分类号：tm461文献标识码：a
文章编号：0258-8013 (2000) 05-0034-03
50kva igbt inverter design for
locomotive in consideration of ems
zheng qiong-lin, hao rong-tai
(northern jiaotong university, beijing 100044,china)
abstract：the auxiliary igbt inverter rated 50kva was designed to replace the gto inverter which equipped to electric locomotive. the design of emc considerations such as the configuration optimum, grounding, earthing, shielding and snubbing technique are presented. the experimental result shows that only a capacitor with low inductance is applicable as a snubber for igbt invertors rated 50kva.
key words：igbt inverter； emc； snubber
1 引言
我国韶山型电力机车辅助系统采用异步旋转劈相机方式把单相交流电变为三相交流电，给各种辅助电机供电。80年代中期从欧洲引进的电力机车，其辅助系统首次应用电力电子技术，采取交直交方式把单相交流电变为三相交流电。由于运行条件恶劣，其中的可关断晶闸管(gto)逆变器机组运行故障频繁，以至于国产电力机车借鉴国外先进技术用交直交静止劈相机来代替旋转劈相机的愿望未能实现［1］。本文经过深入现场测试分析，认为gto逆变器机组运行故障主要由电磁干扰引起。电磁干扰的作用形态虽然分为串模干扰和共模干扰两种形态，但就其研究方式来说是一样的，都是从干扰源、传播途径和接受体三个方面来研究［2］。电力电子装置内产生的di/dt和dv/dt的元器件的形状和结构都很复杂，相当于一些形状复杂的天线；另外，电力机车内除了电力电子装置外，还有原边电压为27kv(25kv～29kv变化)的主变压器和各种断路器、接触器和继电器等有触点开关，因此要从干扰源上来消除电磁干扰是很困难的，有的甚至是不可能的。本文针对电力机车的特点，从电磁干扰的传播途径和接受体两个方面采取措施，比如控制电路滤波器，系统接地、屏蔽，驱动电路引线和主电路汇流排减少电感，还有逆变器的吸收电路等方面的电磁兼容性角度考虑，设计了电力机车用的50kva绝缘栅双极晶体管(igbt)辅助逆变器，取代故障频繁的机车上原gto逆变器，于1996年10月装车运行。至今已装车100多台，运行状况都很好。2年多的运行证明，50kva等级的igbt逆变器的吸收电路只需无感电容器即可。
2 igbt逆变器控制电路
根据运营部门要求，新研制的igbt辅助逆变器必须能够与原gto逆变器完全互换。控制电路由控制板和驱动板2块pcb组成，背靠背安装在控制电路支架板的两边，通过插针和插孔进行电气连接，如图1所示。控制板的作用是把±24v电源变为控制板和驱动板所需的的各路电源，接受电力机车电子柜发来的信号并进行处理，同时检测处理各种保护信号。驱动板的作用是接受控制板来的igbt导通、关断信号，经整形并相应发出导通脉冲及维持通态电压，或发出关断脉冲及维持断态反压；以上igbt器件故障及逆变器短路故障的检测与保护。
图1 igbt逆变器控制电路的安装
fig.1 control board layout of igbt inverter for locomotive use
2.1 控制电路电源的抗干扰设计
