地铁1号线车辆IGBT静止辅助逆变器研制
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电压型 HVIGBT 静止辅助逆变器主电路与原 GTO 逆变器结构形式相Leabharlann Baidu，采用 l80 导电及 6 脉冲 运行方式。
图 l GTO 驱动原理框图
考虑到保留原有的性能特点与尽可能利用原 有机组电路及相关器件，因而在设计 HVIGBT 的驱 动电路时，引入了一套将驱动 GTO 的脉冲信号转 换成驱动 IGBT 的电位信号。图 l 表示原 GTO 的 驱动原理框图，ZKlV、ZK2V、ZUEV、LOEV、NLV 是
经装车运行试验考核几个月，至少未出现任何 故障，说明此替代器件是成功的。
3 结论与愿望
（1）在地铁或轻轨车辆上的静止辅助系统甚至 主传动系统，采用 IGBT 取代 GTO 这是符合电力电
第2期
子技术发展的规律。本项目研制解决了无 2 . 5 kV GTO 备品替换的后顾之忧，确保 1 号线车辆今后持
· 18 ·
由图 8 所示的 VCE波形看出，正常负载下关断 时几乎没有由漏感引起的过冲电压尖峰；而在大负 载下其关断时电压尖峰也仅约 40V。这说明结合 层叠式母线采用简洁的复合式吸收电路的效果很 好。
经装车负载试验，说明所研制的 HVIGBT 静止 辅助逆变器完全满足原 GTO 逆变器技术要求，而 且性能上还更胜一筹（体现在抗干扰能力强、具有 桥臂贯穿短路自保护能力、吸收电路功耗小及开关 损耗也低），而且经运行后实测箱体内的发热程度 也较原来的低，因而可靠性也进一步提高。
· 17 ·
城城市市轨轨道道交交通通研研究究
2 装车负载试验与运行考核试验
2000 年
器输出电流由 Fluk 钳形表测得有效电流，如表 1 所列。
所研制的替代用 HVIGBT 静止辅助逆变器与
原 GTO 逆变器有相同的技术指标：
输入直流电压
DC 775 1 35V（动态最高
输入为 DC 950V）
l IGBT 静止辅助逆变器
l.l 方案制定
对地铁 l 号线车辆几年来运行和故障情况分
析 来 看，静 止 辅 助 系 统 已 逐 趋 稳 定，故 障 也 较 少。 考虑到几年来该系统运行较为可靠，因而在国产化 方案中也尽可能保留原有的经运行考验的电气设 备与元器件。
高压 IGBT（HVIGBT）于 l997 年下半年已系列 化与批量生产，在日本与欧洲市场上均可以购到， 故选用与 GTO 相同规格的 2 . 5 kV HVIGBT 来替代 是合理 的。 这 对 电 路 结 构 与 布 置 上 也 最 为 经 济。 若由于 2 . 5 kV 等级 GTO 停产而用高电压等级 4 . 5 kV GTO 替代，将会大大增加运营及其改造的费用。 由于采用相同规格的 HVIGBT 来替代 GTO，也利于 保留原有的结构与性能特点。 l . 2 HVIGBT 静止辅助逆变器
（a）单个电容 C
（b）整体式 RCD
（c）独立式 RCD
（c）交叉式 RCD
图 3 IGBT 的几种吸收电路
所研制的 IGBT 静止辅助逆变器样机经地面替 GTO 逆变器。图 4 为装车后的试验照片。
代试验正 常 后，将 其 装 入 辅 助 系 统 基 本 箱 替 代 原
图 4 装车后 IGBT 逆变器照片
城城市市轨轨道道交交通通研研究究
2000 年
地铁 l 号线车辆 IGBT 静止辅助逆变器研制
陶生桂 王曰凡
摘 要 由于 IGBT 器件的迅速发展及其在中等容量 范围内取代 GTO 的趋势，研制了用高压 IGBT（或 HVIGBT） 构成的静止辅助逆变器来替代上海地铁 l 号线车辆上原 GTO 逆变器，并经受了装车运行试验考核。
!陶生桂：同济大学电气工程系，教授，上海 20033l
· l6 ·
第2期
国国产产化化研研究究
