精品最新IGBTGTO区别.docx
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精品最新IGBTGTO区别
最新IGBT-GTO-区别
1概述
上海首批交流传动地铁车辆,现编号为AC01/02型电动列车,是上世纪90年代末从德国引进的先进的交流传动车辆,其关键的核心部件是采用当时先进的可关断晶闸管GTO构成的主牵引逆变器。
由于电力电子技术的进步与发展,新一代性能优良的绝缘栅双极型晶体管IGBT模块的电压电流等级有突破性的提高,电压等级已从1700V增加到3300V、4500V及6500V,电流也从600A上升到800A、1200A及2400A等。
此外,IGBT模块在性能上比GTO器件有多项优点:
开关损耗小,开关频率较高;可结合层压低感母线实现无吸收电路;属电压型驱动,电路功耗较低;具有抗短路自保护能力;改进了材料与工艺使其满足牵引对热交变负载工况的要求;绝缘式模块也简化了散热器与变流装置的结构等[1]。
因此,采用IGBT构成的变流装置比GTO的体积小、重量轻、效率高,并且性能也好,所以在城市轨道电动车辆牵引领域中所应用的GTO已在不断地被IGBT模块取代,高压IGBT模块(或HVIGBT)已成为轨道车辆上选用的主流产品。
考虑到GTO退出在轨道车辆中的应用,进而开展对这类进口的GTO车辆进行IGBT的国产化替代研制是非常必要,并且具有重要的经济意义和重大的社会效益。
GTO牵引逆变器的核心部件是由3个牵引相模块和1个制动斩波模块所构成,这里主要阐述对制动斩波模块的IGTB的国产化替代研制,因为对牵引相模块已完成了相应的替代研制[2]。
2GTO制动斩波模块
在AC01/02型电动列车上的GTO牵引逆变器中,其制动斩波模块是用于当电网不能吸收再生制动反馈来的电能时将此反馈能量消耗在制动电阻上。
2.1制动斩波模块结构
制动斩波模块的结构与逆变器的牵引相模块结构类似,如图1所示。
其结构部件可分为用于安装各类组件的散热器底盘;构成制动斩波模块的两个晶闸管GTO及其续流管D和制动电阻的续流管;用于吸收换流尖峰电压的电阻、电容和二极管组成的低损耗的吸收电路;晶闸管GTO用的门极驱动组件,它由A3、A2和A1三个小部件构成,以及三个小部组件之间的连线及光缆等;此外还有温控小部件。
这些结构部件可归纳为三类:
主电路部件由晶闸管GTO、续流管D及吸收电路构成;控制电路部件由双门极控制单元A3和高压驱动单元A1与A2及其之间的连线与连接光缆等构成,还有温控部件;机械结构部件主要为散热器底盘及其他用于固定部件的结构件。
2.2制动斩波模块上的接口件
制动斩波模块与外部的接口件分为:
主电路方面有5个接口端子P(+)、N(-)、L(~)及C+和C-;控制电路方面有双门极控制单元A3上的引入电源的接线插座X9和与TCU相连的导入驱动信号的电缆座X2,以及底盘上的用于温度保护的PT100的插座X5。
制动斩波模块上部件间的接口件有:
双门极控制单元A3上的光缆连接插座B3和B4,分别对应高压驱动单元的A2和A1上的光缆连接插座;双门极控制单元A3上的连线端子-X5和-X6,分别对应高压驱动单元的A2和A1的连线端子-X2和-X1。
2.3制动斩波模块的电气原理
2.3.1主电路及其原理
GTO制动斩波模块的主电路图如图2所示,由图2看出V1与V2是两个并联的主晶闸管GTO1和GTO2;V4为V2和V1(GTO)的续流管;V3是制动电阻的续流管;电容C1、C2、C5、C6与吸收二极管V5~V6以及与端子C+相连的外接电阻R1一起构成低损耗的吸收电路;R7和C7是保护V5、V6用的。
在制动斩波器中两个并联的主晶闸管V1与V2是交替导通的,一个在正半波内导通,另一个在负半波内导通;PWM的规律是定频变宽的脉冲宽度调制方式。
采用这种通断方式是由于GTO的开关频率限制在400Hz左右,为了抑制制动电阻上的电流脉动以改善制动性能,这样就可以提高制动电阻上脉宽调制的频率,使其满足大于500Hz的斩波频率的要求。
图圆中的高压驱动单元A1和A2是直接驱动GTO的驱动单元,通过A1和A2按PWM规律交替通断V1(GTO1)和V2(GTO2)可在制动电阻上得到双倍于脉冲频率的调制波,有利于抑制制动电流的脉动。
其吸收电路的工作原理是在V1和V2均关断的初始状态下,电容C5、C6被充电至电源电压,电容C1、C2经制动电阻也被充电至电源电压。
当V2或V1导通时,电流从正端P流入,经V2或V1和制动电阻再到负端N,制动电阻得电。
