（电力电子与电力传动专业论文）igbt逆变器耐低温控制系统研究.pdf

北京交通人学硕士学位论文 i g b t 开关工作性能的影响。对市场上通用型i g b t 驱动 电路进行了研究试验，掌握了其优缺点。开发1 r 一种基 于复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的智能化 g b t 驱动电 路。该电路由c p l d 实现各种控制、保护逻辑。驱动电 路的高、低电平驱动方式可通过改写c p l d 中v h d l 源代 码来实现。同时，该电路可以选择两路直接驱动和桥臂 互补驱动两种工作模式。电路具有开通盲区设置，死区 时间设置功能，短路保护运用软降栅压结合软关断技 术，软降栅压时间，软关断斜率可通过外接电路自由整 定。电路本身自带隔离驱动电源，该电源绝缘等级高， 多路输出稳定可靠，实际面积小。试验证明该电路具有 良好的驱动及保护能力。 关键词：辅助逆变器，控制系统，i g b t ，驱动保护 开关电源，低温特性 北京交通人学硕一学位论文 r e s e a r c ho ft h eo o l d - r e s is t a n tc o n t r o l s y s t e min ig b t in v e r t e r a b s t r a c t t h ew o r k i n gs t a b i1i t y0 fe le c t r i c a l1 0 c o m o t i v e w a se f f e c t e db yt h e i g b t a u k ili a r yi n v e r t e r s 1 0 w e r t e m p e r a t u r ec h a r a e t e r i s t i c s i tisa b l et 0 s 0 1 v et h ea c t u a lp r o b l e m i nw h i c h8 k1 0 c o m o t i v e s t a r t i n go n f a i l u r ei nl o w e rt e m p e r a t u r e ，a l s 0c a n p r o v i d e r e l s t e dl o w e r t e m p e r a t u r eo p e r a t in gf o r i n v e r t e rs y s t e mr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n g0 f0 t h e r t v p e 1 0 c o m o t i v eo rr a i lv e h i c l e g r o u p ，i n w h ic h s t u d y t h ec o l d r e s is r a n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o n t r o l l i n gs y s t e mo f i g b ti n v e r t e r t h ed is s e t t a t i o np r o b e s i n t ot h ec 0 1 d - r e s is t a n t c h a r a c t e r is t i c so ft h ec o n t r 0 1li n gs y s t e m0 fi g b t i n v e r t e r a i m e da tt h ei g b ta u x i l i a r yi n v e r t e r s 1 0 w e r t e m p e r a t u r e f a i1 u r eo ft h e0 1 d8 k e l e c t r ic a l 1 0 c o m o t i v e ，m a k i n g a d e e p l y r e s e a r c ha n dw i d e l y e x p e r i m e n t h a v eg o t s o m er e s u l t si nt h ea s p c t s w h i c hi n c l u d i n gt h e c 0 1 d r e s is t a n te x p e r i m e n t s c h e m el a y o u t i n g ，r e c t i f y i n gt h ec o n t r o l l i n gc i r c u i t s ， s t u d y i n gt h el o w e rt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r l s t l c s0 t t h ec o m p o n e n t sp a r a m e t e r s o b t a i n e da v a i l a b il it y d a t af r o md u a n t i t a t i v ee x p e r i m e n t s ，p 1 a n n l n g s t a t i s t i c ss c h e m e sb yu s i n g t h eh i g h e r l o w e r t e m p e r a t u r e t e s tt r u n k a e t u a l i z e dt h e p u l s e i i i ! 