沈陽地鐵1號線牽引變流器功率模塊國產(chǎn)化設計與開發(fā)

周大力，魏紅梅，朱劍

摘 要：沈陽地鐵1號線電客車使用的牽引變流器功率模塊故障比較嚴重。文章針對沈陽地鐵1號線牽引系統(tǒng)功率模塊進行國產(chǎn)化開發(fā)，從牽引系統(tǒng)功率模塊的工作原理進行分析，運用大功率IGBT驅(qū)動技術(shù)進行重新設計，從而優(yōu)化系統(tǒng)方案、降低制造成本、縮短采購周期，以滿足電客車運營要求。

關鍵詞：牽引逆變器;功率單元;絕緣柵雙極型晶體管

沈陽地鐵1號線電客車采用的牽引逆變器功率單元為三菱電機設計，該模塊長期工作在高溫、高電壓、高電流的環(huán)境下，故障率相對較高。功率模塊是牽引逆變器的功率執(zhí)行單元，直接影響牽引逆變器的工作效率和穩(wěn)定性。單臺牽引逆變器功率單元燒損會影響電客車1/3動力，影響電客車的正常行車。此外，功率單元由國外供貨，存在返修周期長、維修價格高等問題。為解決國外備件采購價格高、采購渠道單一和采購周期長等問題，故開展1號線電客車牽引逆變器功率模塊國產(chǎn)化及驗證工作。

1 牽引變流器功率模塊原理介紹

牽引逆變器將引入的電能進行電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，進而形成可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的三相交流電，以此實現(xiàn)列車運轉(zhuǎn)?[1]。目前城市軌道交通車輛主要采用受電弓直流1 500 V或三軌750 V供電?[2]，交流傳動系統(tǒng)有較寬的速度調(diào)節(jié)范圍和較高的功率等級?[3]，適用于列車重載環(huán)境。沈陽地鐵1號線為受電弓直流1 500 V供電，功率模塊接收牽引逆變器控制機箱的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）矢量調(diào)制信號，通過絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）驅(qū)動板控制IGBT將1 500 V直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電。功率模塊原理如圖1所示，其中，TH1和TH2為熱敏電阻，用于監(jiān)測功率模塊的散熱器溫度。

圖1 功率模塊原理

功率模塊主要包括IPM/IGBT、散熱器、低感母排、電容、信號轉(zhuǎn)換板/驅(qū)動電路、溫度傳感器、電流傳感器等，其結(jié)構(gòu)為典型的三相逆變橋。

2 原方案與國產(chǎn)化方案對比分析

2.1 原方案存在的問題

（1）維修周期長。由于產(chǎn)品為進口設計，采用的關鍵零部件均為進口，且為定制品，采購價格高、周期長。單臺功率模塊的維修周期長達6～12月。

（2）維修成本高。關鍵零部件必須進口，維修品的成本包括運費、稅務等，由于采購數(shù)量小，生產(chǎn)廠家的制造成本也大幅上升。部分零部件為進口定制開發(fā)品，在未來時刻會面臨因停產(chǎn)而需重新定制、開發(fā)的風險。

（3）售后服務反應相對較慢。在進行售后服務時需要國外公司的支持，由于通信、翻譯、決策等方面的影響，售后服務反應相對較慢。

2.2 原設計技術(shù)方案分析

（1）原設計方案選用的功率器件較為落后，所采用的功率器件為2009年前的產(chǎn)品，其工作溫度、過電流能力、短路特性等技術(shù)性能已明顯落后于現(xiàn)今的技術(shù)水平。

（2）原設計方案拓撲固定，靈活性不夠。原設計方案采用光電轉(zhuǎn)換板+IPM的拓撲結(jié)構(gòu)。采用IPM作為功率器件，具有高集成度的優(yōu)勢，但運用其進行設計會帶來一些不便：

首先，IPM為驅(qū)動板和IGBT的集合，任何部分有問題就必須更換整個IPM。

其次，驅(qū)動電路板集成封裝內(nèi)，IPM的高溫環(huán)境會對驅(qū)動電路板上元器件壽命產(chǎn)生不良影響。

最后，由于其門極控制電路集成在內(nèi)部，無法根據(jù)實際的工作情況來調(diào)節(jié)IPM的損耗和安全工作范圍。

（3）原設計方案安全工作范圍裕量小。功率器件損毀的原因是超出安全工作范圍，受限于當時功率器件的技術(shù)水平，原設計方案在大電流工作時的設計裕量相對較小，導致在惡劣工作環(huán)境下的安全工作區(qū)范圍較小。

