1 概述
上海第一批沟通传动地铁车辆，现编号为 AC01/02 型电动列车，是上世纪90 时代末从德国 引进的先进的沟通传动车辆，其要害的核心部件 是选用其时先进的可关断晶闸管GTO 构成的主 牵引逆变器。
因为电力电子技术的前进与打开，新一代性 能优秀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进步，电压等级已从1 700 V增加到3 300 V、4 500 V及6 500 V，电流也从 600 A上升到800 A、1 200 A及2 400 A等。此 外，IGBT 模块在功能上比GTO 器材有多项长处： 开关损耗小，开关频率较高;可结合层压低感母线 完成无吸收电路;属电压型驱动，电路功耗较低; 具有抗短路自维护才能;改进了资料与工艺使其 满意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设备的结构等[1]。
因而，选用IGBT构成的变流设备比GTO 的体 积小、重量轻、效率高，而且功能也好，所以在城市轨 道电动车辆牵引范畴中所使用的GTO已在不断地被IGBT模块代替，高压IGBT模块(或HVIGBT)已 成为轨迹车辆上选用的主流产品。考虑到GTO退 出在轨迹车辆中的使用，从而打开对这类进口的 GTO车辆进行IGBT 的国产化代替研发是十分必 要，而且具有重要的经济含义和严重的社会效益。
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，这儿首要论述 对制动斩波模块的IGTB的国产化代替研发，因为 对牵引相模块已完成了相应的代替研发[2]。
2 GTO 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 生制动反应来的电能时将此反应能量消耗在制动 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 结构相似，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。
这些结构部件可概括为三类：主电路部件由 晶闸管GTO、续流管D 及吸收电路构成;操控电 路部件由双门极操控单元A3 和高压驱动单元A1 与A2及其之间的连线与衔接光缆等构成，还有温 控部件;机械结构部件首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-;操控电路方面有双门极操控单元A3上的引进 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维护的 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上的光缆衔接插座B3和B4，别离对应 高压驱动单元的A2和A1上的光缆衔接插座;双门 极操控单元A3上的连线端子-X5和-X6，别离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 是维护V5、V6 用的。在制动斩波器中两个并联的主晶闸管V1 与 V2是替换导通的，一个在正半波内导通，另一个在 负半波内导通;PWM的规则是定频变宽的脉冲宽 度调制方法。
选用这种通断方法是因为GTO 的开关频率 约束在400 Hz左右，为了按捺制动电阻上的电流 脉动以改进制动功能，这样就能够进步制动电阻 上脉宽调制的频率，使其满意大于500 Hz 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，经过A1 和A2 按PWM 规则 替换通断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，有利于按捺制动 电流的脉动。
其吸收电路的作业原理是在V1 和V2 均关断 的初始状况下，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经过外接电阻R1放电至近似为0 V。
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。
从以上剖析看出，在换流过程中，漏感中能量 所形成的尖峰电压能被吸收电路有用按捺，但同 时也有部分能量反应给电源。
2.3.2 操控电路及其原理
操控电路框图如图3 所示。图中双门极操控 单元A3要完成对高压驱动单元A2 和A1 的逻辑 操控;A3 上有操控电路的输入电压衔接插座X9， 其输入电压为直流140 V;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，分是非与红蓝两组，X5 输出到高压 驱动单元A1，X6 输出到高压驱动单元A2;一起 A3 上的两个光缆座B3 和B4 经过相应的两根光 缆LWL各自连向A2 和A1上的光缆座，而且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。
操控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140 V 时，输出端子X5 或 X6 的是非线上信号为依65 V、50 kHz 的方波电源 (图4)，而红监两根线上无信号。此刻A1 和A2上 的光缆发射器点亮经过光缆发射光束，让A3上的B3和B4光缆接收器接收到红外光束，一起A1 和 A2 的触发GTO 的输出端子G 与K 是负偏置，电 压约为-15 V，即两个并联GTO是处于断态。所以 此两根光缆仅是传递GTO的断态的状况信息。当 A3得知两个GTO 均处于断态时，才答应向A1 或 A2 发送触发导通讯号。
由此看出，这儿对GTO 的触发信息不是由光 缆发送的。经过剖析与测验得出，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， 再经过上述的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)的波形打开，得图5(b)和 (c)波形，由波形图看出，触发导通时GTO 导通讯 息的前沿有几十滋s宽的强触发信号;关断时也有 满足的关断能量(约反压140 V、宽20 滋s 的脉 冲)，确保牢靠关断。
2.4 制动斩波模块功能剖析及其测验
依据上述剖析，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，经过A1 或A2就可触发GTO 的通与断。从对应的GK 测验波形(图6 所示)的 上升沿[图6(b)] 与下降沿[图6(c)]的剖析看出， 所测验的触发波形是契合对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，然后有保持正导游通约 1 V 的压降;从图6(c)可见，关断时有强的反向电 压脉冲，最终保持在约-15 V的反向偏置。
结合制动斩波模块主电路(图2)能够看出，当 在P 与N施予直流电压时，由TCU按必定规则发 出PWM 通断信息，经A3 及A2 与A1 替换触发 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(10 V/div)。