生塑查兰坐! 兰竺丝苎 s l g n a ld is t r i b u t i n g a n d l o g i cf u n c t i o n p r o c e s s l n g ，d e s l g n i n g a p r o j e c t s r e p l a c i n g t h e b k 0 0 2d e v i c e b y i n t r o d u c i n gt h ec p l dd e v ic eb v a d o p4 c i n gt s pa n de o a t e c h n o l o g y o u t p u t e d m u c h s t e a d le r v o l t a g e sb y a d o p t i n g t w oc l a s s e s d c d c p o w e l s t r u c t u r e ，w h ic ht h ep r i m a f y 1 0 0 p isc u f f er l t a n d v o l t a g ef e e d b a c kc o n t f o lf ly b a c ks w p s ，s e c o n d l o o p l s v o l t a g eo u t l o o pc o n t r i l d u l l 一p u s h s w p s c u t t i n go f ft h ef u s eb ys y n t h e s i z e dp r o t e c t c i f c u i t sd e s i g n i n g p r o t e c t i n g o c tsism u c h c r e d i b i l i t yb ya d o p ti n g d y n a r n i co v e f 一( 2 u r i e f i t p r o t e c t l n gs c h e l n e l o w e r t e m p e r a t u f e w 0 i k i l 3 9 is m u c h s t e a d yb yd o u b l ev o lr a g e c l a m pd e s i g n i n go f m 5 7 9 6 2 lo u t s i d ec i r c u i t s u p t o f l o w ，t h e d e s i g n i n g 0 ft h en e w t y p e c 0 1 d f e s is t a n ti g b t i n v e r t e f c o f t t r o ls y s t e l t lh a sf i l 3 is h e d t h e f ea r e1 2ir l v e r t e r s a s s e m b e da n do p e r a t i n gs t a t u sjs w e l l t h ed is s e r t a t , i o i 1 s t u d y sa n dd e s i g n sar l o v e l c 0 1d - j e s i s t a n t i n t e l l i g e n t i g l 3 td r i v e rc j r c u i t m a kin g d e e p ly f e s o a r c ho ft h e o p ti m iz e dp r o c e s s d u r i n g i g 3 t t u r n i n g o f ia n d t u i f i i n g o f f a n d s h o t t c if c u i tp r o t e c t i n gt e c h n 0 1 0 9 y a n a l y z i n gt h e e f f e c tst oi g b ts w i t c h i n gc h a r a c t e f is t i c sh a s e0 1 1 t h e o r y a b o u t g r i d d r i v e r p a r a m e t e f s，e x t r a c i f c u i t sp a r a s i t e d p a l a m e t e f se t c a c h i e v e do n e s i l l e r i t sa n ds h o r t c o i i i i r i g so fm a n yk i n d0 fp r o d u c t e d t g b i d r i v e rc i r c u i tm o d u l es b ys t u d y in ga n dt e s t i n g t h isp a p