由控制部分送来的驱动信号。图 2 表示 HVIGBT 驱动电路原理框图，将由图 1 中脉冲功率放大电路 （1）输出的导通信号 Z1V、Z2V 和 Z3V 以及关断信 号 L1V 与 L2V，经图 2 中信号转换电路（1）转换成 驱动 IGBT 的所需的电位隔离的信号，送至带驱动 模块的电路（3）来驱动 HVIGBT 器件。图 2 中的电 源变换电路（2）也是利用原有的由 UNL1 和 UNL2 输入信号转换成电位上隔离的驱动电路用的 DC 1 15V 和 DC15V 的电源。驱动模块带直接检测集电 极电压信 号 以 实 现 桥 臂 贯 穿 短 路 的 自 保 护 功 能。 这也是采用 IGBT 器件所带来的优点。
图 7 变压器输出的相电压 uAO与 uBO波形
图 5 IGBT 逆变器中间回路直流电压 UDX建立过程
图 6 原 GTO 逆变器中间回路直流电压 UDX建立过程
本装置安装在头车上，其负载一般可分为小负 载、中负载、正常负载与大负载几种情况。所谓大 负载或称故障负载，是指另一端头车上辅助逆变器 发生故障被切除，将其负载也转由 IGBT 静止辅助 逆变器供给的情况。在这几档负载时，IGBT 逆变
Abstract The paper introduces GTO - static auxiliary inverter for Shanghai Metro line 1 vehicles . On account of the rapid development IGBT technology and the trend to replace GTO in medium capacity field，HVIGBT - static auxiliary inverter is manufactured . After operational experiment，it comes true that the home - made electron product is used in metro vehicles .
Keywords metro vehicles，static auxiliary inverter，GTO，High Voltage IGBT（HVIGBT）
（收稿日期：2000 - 03 - 18）
· 19 ·
续的正常运营。
国国产产化化研研究究
（a） 正常负载时 图 8 IGBT 的 VCE上升沿（关断）波形
（b）大负载时
（2）引进与进口产品的目的是要消化、吸收其 技术，进 而 实 现 国 产 化 并 最 后 实 现 自 己 生 产（国 产）。这次成功替代是对 1 号线车辆上高新技术的 重要部件（电子产品）实现国产化而迈出的重要的
关于 IGBT 的吸收电路，一般有图 3 所示的几 种。随着 IGBT 的发展，由其构成的逆变器的结构 也在不断进步。如印制板（或复合、层叠式）母线，
图 2 HVIGBT 驱动电路原理框图
可减少母线寄生电感。因而图示的几种吸收电路， 往往在 IGBT 逆变器中常由几种吸收电路共同配合 使用。本研制方案中考虑到采用层叠式母线，故在 每桥臂上采用图 3 中（a）和（b）混合式吸收电路。
表 1 不同负载下的 IGBT 逆变器输出电流 A
小负载 中负载 正常负载 大负载
A ~ / A 12 . 5
19 . 5
22 . 6
29 . 8
需指明，在中间回路电压建立过程中，对应下 陷凹口（蓄电池充电）的逆变器冲击电流约 95A。 从定量估算，此时 IGBT 逆变器短时输出容量已超 过 100 kVA。变压器输出的相电压如图 7 所示，从 中可看出三相对称，两相间互差 120 相位角，其有 效值约 AC 220V。
输入有效交流电压 DC6 20 1 28V
额定容量
75 kVA
短路输出容量
120 kVA
最大累加输出容量 450 kVA
装车进行负载试验时，升弓后网压指示为 DC
1 660V，中间回路电压 UDX 建立过程由图 5 所示。 图 6 为原 GTO 逆变器机组情况。两者基本一致。