控制板上有一开关电源，把±24v电压变为相互隔离的5v、±15v、15v和－10v电压。经测量，电力机车控制用电源上的干扰电压尖峰有时高达1000v以上。为尽量减少电磁干扰从±24v电源线窜入控制板其他电压电源，采取了两种措施。一是在±24v电源线上接入电源滤波器，二是对开关电源变压器采取双层屏蔽［2，3］。其中电源滤波器的去常模干扰部分采用了双l型滤波。 经上海三基电子公司的ens-24xa高频噪声模拟器［4］(high frequency noise simulator)测试，当±24v电源侧注入幅值为2000v、脉宽为50～1000ns、频率为30～100hz的矩形波高频噪声时，控制电路能正常工作。
2.2 控制电路pcb线路设计
印刷电路板(pcb)通常在玻璃环氧基板上粘合一层铜箔，铜箔的厚度通常有18μm 、35μm、55μm和70μm4种［2，4］。最常用的铜箔厚度是35μm。如果pcb上铜箔厚度是35μm，印制线宽1mm，则每10mm长，其电阻值为5mω左右，其电感量为4nh左右。当pcb上数字集成电路芯片工作的di/dt为6ma/ns，工作电流为30ma时，每10mm长的印制线所含电阻值和电感值来估算电路各部分所产生的噪声电压分别为0.15mv和24mv。比较这两部分噪声电压可以清楚地看到，印制线电感成分所产生的噪声电压要比电阻成分所产生的噪声电压大几百倍。因此，pcb线路设计很重要，因为电阻因素可以忽略，电感因素不能忽略。为了减少pcb本身的干扰和外部对pcb的干扰，本文控制电路pcb的线路设计遵循如下规则：电源线和信号线尽量分开；电源线和信号线走线尽可能短；信号线之间布局垂直；大信号和小信号分开；根据线路工作频率的不同，灵活采用单点接地和多点接地方法；做好旁路和解耦电容的选择和布置；与外部输入输出接口的抗干扰防护；静电放电保护设计考虑。
2.3 控制电路板的屏蔽
控制电路的两块pcb控制板和驱动板安装在支架上，如图1所示。图中共采用了3块屏蔽板。控制板和驱动板中间的屏蔽板材质采用敷铜板，粘在支架壁板上，铜层厚度为35μm；另外2块屏蔽板位于2块pcb的外侧，通过螺丝固定在支架上，材质为铁板，厚度为2mm。值得指出的是，根据美国军标mil-std-285测试，36μm的电解铜箔材料电磁屏蔽效能最佳［5］。因此，该设计中采用的敷铜板屏蔽层虽薄，效果却很好。
所有3块屏蔽板都通过逆变器的散热器可靠接地。这使得铁质屏蔽板同时具有静电屏蔽、直流磁场屏蔽、低频磁场屏蔽和电磁屏蔽的功能，确保逆变器周围的静电场能量、直流磁场能量和50hz的低频磁场能量不侵入控制电路中，同时控制电路pcb所产生的高频电磁场能量不扩散出去；而铜质屏蔽板具有静电屏蔽和电磁屏蔽的功能，确保控制板和驱动板之间不相互干扰。
2.4 系统接地
当栅极驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时会导致接地回路［6～8］。在开关过渡过程中，由于主电流具有很高的di／dt，使功率回路漏电感上有感应电压存在。—旦这种情况发生电路中应该为“地点”电位的各点实际上会处于高于“地电位”几伏特的电位上。这个电压会出现在器件的栅极，本来偏置截止的器件就有可能导通。在大容量igbt模块应用过程中，di/dt很高，很难避免接地回路现象的发生。为了避免这个问题的发生，需要慎重考虑栅极驱动与控制电路的设计。本文的控制电路采取了两种措施：①下桥臂每个栅极驱动电路都采用了分离绝缘电源，且各自的电源零线接在igbt模块的辅助端子上，不与主电流共用电流支路，以消除接地回路噪声问题；②在igbt关断期间，使用了－10v的反向偏置电压，以避免噪声干扰。
电力机车信号到逆变器传送电缆的外屏蔽层和其他屏蔽层一样，也通过逆变器的散热器接地。散热器接地是通过电力机车的主干地线柱，再通过车轮和钢轨来实现的。
3 igbt逆变器主电路结构
与通用逆变器不同，由于安装空间的限制，电力机车上的逆变器和平波电容器分别安装，直流侧连接线长度大于1m。为此，对机车用igbt逆变器的主电路结构作如下考虑。
3.1 设置“第二支撑”环节滤波器