e rp r e s e n tsaf i o v e li n t e lli g e n ti g b td r i v e t 北京交通大学硕i 学位论文 c i f c u i tw i t hs l o w l yd e c r e a s i n gt h eg a t ev o l t a g ea n d s o f t l yr e d u c i n g t h et u r n o f f s ! o e e d t h e f a u i t s t a t u sc a nb eh o l da f t db l a n k e d0 f ff o faw h il e 1 h e r ea r ei s o l a t e dp o w e rs o u r c e si nt h et o p 0 1 0 9 i c a l c i r c u i t t h ed i r e c td r i v em o d e la f l d h a l f b r i d g e d f i v em o d e la r ea v a i l a b l e 1 0 9 i c c 0 1 1 t r o lis o p e r a t e db yc p l d 1 n p u tp u l s e sc a r lb eb l a n k e d0 f f f o ra l li n i t i a lt i m ew h i l et h eu n d e r v 0 1 t a g e 0 v e f c u r r e n to rs h o r t c i r c u i tt a k ed 1 a c e t h e p u l s es i g n a ld e a d t i m e ，s o f t l yt u r n o f fs l o p ea n d d e c r e a s i n gg a t e v o l t a g e t i m eis c o n f i g u r a b l e t h ee x d e r i m e n t s0 fs h o r t c i r c u i ts h o w st h a tt h e c ir c u j th a s t h es a t i s f a c t o r y f u n c t i o no fd r i v i n g a n dp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：a u x il i a r yi n v e f t e r ，c o r l t f 0 1s y s t e m ，i g b t s w i t c h i n g ! o o w e rs u p p l i e rs y s t e m ，1 0 w e rt e m p e r a t u r e v 第一章绪论 第一章绪论 伴随着我国铁路实现跨越式发展“战略目标的确立，铁路电 气化进程日盏加快，交流传动电动牟组i g b t 牵引变流器及其以 下功率等级的i g b t 变流器在机车和车辆上的应用越来越广泛。 本论文致力于解决8 k 电力机车i g b t 辅助变流器在低温工作时出 现的问题，研制了保证低温可靠运行的新型车用i g b t 逆变器控 制系统；并针对实际应用中驱动电路模块一些功能的不足，研究 了一种耐低温智能化l g b l 驱动电路，为今后国产i g b t 变流器广 泛应用于大江南北的机车车辆进行了有益的探索。 1 1 选题背景 5 0 k wi g b t 辅助逆变器系统是为替代进r 8 k 型电力机车g t o 逆变器而研究设计“1 的。自1 9 9 6 年底至2 0 0 2 年底的六年间，共 装车2 0 0 来套，运行过程中工作状态良好，为提高机车运输能力 作出了很大贡献。长期的运行结果表明，i g b t 辅助逆变器的设 计是正确的，基本能满足机车的运行工作环境，但也出现了一些 问题。2 0 0 2 年底，两台停机于山口地带的机车次日启动时发生 t o b t 辅助逆变器故障，2 0 0 3 年初，接连发生几起类似的故障。 综合故障情况和对i g b t 工作情况的分析，初步确定故障是由于 温度因素造成。因为装备有i g b t 逆变器机组、产生启动故障的 的机车通常在野外停机过夜，而同是装备有i g b t 逆变器机组、 能正常启动的机车多数都在机库停机或未经停车整备的。恰逢此 段时间大秦线地区气温偏低，机车所处环境最低气温达一3 5 。 问题的症结确定之后，从2 0 0 3 年5 月开始着手 g b t 逆变器耐低 温问题的研究。 北京交通入学硕l 学位论文 1 9 9 6 年研制的i g b t 辅助逆变器没有考虑到一2 5 以卜工作 环境会给逆变器的工作带来问题同时，在设计方案中采用了进 口8 k 型机车中g t o 逆变器上的一些元器件及功能电路单元。至 今7 、8 年过去了，这些元器件已不能在i g b t 逆变器上可靠工作， 甚至有的器件已经出现了功能异常。综合以上因素，本文提出了 改进型耐低温i g b t 逆变器控制系统的研究设计，研究工作从以 下几个方面展开( 1 ) 控制板、驱动板供电电源，( 2 ) 控制板保 护电路，( 3 ) 驱动电路核心芯片外围电路，( 4 ) 脉冲分配处理环 节。 