下陷凹口是对应蓄电池充电。
关键词 地铁车辆，静止辅助逆变器，全控型晶闸管， 高压全控型绝缘栅双极型晶体管
上海地铁 l 号线车辆为 90 年代进口，车上的 GTO 静止辅助系统［l］属当时国际先进水平。然而， 此后迅速发展的 IGBT（电压驱动型全控型绝缘栅 双极型晶体管）器件，性能更胜一筹。尤其高阻断 电压的开发，即 l . 7 kV、2 . 5 kV 与 3 . 3 kV 高压 IGBT （缩写为 HVIGBT），在 l997 年下半年系列化批量生 产，这对处于该电压等级范围内的 GTO 造成巨大 冲击，使 2 . 5 kV 的 GTO 在 l997 年底停产，也使地 铁 l 号线车辆静止辅助逆变器将面临无该电压等 级 GTO 备品替换的局面。为确保地铁 l 号线车辆 正常运营，研制用 2 . 5 kV 800A IGBT 构成的静止辅 助逆变器替代即将淘汰的该电压等级 GTO 构成的 逆变器迫在眉睫。
IGBT - Static Auxiliary Invertter for Metro Line 1 Vehicles
Tao Shenggui
（Dept. of Electrical Eng. ，Tongji Univ. ，Shanghai 200331）
Wang Yuefan
（Shanghai Metro Corporotion，Shanghai 200031）
世界上一些先进国家近期供货的地铁或轻轨 车辆上静止辅助逆变器也已大都采用 IGBT 器件构 成。所以用 HVIGBT 静止辅助逆变器来替代地铁 l 号线车辆原 GTO 辅助逆变器，不仅是必须做的技 术储备措施，而且也是对进口车辆上重要部件首次 国产化的重要一步；同时也是电力电子技术发展的 必然趋势［2］。
又成功的一步。 （3）本项目研制成功说明，经近 10 年的发展，
我国已有能力开发国产化的交流传动地铁车辆。
参考文献
1 王安礼主编 . 地铁一号线工程 . 上海：上海科技出版社，1998 2 陶生桂，康劲松 . 城市轨道交通电动车组电力电子器件与交流器发展趋势 . 城市轨道交通研究，1999（，2）：20 ~ 24
图 l GTO 驱动原理框图
考虑到保留原有的性能特点与尽可能利用原 有机组电路及相关器件，因而在设计 HVIGBT 的驱 动电路时，引入了一套将驱动 GTO 的脉冲信号转 换成驱动 IGBT 的电位信号。图 l 表示原 GTO 的 驱动原理框图，ZKlV、ZK2V、ZUEV、LOEV、NLV 是
经装车运行试验考核几个月，至少未出现任何 故障，说明此替代器件是成功的。
3 结论与愿望
（1）在地铁或轻轨车辆上的静止辅助系统甚至 主传动系统，采用 IGBT 取代 GTO 这是符合电力电
第2期
子技术发展的规律。本项目研制解决了无 2 . 5 kV GTO 备品替换的后顾之忧，确保 1 号线车辆今后持
· 18 ·
由图 8 所示的 VCE波形看出，正常负载下关断 时几乎没有由漏感引起的过冲电压尖峰；而在大负 载下其关断时电压尖峰也仅约 40V。这说明结合 层叠式母线采用简洁的复合式吸收电路的效果很 好。
经装车负载试验，说明所研制的 HVIGBT 静止 辅助逆变器完全满足原 GTO 逆变器技术要求，而 且性能上还更胜一筹（体现在抗干扰能力强、具有 桥臂贯穿短路自保护能力、吸收电路功耗小及开关 损耗也低），而且经运行后实测箱体内的发热程度 也较原来的低，因而可靠性也进一步提高。
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城城市市轨轨道道交交通通研研究究
2 装车负载试验与运行考核试验
2000 年
器输出电流由 Fluk 钳形表测得有效电流，如表 1 所列。
所研制的替代用 HVIGBT 静止辅助逆变器与
原 GTO 逆变器有相同的技术指标：
输入直流电压
DC 775 1 35V（动态最高