此时C1、C2通过外接电阻R1放电至近似为0V。
当V2与V1均关断时,一方面,制动电阻经续流管V3续流;另一方面,经换向二极管和换向电容C1、C2及C5、C6吸收主管关断时的尖峰电压;同时,换向电容C1、C2再经制动电阻又被充电至电源电压。
从以上分析看出,在换流过程中,漏感中能量所造成的尖峰电压能被吸收电路有效抑制,但同时也有部分能量反馈给电源。
2.3.2控制电路及其原理
控制电路框图如图3所示。
图中双门极控制单元A3要实现对高压驱动单元A2和A1的逻辑控制;A3上有控制电路的输入电压连接插座X9,其输入电压为直流140V;A3上的接线端子X5和X6是两个输出端子,每个接线端子有4根信息输出(电源)线,分黑白与红蓝两组,X5输出到高压驱动单元A1,X6输出到高压驱动单元A2;同时A3上的两个光缆座B3和B4通过相应的两根光缆LWL各自连向A2和A1上的光缆座,并且A2和A1上装有光缆的发射器,而A3上的B3和B4是光缆的接收器。
控制电路原理及光缆的作用是当A3的X9接线座子输入直流电压140V时,输出端子X5或X6的黑白线上信号为依65V、50kHz的方波电源(图4),而红监两根线上无信号。
此时A1和A2上的光缆发射器点亮通过光缆发射光束,让A3上的B3和B4光缆接收器接收到红外光束,同时A1和A2的触发GTO的输出端子G与K是负偏置,电压约为-15V,即两个并联GTO是处于断态。
所以此两根光缆仅是传递GTO的断态的状态信息。
当A3得知两个GTO均处于断态时,才允许向A1或A2发送触发导通信号。
由此看出,这里对GTO的触发信息不是由光缆发送的。
通过分析与测试得出,X5或X6端子上的红蓝两根线是用来给GTO传递通断的触发信号。
通断信息是由与TCU相连的X2接口得到的,再通过上述的X5或X6的红蓝两根线传递给GTO的驱动单元A2或A1的。
X5或X6的红蓝两根线输出的触发信息波形如图5所示,将图5(a)的波形展开,得图5(b)和(c)波形,由波形图看出,触发导通时GTO导通信息的前沿有几十滋s宽的强触发信号;关断时也有足够的关断能量(约反压140V、宽20滋s的脉冲),保证可靠关断。
2.4制动斩波模块性能分析及其测试
根据上述分析,在与TCU相连的接口X2上输入触发信号,X5或X6的红蓝两根线输出的触发信号波形见图5,通过A1或A2就可触发GTO的通与断。
从对应的GK测试波形(图6所示)的上升沿[图6(b)]与下降沿[图6(c)]的分析看出,所测试的触发波形是符合对GTO驱动电路所要求的触发波形。
从图6(b)中可知,导通瞬间有50~60滋s宽度的强触发脉冲,然后有维持正向导通约1V的压降;从图6(c)可见,关断时有强的反向电压脉冲,最后维持在约-15V的反向偏置。
结合制动斩波模块主电路(图2)可以看出,当在P与N施予直流电压时,由TCU按一定规律发出PWM通断信息,经A3及A2与A1交替触发GTO1和GTO2(见图7(a)),即可在输出端的制动电阻上得到两倍于脉冲频率的斩波电压波形,如图7(b)所示(10V/div)。
3IGBT制动斩波模块的研制
3.1IGBT制动斩波模块结构设计
基本结构方案如图8所示。
C&Q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;C&Q1和C&Q2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。
3.2IGBT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所示的测试波形。
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)。
由测试波形图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。
3.3IGBT制动斩波模块电气性能分析及其测试
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500Hz。
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。
上海地铁一号线车辆,作为八十年代末、九十年代初设计和制造的产品,它的辅助功率逆变器;也不可避免地带了那个时代的特征—一使用大功率电力电子器件:
GTO(Gateturn off)即门极可关断晶闸管。