1 2 系统简要描述 12 1 i g b t 逆变器发展概况 逆变器狭义上指将直流电能变换为交流电能的能量变换器。 逆变器输入的直流电源大多数情况下都是由市电经整流变换得 到的。在大功率应用的整流器系统中，多数采用二极管不控整流， 也有采用二极管结合可控硅的半控整流或可控硅全控整流，只有 极少数采用高效的p i v m 整流。相对于整流，实现逆变的方法更丰 富多样。逆变器常常按照实现逆变的方式或应用场合命名，如三 电平逆变器，p w m 逆变器，空调逆变器等。广义上的逆变器常 指通用变频器。既可以整流，又可以逆变，即可以实现功率双肉 流动的能量变换器又称为变流器。 i g b t 逆变器是主丌关器件采用i g b t 的逆变器，其应用范围 极其广泛，工业领域的通用变频器，牵引传动场合的专用变流器 都是具有代表性的应用。随着功率半导体器件的发展，控制理论 的创新，电子、信息技术的进步，逆变器系统的发展也同新月异， 具体表现在 1 功率器件选择范围更大先进工艺生产的s c r ，g t o ， 第一章绪论 m o s f e t ，1 6 8 1 1 ，i g c t 等器件的功率处理能力不断提高。目前商业 化产品中，e u p e c 的i g b t 模块f z 6 0 0 r 6 5 k f l 系列，电压电流等 级可达6 5 0 0 v 6 0 0 a ，f z 3 6 0 0 r 17 k e 3 系列。”电压电流等级町达 17 0 0 v 3 6 0 0 a ，a b b 的i g c t 模块5 s h y 3 5 l 4 5 0 2 系列电压电流等 级可达4 5 0 0 v 4 0 0 0 a ，a b b 的g t o 模块”1 单管功率处理可达 6 0 0 0 v 3 0 0 0 a 。新型m o s f e t 和i g b t 的开关频率可达几千赫兹到 儿十千赫兹。 2 电路结构形式更加多样 关电路，多重化结构电路等等， 足不同应用条件的要求。 桥式电路，三电平电路，软开 使逆变器系统结构多种多样，满 3 控制方式更加成熟 逆变器所接负载可以是阻性的( 加 热炉) ，容性的( 充电器) 或者感性的( 电机马达) ，其中以电机 负载( 特别是感应电机) 最为普遍。控制方式有正弦脉宽调制 ( s p m w ) ，空间矢量脉宽调制( s v p w m ) ，关联指令脉宽调制等。 4 控制手段更先进目前的逆变器控制系统，其控制算法 几乎都采用微处理器( m c u ) 进行，复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现逻辑时序功能扩展，高速大容萤f l a s h ，e e p r o m ，r a m 存储介 质进行数据交换，配合高速、高精度模数采样( a d ) 实现信号 采集，利用c a n ，r s 4 8 5 ，u s b 】1 ( 2 0 ) 通信协议实现系统间或系 统与上位机间的通信。多款功能齐全，性价比高的单片机( 5 l ， 8 0 c 19 6 ) ，数字信号处理器( t m s 3 2 0 系列) 精简指令集处理器 ( a r m 7 t d m i ，a r m 9 ) 在逆变器系统中有着广泛的应用。 5 通用变频器和专用逆变器全面发展通用变频器目前进 入全面发展的时期。国内外众多j 家不遗余力地推出性能更强、 价格更低的产品来满足工业生产的需要。通用变频器功率等级从 几百瓦到几千千瓦，控制方式有v f 控制、矢量控制、直接转矩 控制；控制内核芯片多采用8 0 c 1 9 6 、8 0 c 5 1 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 、 a r m 7 t d m i 来实现：功率器件一般选用智能功率模块( 】p m ) 或 北京交通大学硕j 。学位论文 i g b t 。主要厂家和代表性的产品有：f 1 立生产的v f 控制方式通 用型l l0 0 系列，s i e m e n sm ic r o m a s t e r 4 4 0 矢量型变频器，a b b a c s 6 0 0 0 系列直接转矩型变频器。 专用型逆变器应用于特定的场合，其结构，尺寸，外观，重 量都受使用条件限制。机车车辆上使用的i g b t 逆变器，简称车 用逆变器，就属1 二专用型逆变器，包括空调逆变器，机车辅助逆 变器和主牵引逆变器等。车用逆变器必须经过严格的l 作环境测 试，它受到严格工艺要求的限制，可靠性、实用性、专一性是其 基本要求。对于不同型号的机车和车辆，对于不同的应用环节， 需要育针对性地丌发设计专用逆变器。车用l g b t 逆变器的构成 和控制方式与通用变频器大体相同，但也有其特殊的部分。通用 变频器可以单独构成一个系统，军用i g b t 逆变器必须考虑整车 结构。其控制板，驱动板，电源板，信号板和功率器件不可能像 通用变频器一样结合成一个整体。车用逆变器的设计要体现一体 化设计与分单元模块设计相结合，要求单元控制器具有互换性， 系统信号接口和功率接口要符合整车要求。 