱动电路板的试验, 得到如图10 所示的波形。输入为G、K 端的 VGK 波形(CH2-5V/div),输出为触发IGBT 的VGE 波形(CH1-5V/div)。

波形图10 看出,G 与K的触发通断波 形VGK与IGBT 的触发波形VGE 的前沿、后沿几乎完全吻合;如对其前、后沿展开并比较后可得出, VGE 波形前沿对VGK 波形而言,延时约1 滋s;而其 后沿延时约2 滋s,故其导通脉宽约宽1 滋s,这差 异在工程上完全可忽略不计,也可说,这么小的差 异早被淹没在制动力的闭环控制调节之中了。

3.3 IGBT制动斩波模块电气性能分析及其

图11 是用IGBT 模块替代GTO 及其续流管 后的主电路原理图,与GTO 斩波模块主电路结构 上是一致的,为分析比较两者电路在加以触发信 号时电气性能,分别对他们的制动斩波电路(图11 和图2)进行了测试。IGBT的驱动电压波形如图 12 所示。

为使制动力较为平稳,要求制动电阻上斩波 电压波形的脉冲频率高于500 Hz。在图2 中,通过 两个并联但交替触发驱动的方式,来达到制动电 阻上的斩波电压波形为两倍于脉冲频率的电压波 形(见图7);而图11 中,两个IGBT不仅电路上是 并联,而且控制上对两路驱动信号“或”处理后也属并联工作了,将图12 与图7(a)对比看出,在图12 上,G、E 端子上的驱动电压波形(CH3)的频率也被提高了一倍,制动电阻上的斩波电压波形也就与原来的图7(b)所示的一样了。而此时流过 IGBT的电流可降为一半,而且其开关时间短,开关损耗小,这对IGBT的工作都是有利的。

同样,也测试了两者(GTO 和IGBT)制动斩波 模块中其他部件的波形,它们显示的波形几乎是 一致的。

4 装车试验与总结

1)所研制的IGBT制动斩波模块,通过实验室 试验后已于7 月底装车,在试车线上做了不同速 度下的牵引与制动试验,列车运行均正常,表明 IGBT制动斩波模块工作正常,之后便投入正式运 营考核,至今运行一直正常。

2)从性能对比试验看出,两者性能几乎一致, 且IGBT 的损耗要小,成本也低,这也明显地降低 了该类车型的运营维护费用。

3)本项目研制的成功,不仅解决了GTO 停产 后的备品备件的问题,而且确保了AC01/02型电 动列车的持续可靠安全运营,这具有重要的经济 效益和社会意义。

4)目前,国内上海、广州和北京城市地铁部门 都有进口的GTO 交流传动车辆,对他们来说,本 次研制具有较好的参考与实用价值。


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关键词: 测试 二极管

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