应该说,作为大功率逆变用元件,GTO是可以胜任的,但由于其本身特性的限定,它不可避免地存在着对过电压吸收电路元器件要求高、保护电路庞杂、成本昂贵等等弱点。
进入九十年代中期,随着大规模、超大规模集成电路崛起,给电力电子器件提供了良好的借鉴和前景,使其突飞猛进地发展起来,它把成熟的精细加工技术同高电压、大电流的设计制造方法有机地结合起来,生产出一种功率场控器件,其中;尤以功率场效应管(PowerMetalOxideSemiconductorField EffectTransistor,筒称PMOSFET)和绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,简称IGBT)为代表,开辟了电力电子技术向高频化迈进的现实道路。
在这样一个现代技术发展进步的背景条件下,上海地铁二号线车辆用辅助逆变器,作为九十年代中、后期的产品,采用IGBT作主开关元件。
但在主牵引逆变器(VVVF)中仍使用GTO作主开关元件。
因此,在今后相当一段时间内,GTO和IGBT这两种功率电力电子器件还要在地铁列车上“长期并存、相应发展”。
本文暂先撇开车辆其它功率电子线路,仅就采用GTO和 IGBT元件的辅助逆变器,并结合一号线逆变器的应用维修情况,作些对比和讨论,以求对该两种逆变器的设计和应用的利弊及改进方向作些分析,希望对即将进场的二号线逆变器的应用维修及更进一步对一号线逆变器的国产化方向提供有益的借鉴。
一、地铁车辆辅助逆变器功能简介
地铁车辆除了需要有一套主电路系统,担负从架空接触网上集电、经斩波器控制供给牵引电动机作牵引动力或制动时反馈电能到触网的控制等功能,还需要有一整套担负列车本身的照明、空调、设备冷却、蓄电池充电等辅助功能的系统,给这套辅助系统供给电源的叫作列车辅助电源系统。
上海地铁车辆的辅助电源系统采用静止逆变器。
它将接触网过来的直流1500伏电压经三相逆变成380伏交流输出,供辅助系统的所有负载用电。
上海地铁车辆有拖车、动车两种车型,每一列车由2节拖车、4节动车组成,依其各自的配备设备不同和功能不同,它们的辅助逆变器的功能和功率大小是有差异的。
拖车(A型车)逆变器主要负担列车照明、设备冷却风机的电源及蓄电池充电等功能,它的负载相比之下要比动车的小一些,所以在设计容量上不一样,但功率器件无甚差别,电路设计原理也基本相同。
动车(B、C型车)逆变器主要担负列车空调系统的供电,由4台动车逆变器供给整列车(6节车)共12组空调单元的供电,因而它的设计要求容量较大,一号线为75KVA二号线为90KVA。
上述列车车辅助逆变器的功能和供电原则,一号线和二号线是相同的。
但由于它们分别采用了GTO、IGBT作功率开关元件,故在具体的线路设计、元器件选择、箱体尺寸、布置等等方面是不一样的。
下面分别说明(以动车逆变器为例)。
二、采用GTO元件的一号线车辆逆变器
图2-1为一号线车辆逆变器原理图
逆变器由四部分电路组成:
(1)线路滤波器
(2)斩波电路(3)中间滤波电路(4)三相逆变电路。
逆变器的工作程序是:
由斩波器将线网电压直流1500伏降到直流775伏,由中间滤波电路将斩波器输出的矩形波滤波后,再由三相送变器将直流775伏逆变为三相600伏交流;通过变压器输出380伏交流电,供列车空调电源用。
(动车逆变器)
在上述斩波器电路和逆变电路中分别使用4500V×6O0A和1000V×250A两种规格的GTO元件多为相同规格的两个元件并联使用。
五年多来的应用实践,该逆变器的硬件
软件经过了多次的改进,以适应上海地铁运行的需要。
现在看来,不少修改实质上是围绕了GTO元件经常烧损这个关键性的问题进行的;而究其烧损的原因,也是由于元件特性的局限及保护参数选择不当而引起。
下面就一号线逆变器在设计应用中存在的一些问题作些分析。
(一)GTO元件过电压击穿
在车辆投入运营的头两年,斩波电路主GTOV1经常发生过电压击穿。
这是因为,当GTO快速关断时,di/dt变化极快,在电感上引起的感应电压Ldi/dt与网压叠加,这个电压值会引起GTO的击穿。
理论上Ldi/dt,可达15OKV。
这是因为:
L1=14mH,而根据对斩波器的分析,可大致推算得Δimax/Δt≌111/10×10-6,故L=14×10-3×111.2/10×10-6=155.68KV。
当然,实际上由于保护晶闸管的存在,使其一旦达到限压值(35OV)时,晶闸管导通,使L1两端电压钳位于晶闸管的管压降值。