目前国产的车用i g b t 逆变器主要由机车生产厂家、铁道科 学研究院和株洲电力机车研究所生产研制，还有一些高校和一些 铁路电气厂家也进行了相关产品的开发设计。车用辅助逆变器包 括机车和车辆上运用的产品。客车用d c 6 0 0 v 空调和电源辅助变 流器系列，都是直流6 0 0 v 输入，三相交流3 8 0 v 2 2 0 v 输出。株 洲电力机车研究所，常州剑湖公司，电子部十四所和武汉正远电 气公司等企业都生产相关产品，装备于城市动车组和空调旅客列 车。电力机车辅助逆变器，多是单相3 4 0 v 或8 6 0 v 交流输入，三 相3 8 0 v 交流输出。株洲所，深圳通业电气，武汉币远电气等企 业都有相关产品面市，主要装备于s s 7 e ，s s 3 3 ，s s 4 ，s s 8 。内燃机 车辅助逆变器都是交流3 8 0 v 输入，v v v f 输出。株洲广创，大连 机车厂等单位有相关产品装备。 4 第一章绪论 主牵引i g b i 、变流器系统针对动车组和电力机车的设计又有 所不同。应用于d j f i 型“3 动力分散交流传动电动车组( 中原之 星) 的t g a i 型”1 主牵引i g b t 变流器系统，容量达到13 0 0 k v a 。 国产n j l 型内燃机车和d w a 型地铁工程车采用4 5 0 0 vi g b t 元件 满足2 6 0 0 v - - 2 8 0 0 v 中间直流电压标准的主牵引变流器”1 。日本 e 2 系”1 和3 0 0 n 型“。等新干线动车组均采用i g b t 变流器系统实 现动车牵引v v v f 控制。法国a g v 型第四代t g v 高速动车组主牵 引表流器也采用i g b t 器件，a g v 输出功率可达7 6 m w 。德国常温 超导吸引型磁浮列车也正在研制i g m 逆变器系统。 车用逆变器系统，按机车运行的地带气候分布有各自的特 点。同本2 0 0 系高速列车运营于东北、上越线，列车变流器系统 要充分考虑耐寒的要求：西班牙a v e 型高速列车和s 2 5 2 型电力 机车运行于马德里一塞维利亚高速铁路，要适应高温气候环境 3 。我困幅员广阔，地理气候多样，大江南北的机车运行环境 差异很大。对于铁路局管内气候相同区运行的车辆，特殊要求可 以因地制宜地解决。对于跨局运行的或者铁路局内跨季候区的车 辆逆变器系统，要考虑在不同温度气候条件下运行的特殊要求。 可见，耐低温i g b t 逆变器控制系统的研究对运行于我国北方地 区的车辆有重要的意义。 1 22 f g b t 驱动电路概况 1 i g b t 驱动方式i g b t 驱动电路是联系控制信号与功率信 号的桥梁，是控制电路与主电路的接口。性能良好的驱动电路可 使j g b i 、工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间、减小开关 损耗，对提高整个装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的 意义。在系统中，驱动电路成为装置的电磁干扰源，其驱动结构 以及不同的控制方式都会对主电路的电磁干扰产生很大的影响 【2 l2 【3 】 北京交通大学颂士学位论文 世界上主要的i g b t 制造商都在不遗余力地研制生产与i g b t 配套的驱动集成电路或驱动模块。从驱动方式上看分为i 类：一 是采用自举方法，如i r 公司的t r 2 13 0 ：二是光电耦合器，如同 本富士公司的e x b 8 4 1 ，日本三菱公司的m 5 7 9 6 2 l ，加拿大诺维克 d r p 2 2 h 和国产h l 4 0 2 a ( b ) ：三是采用脉冲变压器，如德国西门康 公司的s k h l 2 l 2 2 ，瑞士c t c o n c e p t 公司的s c a l e 系列。从短 路保护的方法看，有检测到i g b t 短路后硬关断、短路发生后采 用软关断和采用台阶状分步二次关断等三种。 2 ，影响i g b t 工作性能的因素i g b t 工作性能受驱动栅压、 栅极驱动电阻、极洲寄生电容、输出电容、反并联续流二极管、 外电路分稚电感和分布电容等参数影响。这些参数决定了i g b t 的开通关断损耗、开关延时、电磁干扰强弱、开关稳定度和短路 保护功能等性能。图1 1 所示为这些参数的分布情况。 驱动电路 d i o d e 图11i g b t 驱动电路影响参数示意图 f i g 1 1t h es k e t c ho fi g b tdr i v e rc ir c u i l se f f e c t i n g b yo t h e r p a r a m e t e r s 高栅压配合低驱动电阻能保证开通损耗减小，但是不利于 6 第一嚣绪论 e m c ；极间电容c c 。在开通初始阶段会给栅射极电容c 。冲电造成 开通电流有一个上升尖峰，也会在关断放电导致关断时间延长； 在半桥电路中，一个1 6 b t 开通时，会在另一个i g b t 上产生很高 的d v d t ，这个d v d t 会引起第二个器件瞬间导通，产生附加损 耗，作用机理就是由于极间电容产生感应电流所致；续流二极管 反向恢复会造成瞬间电压过冲，夕卜电路分布电感电容会造成 t g b t 开通关断电压电流过冲。