2.3 國產(chǎn)化方案分析

2.3.1 極大縮短生產(chǎn)周期和降低采購成本

國產(chǎn)化功率模塊采用全新的驅(qū)動板+IGBT，其低感母排、散熱器、結(jié)構(gòu)件等都為國內(nèi)成熟供應商定制開發(fā)，較大地縮短了采購周期和運輸成本。國產(chǎn)化功率模塊的成本可降低40%左右。

2.3.2 設計方案極大優(yōu)化

（1）功率器件工作溫度大為提升。目前選用的IGBT為寬溫度范圍器件，其工作溫度為﹣40～150 ℃，原設計的IPM最高工作溫度為125 ℃，高溫比IPM提高了25 ℃，延長了功率模塊的使用壽命。

（2）新設計散熱器散熱功率提升。為了提高IGBT的安全工作范圍，對散熱器進行了國產(chǎn)化定制開發(fā)，提高了散熱器的散熱能力，可以有效降低IGBT的工作結(jié)溫，減小模塊損壞的概率。

（3）功率器件安全工作范圍的提升。在功率模塊設計時，根據(jù)采用的新型IGBT驅(qū)動特性，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電路板的驅(qū)動特性，在保證損耗和溫升的條件下，合理降低IGBT的開通關斷電壓、電流尖峰電壓，使得功率模塊承受的尖峰電壓和尖峰電流更小。

（4）方案為未來升級提供空間。國產(chǎn)化功率模塊方案可以靈活的對IGBT工作特性進行調(diào)整。該方案可在技術(shù)上進行持續(xù)改進，如有新型IGBT性能更優(yōu)，也可靈活調(diào)節(jié)、替換。

3 試驗結(jié)果分析

國產(chǎn)化功率模塊在沈陽1號線進行了裝車試驗，試驗在列車滿載情況下進行，裝載約110 t沙袋。列車編組方式為6車編組，3動車3拖車，其中2車、3車、5車為動車，國產(chǎn)化功率模塊安裝在5車，2車、3車依舊采用原車功率模塊。試驗將在同種工況下對比國產(chǎn)化功率模塊與原功率模塊的溫度情況。

列車以滿載狀態(tài)自動駕駛模式運行兩圈，試驗過程列車運行良好，各功率模塊輸出電流均衡，各車輛功率模塊散熱器溫度記錄曲線如圖2所示，其中，5車為國產(chǎn)化功率模塊，TH1，TH2分別為散熱器左右兩側(cè)的溫度測試點。

列車運行兩圈的全過程中，兩車功率模塊散熱器最高溫度60 ℃>5車功率模塊散熱器（國產(chǎn)化）最高溫度58 ℃>3車功率模塊散熱器最高溫度57 ℃。

3車處于列車中間，上下行功率模塊溫度都介于2車與5車之間，越靠近列車前進方向，散熱情況越好，來回行駛時中間車不容易出現(xiàn)極端溫度。

試驗時隧道內(nèi)的環(huán)境溫度為18～22 ℃。根據(jù)最低的環(huán)境溫度18 ℃來進行溫升計算，5車的散熱器最高溫升為：58﹣18=40 K。

設計環(huán)境溫度為﹣25～40 ℃。按最高的環(huán)境溫度計算，5車散熱器最高溫度為：40+40=80 ℃。國產(chǎn)化功率模塊采用的IGBT最高節(jié)溫為150 ℃，國產(chǎn)化功率模塊溫升滿足要求。

4 結(jié)語

本文運用新設計對沈陽地鐵1號線牽引變流器功率模塊進行了國產(chǎn)化，降低了采購成本及采購周期，優(yōu)化了模塊設計方案，提高了模塊安全工作范圍，并成功進行了正線滿載試驗，試驗結(jié)果符合設計要求。

作者簡介：周大力（1980— ），男，湖南湘潭人，工程師，碩士;研究方向：大功率變流器。

[參考文獻]

[1]劉成武.地鐵車輛牽引逆變器的常見故障與維修[J].科技創(chuàng)新導報，2018（19）：37-38.

[2]田慧，王泉文，杜紹巖.地鐵列車牽引系統(tǒng)組成概述[J].通訊世界，2016（7）：239-240.

[3]陳廣泰，賈云崗，高永軍，等.大功率牽引交流傳動系統(tǒng)試驗平臺搭建[J].內(nèi)燃機車，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