输入为 DC 950V）
l IGBT 静止辅助逆变器
l.l 方案制定
对地铁 l 号线车辆几年来运行和故障情况分
析 来 看，静 止 辅 助 系 统 已 逐 趋 稳 定，故 障 也 较 少。 考虑到几年来该系统运行较为可靠，因而在国产化 方案中也尽可能保留原有的经运行考验的电气设 备与元器件。
高压 IGBT（HVIGBT）于 l997 年下半年已系列 化与批量生产，在日本与欧洲市场上均可以购到， 故选用与 GTO 相同规格的 2 . 5 kV HVIGBT 来替代 是合理 的。 这 对 电 路 结 构 与 布 置 上 也 最 为 经 济。 若由于 2 . 5 kV 等级 GTO 停产而用高电压等级 4 . 5 kV GTO 替代，将会大大增加运营及其改造的费用。 由于采用相同规格的 HVIGBT 来替代 GTO，也利于 保留原有的结构与性能特点。 l . 2 HVIGBT 静止辅助逆变器
（a）单个电容 C
（b）整体式 RCD
（c）独立式 RCD
（c）交叉式 RCD
图 3 IGBT 的几种吸收电路
所研制的 IGBT 静止辅助逆变器样机经地面替 GTO 逆变器。图 4 为装车后的试验照片。
代试验正 常 后，将 其 装 入 辅 助 系 统 基 本 箱 替 代 原
图 4 装车后 IGBT 逆变器照片
城城市市轨轨道道交交通通研研究究
2000 年
地铁 l 号线车辆 IGBT 静止辅助逆变器研制
陶生桂 王曰凡
摘 要 由于 IGBT 器件的迅速发展及其在中等容量 范围内取代 GTO 的趋势，研制了用高压 IGBT（或 HVIGBT） 构成的静止辅助逆变器来替代上海地铁 l 号线车辆上原 GTO 逆变器，并经受了装车运行试验考核。
!陶生桂：同济大学电气工程系，教授，上海 20033l
· l6 ·
第2期
国国产产化化研研究究
由控制部分送来的驱动信号。图 2 表示 HVIGBT 驱动电路原理框图，将由图 1 中脉冲功率放大电路 （1）输出的导通信号 Z1V、Z2V 和 Z3V 以及关断信 号 L1V 与 L2V，经图 2 中信号转换电路（1）转换成 驱动 IGBT 的所需的电位隔离的信号，送至带驱动 模块的电路（3）来驱动 HVIGBT 器件。图 2 中的电 源变换电路（2）也是利用原有的由 UNL1 和 UNL2 输入信号转换成电位上隔离的驱动电路用的 DC 1 15V 和 DC15V 的电源。驱动模块带直接检测集电 极电压信 号 以 实 现 桥 臂 贯 穿 短 路 的 自 保 护 功 能。 这也是采用 IGBT 器件所带来的优点。
图 7 变压器输出的相电压 uAO与 uBO波形
图 5 IGBT 逆变器中间回路直流电压 UDX建立过程
图 6 原 GTO 逆变器中间回路直流电压 UDX建立过程
本装置安装在头车上，其负载一般可分为小负 载、中负载、正常负载与大负载几种情况。所谓大 负载或称故障负载，是指另一端头车上辅助逆变器 发生故障被切除，将其负载也转由 IGBT 静止辅助 逆变器供给的情况。在这几档负载时，IGBT 逆变
Abstract The paper introduces GTO - static auxiliary inverter for Shanghai Metro line 1 vehicles . On account of the rapid development IGBT technology and the trend to replace GTO in medium capacity field，HVIGBT - static auxiliary inverter is manufactured . After operational experiment，it comes true that the home - made electron product is used in metro vehicles .