这些都会影响i g b t 的安全工作， 所以，驱动电路的设计必须考虑上述因素对于1 6 b t 工作状态的 影响。 传统的1 g b t 驱动电路( c g d ) 采用固定的驱动电阻，这个 驱动电阻的选择既要抑制丌关过程的e m i ，又要在最小开关损 耗情况下限制开通时的反向恢复电流和关断期间的过电压。为了 减小开关应力和e m i 的产生，需要大的驱动电阻，但这导致了 丌关延时和丌关损耗的增加，高的，1 ：关损耗提高了对散热器的要 求，致使系统体积和成本都随之增加。缓冲电路也是经常采用的 一种方法，分布电感中存储的能量转移到吸收电路中，这种方法 最大的缺点是需要在主电路侧增加额外的器件( 电容、电阻、二 极管) 。为了取得开关速度、开关损耗、器件硬力和e m i 之间的 折中，很多学者在此方面进行了研究1 “1 。 3 提高1 g b t 驱动和保护性能的研究与实践 文献【1 4 ，l5 】 中研究了驱动电阻的作用，以及采用不同的开通和关断驱动电阻 以分别控制( d t d , ) o , ，和关断时的过电压。a 1 f i 0c o n s o l i 等人提出 了一种优化驱动方案“，它通过附加驱动电流源来控制栅极驱 动电流波形使得开关器件的集射电压和集电极电流的变化率可 被分别控制，从而达到功率器件开关损耗和e m c 性能的优化。 s h i h o n gp a r k 等人在文献 17 中提出了独立灵活控制d i d t 和 d r d r 的方法：通过在集电极和栅极附加电容和在栅极和发射极 附加电流源的方法调节密勒电容的影响，单独控制d r d r ；通过 北京交通大学硕士学位论文 发射极串连一个小电感反馈回电压值以调节d f d t 。v i n o d 1 0 h n 等人设计了。种驱动大功率t g b t 的有源栅极驱动电路( a g d ) ”， 把开通和关断过程分别划分为三个阶段控制每个阶段的电流路 径，在第 、第三阶段通过m o s f e t 驱动g b t ，以提供大的栅极 驱动电流，提高丌关速度，在第二阶段通过b i t ( b i p o l a r j u l c t i o dt r a d s is t o y ) 驱动i o b t ，抑制电流的变化率，在提高 丌关速度的情况下又减少了器件应力和e m i ，但控制非常复杂。 r s a c h d e v a 等人通过检测栅极电压矿。，实现了两阶段的开通和 关断过程“，开通初期使用较大的驱动电阻减小( 驯出i ，。和二极 管的反向恢复电流，在二极管恢复后采用较小的驱动电阻使集射 电压迅速下降，降低了开关损耗。关断的第阶段为了使集射电 压迅速上升，减小开关延时和开关损耗，采用小的驱动电阻，在 第二阶段增大驱动电阻抑制由于电流的下降而产生的过电压。 短路是i g b t 使用中最f “重的故障，如果保护不当会使i g b t 因过流、过压或过热而降低寿命甚至损坏。文献 2 1 提出了在发 生短路时采用多电阻的关断方式降低短路电流的下降率，减小过 电压。文献 2 2 ，2 3 对于短路故障采用了降栅压的方法限制了短 路电流的幅值。r a h u lc h o k h a w a l a 等人提出了稳压管钳位的方 法减小由于关断高的短路电流而产生的过电压“，由于这种方 法在稳压管钳位时要向栅极注入电流，增加了使i g b t 寄生开通 的危险，同时在集电极和栅极之间的外接器件增加了密勒电容的 影响。v i n o dj o h n 等人在文献( 2 5 中提出了先降栅压再软关断 的短路保护方法，有效的抑制了短路电流的峰值和关断时的过电 压。c a iy a n g 等人提出了双阈值检测的方法”。同时具有过流 和短路保护的功能。r p a g a n o 等人研究了短路电流峰值产生的 原因“，提出了短路时动态减少驱动电阻的方法，以限制短路 时的电流峰值。 对于不同的应用场合，需要不同的驱动参数设置。但市场上 第一章绪论 通用的i g b t 驱动电路模块，多数特性参数不可更改，调节参数 比较不便，这就限制了g b t 驱动模块的使用。在实际应用中， 一些学者及工程技术人员往往自己设计i g b t 的驭动保护电路， 以寻求驱动和保护性能的最优化。 1 3 论文主要工作 论文针对i g b t 逆变器耐低温控制系统进行了研究与试验 所涉及的工作如图1 2 所示。主要的工作归纳为如下几方面： 1 g b t 逆变器耐低 温控制系统研究 逆变器拧制 系统研究 i g b t 驱动 电路研究 斟12 论文所做研究j ：作框图 半导体器件工 作特性研究 1 通过对8 k 型电力机车i g b t 辅助逆变器耐低温控制的研 究和低温试验，掌握了原系统低温故障原凶和低温工作特性： 2 为解决b k 0 0 2 短缺老化问题，重新设计了基于a l t e r a m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 为核心的替代方案。