由于逆变器的直流母线比较长，正负极线长之和大于2m。经估算［2］，母线电感在2μh以上。根据设计计算，如果要把igbt两端的过电压限制在100v以内，那么对于50kva的逆变器的电流，其直流母线上的电感小于80nh时，吸收回路才能较好发挥作用。为此，在逆变器输入端，设置了一个称之为“第二支撑”的滤波器。该滤波器由容量为470μf/450v的电解电容(150℃)两并两串构成。“第二支撑”的电容器用金属架子固定成一个整体，安装在igbt模块一侧，并用螺丝固定在散热器上，如图2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igbt模块连接的固定螺丝即可。
图2 igbt逆变器主电路结构的布局
fig.2 main circuit layout of igbt inverter
3.2 igbt模块的优化布局
主电路中电流比较大，在空间产生的磁场就比较大。另外，igbt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igbt的驱动线上。通过合理的布局，可以使得在igbt驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最小，也即干扰信号最小。首先，igbt模块如图2所示布置于散热器上，既便于散热，又便于连接；其次，从“第二支撑”的滤波器到igbt模块的直流连接件采用25mm宽、2mm厚的镀银铜条并排连接电容器和igbt，然后在铜排之上固定一片双面敷铜pcb。镀银铜条和单面敷铜pcb同时对igbt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。
3.3 吸收回路研制
igbt能承受很高的di/dt和dv/dt，能直接承受开关过程di/dt和dv/dt的冲击，故在应用中不必设计采用抑制di/dt和dv/dt的吸收电路，这给igbt器件的普及应用带来很大便利。但是，吸收直流母线电感能量的过电压吸收电路必不可少，因为igbt逆变器主电路导电母排的电感总是存在的。igbt桥式应用时有三种常用的吸收电路结构，如图3所示。根据主电路的设计布局，经过估算和试验，该吸收回路只需用单一的特殊电容即可，即图3(a)所示的型式，这就大大地简化了吸收回路的结构和安装。该逆变器的吸收回路采用12只0.47μf的金属化膜低电感电容器并排装配焊接在一加工好的双面pcb上，然后通过igbt的连接螺丝直接安装在igbt上。该吸收电路的电感值为不大于3nh。图4所示为安装了该吸收电路后igbt关断140a电流时两端的电压波形。图中纵坐标为100v/div,横坐标为200ns/div。
图3 igbt桥式应用常用吸收电路
fig.3 snubber configurations for igbt bridge connection
图4 关断140a电流时igbt器件两端的电压波形
fig.4 voltage waveform of igbt at 140a current cut-off
4 结论
电磁兼容性设计的50kva电力机车用igbt辅助逆变器，替代原gto逆变器，装车100多台正常运行2年多来，证明该设计是合理的。通过该逆变器的设计，可得到以下结论：
(1)电力电子装置开关元器件工作时，产生di/dt和dv/dt，带来许多电磁干扰。良好的电磁兼容性设计是电力电子装置能顺利可靠工作的关键。
(2)在电力机车这样特殊场合，设置“第二支撑”滤波器是吸收逆变器直流侧引线电感能量的良好措施。
(3)经电力机车运行试验表明，象50kva这样容量的逆变器，其吸收电路只需最简单的无感电容器即可，不必采用rcd结构。
作者简介：郑琼林(1964-)，博士，副教授，从事电力电子技术在铁道电气化牵引与供电方面的工作，如电力机车交流传动和铁道电气化供电系统的无功谐波治理等；
郝荣泰(1932-)，博士，教授，国务院学科评议组成员，从事电力电子技术在铁道电气化牵引与供电方面的工作。
作者单位：郑琼林（北方交通大学，北京 100044）
郝荣泰（北方交通大学，北京 100044）
参考文献：
［1］ 郑树选主编. 8k型电力机车［m］. 北京: 中国铁道出版社, 1994.
［2］ 诸邦田. 电子电路实用抗干扰技术［m］. 北京:人民邮电出版社, 1994.
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