Keywords metro vehicles，static auxiliary inverter，GTO，High Voltage IGBT（HVIGBT）
（收稿日期：2000 - 03 - 18）
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续的正常运营。
国国产产化化研研究究
（a） 正常负载时 图 8 IGBT 的 VCE上升沿（关断）波形
（b）大负载时
（2）引进与进口产品的目的是要消化、吸收其 技术，进 而 实 现 国 产 化 并 最 后 实 现 自 己 生 产（国 产）。这次成功替代是对 1 号线车辆上高新技术的 重要部件（电子产品）实现国产化而迈出的重要的
关于 IGBT 的吸收电路，一般有图 3 所示的几 种。随着 IGBT 的发展，由其构成的逆变器的结构 也在不断进步。如印制板（或复合、层叠式）母线，
图 2 HVIGBT 驱动电路原理框图
可减少母线寄生电感。因而图示的几种吸收电路， 往往在 IGBT 逆变器中常由几种吸收电路共同配合 使用。本研制方案中考虑到采用层叠式母线，故在 每桥臂上采用图 3 中（a）和（b）混合式吸收电路。
表 1 不同负载下的 IGBT 逆变器输出电流 A
小负载 中负载 正常负载 大负载
A ~ / A 12 . 5
19 . 5
22 . 6
29 . 8
需指明，在中间回路电压建立过程中，对应下 陷凹口（蓄电池充电）的逆变器冲击电流约 95A。 从定量估算，此时 IGBT 逆变器短时输出容量已超 过 100 kVA。变压器输出的相电压如图 7 所示，从 中可看出三相对称，两相间互差 120 相位角，其有 效值约 AC 220V。
输入有效交流电压 DC6 20 1 28V
额定容量
75 kVA
短路输出容量
120 kVA
最大累加输出容量 450 kVA
装车进行负载试验时，升弓后网压指示为 DC
1 660V，中间回路电压 UDX 建立过程由图 5 所示。 图 6 为原 GTO 逆变器机组情况。两者基本一致。
下陷凹口是对应蓄电池充电。
关键词 地铁车辆，静止辅助逆变器，全控型晶闸管， 高压全控型绝缘栅双极型晶体管
上海地铁 l 号线车辆为 90 年代进口，车上的 GTO 静止辅助系统［l］属当时国际先进水平。然而， 此后迅速发展的 IGBT（电压驱动型全控型绝缘栅 双极型晶体管）器件，性能更胜一筹。尤其高阻断 电压的开发，即 l . 7 kV、2 . 5 kV 与 3 . 3 kV 高压 IGBT （缩写为 HVIGBT），在 l997 年下半年系列化批量生 产，这对处于该电压等级范围内的 GTO 造成巨大 冲击，使 2 . 5 kV 的 GTO 在 l997 年底停产，也使地 铁 l 号线车辆静止辅助逆变器将面临无该电压等 级 GTO 备品替换的局面。为确保地铁 l 号线车辆 正常运营，研制用 2 . 5 kV 800A IGBT 构成的静止辅 助逆变器替代即将淘汰的该电压等级 GTO 构成的 逆变器迫在眉睫。
IGBT - Static Auxiliary Invertter for Metro Line 1 Vehicles
Tao Shenggui
（Dept. of Electrical Eng. ，Tongji Univ. ，Shanghai 200331）
Wang Yuefan
（Shanghai Metro Corporotion，Shanghai 200031）
世界上一些先进国家近期供货的地铁或轻轨 车辆上静止辅助逆变器也已大都采用 IGBT 器件构 成。所以用 HVIGBT 静止辅助逆变器来替代地铁 l 号线车辆原 GTO 辅助逆变器，不仅是必须做的技 术储备措施，而且也是对进口车辆上重要部件首次 国产化的重要一步；同时也是电力电子技术发展的 必然趋势［2］。
又成功的一步。 （3）本项目研制成功说明，经近 10 年的发展，
我国已有能力开发国产化的交流传动地铁车辆。
参考文献
1 王安礼主编 . 地铁一号线工程 . 上海：上海科技出版社，1998 2 陶生桂，康劲松 . 城市轨道交通电动车组电力电子器件与交流器发展趋势 . 城市轨道交通研究，1999（，2）：20 ~ 24