该方案结合系统在 北京交通夫学硕上学位论上 线编程和硬件描述语言等e d a 技术，实现脉冲分配和逻辑保护 功能： 3 为解决电源电压低温时的波动问题，重新设计开关电源 供电系统，利用有利于多路输出的反激式电路拓扑结构结合电压 电流双环反馈控制实现一级电源，利用推挽式电路拓扑结构结合 电压丌环控制实现二级电源，保证控制电路与驱动电路供电电源 稳定，利用p s p i c e 仿真研究了两种拓扑电路开关电源的1 二作性 能： 4 重新设计保护电路，达到更简洁，保护效果更可靠，驱 动片外围电路双重电压钳位，保证电压尖峰不会产生错误故障输 出； 5 整个控制系统通过低温4 0 。c 工作试验，证明改进型8 k 机车i g b t 辅助逆变器控制系统设计方案正确，b j 应用于现场。 6 ，研究设计了种智能化耐低温的i g b t 驱动电路。该电路 采用c p l d 器件，可编程，灵活性强，同时又具有软降栅压结合 软关断短路保护功能，可推广使用。 1 0 第二章8 k 机辛i g b t 辅助逆变器系统及其低温特性 第二章8 k 机车jg b t 辅助逆变器 系统及其低温特性 8 k 型电力机车辅助逆变器系统由辛电路和控制电路两大部 分构成。本章首先介绍主电路结构、功率模块的选择、功率模块 缓冲电路的设计，然后介绍控制电路和驱动电路的构成、驱动电 路的低温特性，最后介绍了逆变器系统的低温试验。 2 1 逆变器主电路 电力机车上的逆变器迫于安装空i 司的限制，它的逆变器三相 桥臂元器件与直流侧滤波电容必须分开安装。逆变器三相桥臂元 器件和散热器、传感器、连接件、控制系统所组成逆变器单元， 安装在机车中密封的辅助变流器柜中，而滤波电容器安装在变流 器挺后面的主整流柜下方。低温耳；境同样会对主电路造成影响， 必须清楚了解l g b t 温度特性，电容器的参数受温度影响情况等。 21 1lg b t 布局设计 主电路中电流比较大，在空间产生的磁场就比较大。另外， i g b t 的开关速度比较快，在开通和关断过程中，器件两端的电 压和电流的突变而产生的空间交变电磁场强度相当大。这些干扰 信号很容易耦合到l g b t 的驱动线上。通过合理的布局，可以使得 在i g b t 驱动端附近和驱动线带的空i 刊交变电磁场强度最小， 也即干扰信号最小。首先，i g b t 模块如图2l 所示布置于散热 器上，既使于散热，又便于连接；其次，从“第二支撑”的滤波 器到l g b t 模块的直流连接件采用2 5 m m 宽、2 t t l m 厚的镀银铜条并 排连接电容器和1 6 b t ，然后在铜排之上固定一片双面敷铜p c b 。 1 l 北京交通大学硕，l 学位论文 散热器 图2li g b t 逆变器主电路结构的布局 f i g 2 1m a i nc i f c u jl a y o u to fi g b ti n v e r t e r 镀银铜条和双面敷铜p c b 同时对i g b t 开通和关断过程中，器件 两端的电压和电流的突变而产生的空间交变电磁场起到屏蔽作 用。由于选用的i g b t 满足工作于一3 0 低温环境下，故低温对主 开关器件的影响不会导致器件工作不正常。 21 2 吸收电路与滤波电容 由于滤波电容器到逆变器桥臂正负接线端的距离为 l3 0 0 m m ，采用线径为6 m m 的圆截面双股电缆线连接，连接线的绝 缘层是软橡胶。两线之间在逆变器的正负连接端的距离为 2 0 0 m m 。逆变器桥臂接线到主开关器件之间的距离有3 0 0 m m 。根 据电感计算公式“： ：型正+ l n 三业1( 2 1 ) 丌、4b 由机车上的实际布局，取，= 1 6 ，口= o 2 0 ，b = o 0 0 6 ，因此 该连线的电感由式( 2 1 ) 为1 7 7uh 。对于l g b t 束说，显然这 样组成的i g b t 直流侧导电线电感太大。为此，在逆变器输入端， 慧鬻 0 ；j：m：。叫 一i；t ji一 i ；一，；t y p r 阱n 第二章8 k 机车l g h i 辅助逆娈器系统艟扎低温特件 设置了个称之为“第二支撑”的滤波器。“第二支撑”滤波器 是由容量为4 7 0 l j f 4 5 0 v 的电解电容( 15 0 ) 两并两串构成4 7 0 uf 9 0 0 v 的电解电容，紧挨i o b t 模块；“第二支撑”的电容器 用金属架子固定成一个整体，安装在l g b t 模块侧，并用螺丝 固定在散热器上，如图2l 所示。其更换也很方便，只需卸下与 散热器连接的固定螺丝和与l g b t 模块连接的固定螺丝即可。所 谓的“第二支撑”滤波器是柏对该逆变器前端的整流器输出侧已 有电抗器( 2 4 m h ) 和电容器( 2 4 m f 7 0 0 v ) 组成的平波滤波器而 言。 逆变器的吸收回路采用l2 只0 4 7uf 16 0 0 v 的金属化膜低 电感电容器并联排装配焊接在一加】好的双面敷铜p c b 上，构 成5 6 i j - f 16 0 0 v 的“无感电容”，然后通过i g b t 的连接螺丝直 接安装在j g b t 上。浚吸收电路的电感值为不大于3 n h 。电容受 温度影响只会在电容量参数上发生变化，电容量的微小变化也不 至于对系统的启动故障产生影响。 2 2 逆变器控制系统及其低温特性 逆变器控制系统由两块背插连接式电路扳构成。控制电路安 装框图如图2 2 所示，其中与控制信号接触的电子板称为7 5 l 板，实现脉冲信号处理，各种功能保护及板载供电电源。与逆变 器主电路相连的电子板称为7 5 0 板，实现驱动信号功率放大，故 障信号检测，输出栅压通过板上d b j5 插座引出接线直接与i o b t 连接。