但不管怎样,在L1与晶闸管的回路中此时的环流电流值非常大,电感发热及常伴之于晶闸管(这里用的是东芝SF300H×22可控硅管)先期烧损,在网压稍有超过时或电路中其他元器件稍有不正常时GTO管子也常常烧坏。
为此在主GTO两端加装了两组阻容吸收电路C1-C4(斩波部分1995年改图),专门吸收主管V1关断时在两端引起的尖峰电压,同时在C4和C5动中间引出电阻R23接到电网负端,使其在线路滤波器之后、斩波器之前对电网电压形成一个RC吸收回路,又在滤波电容C1//C2两端加装了压敏电阻R40、R41专门保护该两电容不为过电压击穿。
但压敏电阻一旦当网压有较大波动时也会击穿、损坏,引起F1和V6-1烧坏。
一号线就曾发生过因网压脉动招致数分钟之内数台逆变器压敏电阻烧损的事故。
更因为该两只压敏电阻是后来加装,位置强插在其它元器件之间,因R40和R41爆裂进一步引起了其他器件的损坏。
同样,在后节的逆变电路中也使用V20、V21作瞬间过电压的分路,并在每个桥臂元件设RC吸收电路。
但在实际应用中V20、V21也时有击穿,疑是保护参数选择不当所致。
由此看来,电路的保护问题仍没有得到圆满解决。
(二)逆变器对线路滤波的要求
如原理图所示,不论是在线路滤波器中还是在中间滤波电路中,都采用了为数很多、容量很大的电容、电感等元器件,使逆变器结构庞杂,体积大、份量重。
这是因为逆变器需要用电容器(如C1//C2)吸收主GTO关断瞬间的过电压,同时起到维持网压稳定,降低电网上脉动分量和减小对通讯线路的干扰。
考虑到架空接触网本身也是一个电感,当车辆在线路上运行,随着车辆对馈电点距离的变化,该电感值是变化的。
这个电感可与电容C1//C2组成振荡回路。
为了避免这个振荡频率与逆变器的工作频率碰巧相同而引起共振,必须在线路滤波器的进线处加进一个大的电感L1,使该两种频率永远不会相等。
计算表示如下:
最大
此时,线路电感与主电容保形成的振荡频率:
height="250" 而逆变器工作频率f=500HZ;它满足f0<0.5f打的要求,不会引起共振。
同时,由于这个大的电感(L1)的存在,抑制了电容充电时对网压的大电流冲击和斩波器工作时的高次谐波电流进入电网,减少它对线路上连着的其它设备的干扰。
但这个大的电感亦带来由主GTO快速关断而引起的感应电感Ldi/dt,这个感应电压与线网电压叠加会导致GTO元件和其它元器件的过电压损坏,如上节所述。
(三)GTO逆变器的控制和保护
关于逆变器的逆变电路,这是一个典型的两点式三相桥式电压型逆变器。
六个GTO管按1800的相位角依次导通,输出一个阶梯状波,再通过变
压器的原边△型接法,使三次谐波自由通过,使其次边的感应电势正弦波输出。
由于逆变器、变压器为恒压定频输出,所以当负载有大的投入(如B、C车逆变器的为空调系统的供电输出或A车为蓄电池充电负载投入等)即引起电流的较大冲击,易引发过电流保护动作。
在该逆变器过电流保护是采用硬件控制的方式,逆变器通过电子控制单元中的F-PAC(快速保护板)和其它控制元件将实际的电流采样值不断地与一个可先设定的模拟量进行比较,当检测到实际电流量超过一个定值时,立即快速关断 GTO的触发电路,斩波和逆变电路被封锁而逆变器停止工作。
在一号线车辆运用中,常常由于列车启动时蓄电池充电电流过大导致A车(拖车)逆变器不工作,或空调季节因负载过大导致B、C车逆变器停止工作的情况经常发生,这也是逆变器故障率高的一个原因。
试想,如果这里采用IGBT作开关元件的话,就可采用衡压反馈方式,减少中间直流电压的波动,改善逆变器输入电压的条件。
又如,如果逆变器采用后节所介绍的PWM控制方式,则负载冲击电流的影响大大减少,这都是后话了。
上述,仅以过电流保护为例,说明了该型逆变器的保护环节的控制。
由此可知,这种逆变器需要一个庞大的故障采样、模拟比较、保护触发、抑制导通等等一系列的控制系统,来保护逆变器不至于因为过流、过压、过载或元件温度过高而引起损坏。
一号线逆变器设计了一个专门的电子控制单元,安装在箱体内。
控制单元由电源控制单元P—PAC、保护和功能控制单元I-PAC、程序与用户接口单元1-NC以及通信接口单元(即信息反馈与连通)C-PAC等一整套系统组成,另在该控制单元面板上设置了便携式计算机接口、日期和故障代码设置与显示等等,是一个结构繁杂,维修量很大的一套系统。
从一号线运用的实践看,这实在是一套技术上有待改进的设计。
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