低温情况会对控制系统工作状态产生影响，甚至导致控制 系统肩动故障。 北京交通大学硕士学位论文 控甓电路支絮 固 屏蔽 屏簟 一 广。 _ _ q _ 一一 _ 逆变嚣生瞻珞 2 2i g b t 逆变器控制电路安装框图 f ig2 2c o n t r o lb o a r dl a y o u to f i g b ti n v e r t e r 22 1 供电电源 7 5 l 板和7 5 0 板都有板载供电电源。供电电源由隔离高频开 关电源构成，采用推挽式电路拓扑结构，运用电压反馈闭环控制 方式实现电源控制。控制电路为自行设计的专用厚膜电路p w r c ， 具核心控制芯片为s g l5 2 4 j 。7 5 1 板变压器原边输入直流电压 + 2 4 v ，输出一路+ l5 v 与原边共地，给专用厚膜电路p w r c 供电； 输出共地三路电压+ 5 v ，+ 1 5 v ，一j5 v 与原边隔离，给脉冲分配电 路和检测保护电路供电。7 5 0 板六个变压器，输入都为直流电压 + 2 4 v ，每个变压器产生一组共地的电压+ 15 v ，一1 0 v 。六个变压器 输出六组电压相互隔离，分别给逆交器的6 个i g b t 分别供电。 在一3 0 低温环境启动开始时，电源的各路输出会出现波动， 输出电压幅值不同程度降低。由于推挽式电路特点，多路输 h 中 只要一路输出波动对其他路影响就很大。这种情况在常温下就遇 到过，在低温时影响的变化更大。 2 2 2 脉冲处理 脉冲处理部分集成在7 5 l 板上。脉冲处理需要实现脉冲分配 第二章8 k 机车i g b t 辅助逆变器系统及其低温特性 检测保护，故障输出等功能。接受控制电路发出的相控信号，分 别由x 2 0 5 ( r 相) 、x 2 0 一1 6 ( s 相) 、x 2 0 15 ( t 相) 输入，根据 相控信号的高低电平，相应丌通上桥臂或下桥臂i g b t ；发【叶i 逆 变器桥臂上、下管控制脉冲，高电平导通、低电平关断：保证i g b 最小通态持续时间，t e - 5us ；保证i g b t 最小断态持续时问， t a = l0us ；保证桥臂上、下i g b t 器件换流信号互锁时间，t u = 5 us ；保证过流后的最短断流时间，t i = 2 lus 。接到过流信号后， 即相应的i r 、is 、i t 变成高电平，随即封锁输出信号，当过流 信号消失后，仍封锁t i 时间：对于输入的相信号及过流信号， 具有自动延时t v = 5us ，以防信号抖动；内部逻辑保证桥臂的上、 下i g b t 都关断的情况下才允许发出”通脉冲。 该环节主要芯片为进【_ 】b k 0 0 2 ，由于此芯片已停产。所用芯 片均为原8 k 型电力机车进u 的g t o 逆变器卜的j 出片，使用寿命 不能保证且老化严重，纠i 能保证低温稳定运行情况。在今后8 k 型电力机车改造过程中，必须采用新的方案实现脉冲分配问题。 2 2 3 保护电路 保护电路部分集成在7 5 1 板上。该环节可实现以下保护功能： ( 1 ) 供电电源欠压、过压保护。当+ 5 v 电压低于+ 4 v 或高于- 6 v 时， 当l5 v 电压的绝对值低于i3 v 或高于16 v 时封锁驱动i g b t 的 脉冲。( 2 ) 检测脉冲分配所需的时钟信号是否正常。若时钟信号 丢失，则封锁驱动i g b t 的脉冲。( 3 ) 检测相电流大小。一旦相电 流超过限定值，则封锁驱动i g b t 的脉冲。( 4 ) 检测逆变器输出电 流是否缺相，若缺相，则封锁驱动i g b t 的脉冲。( 5 ) 检测逆变器 的散热器是否过热，若过热，则封锁驱动i g b t 的脉冲。( 6 ) 检测 t g b t 的状态。i g b t 损坏( 无论短路或断路) 、驱动板局部有故障、 或驱动板与i g b t 连接部分接触不良，都立即封锁驱动i g b t 的脉 冲。 北京交通大学硕上学位论文 在一3 0 低温环境下启动，初始阶段由于低温影响导致电压 不稳定，会使保护电路的比较器翻转不彻底，会产生振荡使脉冲 使能信号变成梳状脉冲，导致启动过程故障。由于低温还会使欠 j f i 保护环节出现误保护。低温会使电机转动环节油脂凝固，从而 增加启动过流可能，同样会产生误保护。此外原电路设计的控制 板过流保护由保险管实现，实际中发现此方案经常由于器件问题 误保护，且重新恢复工作量很大。必须结合新的脉冲分配方案考 虑控制系统保护电路。 2 24 驱动电路 驱动隔离由三菱公司专用厚膜芯片m 5 7 9 6 2 l 来完成。m f 7 9 6 2 l 片内的光耦共模抑制比大于1 0 0 0 0 v s ，故主电路的干扰不会 传到控制电路中去。而且三菱公司的m 5 7 9 6 2 l 只能保证一2 0 c 一 6 06 c 可靠工作。自行研制的专用驱动电路d r i v 能完成驱动脉冲 上升沿、下降沿的时间控制，以及抑制主电路中i o b f 的开通和关 断过程的电压变化率和电流变化率对驱动电路的干扰。 l g b t 是否短路，可通过检测i g b t 集电极与发射极之间的电 压矿。的大小变化来判断。具体设计参数如下：当检测到v ，。超 过1 0 v ，且2 5u