IGBT在客車DC 600V系統逆變器中的應用與保護

1．1 IGBT的結構特點

　　IGBT是大功率、集成化的“絕緣柵雙極晶體管”(Insulated Gate Bipolar Transistor)。它是80年代初集合大功率雙極型晶體管GTR與MOSFET場效應管的優點而發展的一種新型復合電子器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降的優點。圖1所示為N溝道增強型垂直式IGBT單元結構，IGBT采用溝槽結構，以減少通態壓降，改善其頻率特性。并采用NFT技術實現IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作為輸入部分，其特性與N溝道增強型。MOS器件的轉移特性相似，形成電壓型驅動模式，用GTR作為輸出部件，導通壓降低、容量大，不同的是IGBT的集電極IC受柵一射電壓UCE的控制，導通、關斷由柵一射電壓UCE決定。

　　目前大部分逆變器都采用IGBT和IPM作為開關器件，由IGBT基本組合單元與驅動、保護以及報警電路共同構成的智能功率模塊(IPM)已成為IGBT智能化的發展方向，將IGBT的驅動電路、保護電路及部分接口電路和功率電路集成于一體的功率器件。35 kW等級的DC 600 V逆變器一般采用1 200 V／300 A模塊，IGBT和IPM分為單單元和雙單元，3只雙單元模塊可構成i相逆變器主電路，如圖2所示。

　　1．2 IGBT軌道車輛在供電系統中的應用

　　軌道車輛中廣泛采用IGBT模塊構成牽引變流器以及輔助電源系統的恒壓恒頻(CVCF)逆變器。國外的地鐵或輕軌車輛輔助系統都采用方案多樣的IGBT器件。德國針對機車牽引需開發適用于750 V電網的1．7 kVIGBT和用于1 500 V電網的3．3 kV IGBT模塊，簡化了牽引逆變器主電路的結構。日本的700系電動車組的三點式主變流器．采用大功率平板型IGBT(2 500 V／1 800 A)，整流器和逆變器的每個橋臂可用1個IGBT元件，從而使IGBT組件在得到簡化的同時，功率單元總體結構也變得緊湊。

　　我國引進法國Alstom公司的200 km／h動車組中，主變流器的開關使用耐壓高達6 500 V／600 A的IGBT器件，輔助變流器采用開關頻率為1 950 Hz的PWM技術，由3臺雙IGBT和相關反并聯二極管組成，每臺雙IGBT組成三相中的一相；上海軌道交通3號線車輛是其輔助系統由電壓等級為330 V的IGBT構成2點式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號線車輛上的輔助系統采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實現電氣隔離；深圳地鐵一期采用6個用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個用于制動斬波器的IGBT模塊完成牽引逆變功能：天津濱海動車組主電路采用IGBT電壓型三相直一交逆變器，輔助電源的逆變器采用IGBT元件的逆變器，開關容量為3 300 V／800 A。

　　2 IGBT在DC 600 V中的應用

　　2．1 DC 600 V客車供電系統簡介

　　DC 600 V空調客車供電系統采用機車集中整流，客車分散逆變方式，構成了整個列車的交一直一交變流供電系統。工作過程為：電力機車將25 kV電網單相交流電降壓、整流、濾波成DC 600 V后給客車供電，客車根據用電設備的需要，將機車提供的DC 600 V變換成單、三相交流電及DC 110 V。系統采用兩套獨立供電。具有一定的冗余，客車供電的基本原理圖如圖3所示。

　　2．2 IGBT在DC 600 V供電系統逆變器中的應用

　　空調客車使用2個由IGBT模塊組成的35 kW逆變器供電，逆變器主電路原理如圖4所示，主要由下功能模塊構成：

　　(1)由KMl、KM3電磁接觸器組成的輸入輸出隔離電路，主要功能是在逆變器、輸入電路或輸出負載發生故障時實施隔離，防止故障擴散。

　　(2)由濾波電容C1，C2組成的中間支撐電路，主要功能是濾平輸入電路的電壓紋波，當負載變化時，使直流電壓平穩。由于逆變器功率較大，因此濾波電容的容量較大，一般使用電解電容。由于電容自身參數的離散，使得串聯的2只電容電壓無法完全一致．采用電容兩端并聯均壓電阻的方法，圖4中的R1、R2，其另一個作用是在逆變器停止工作時，放掉電容器的電荷。

　　(3)由R0和KM2組成的緩沖電路，工作原理為：在輸入端施加電壓時，先通過緩沖電阻R0對電容充電。當電容電壓充到一定值時(比如540 V)，KM2吸合，將R0短路。只有電阻R0短路，三相逆變電路才能啟動工作。

　　(4)由L1～L3和C1～C3，組成的交流濾波電路，可將逆變器輸出的PWM波變成準正弦波。

　　(5)由V1～V6組成的橋式三相逆變主電路是逆變器的核心電路。圖4為三相逆變器的主電路圖，輸入端為A、B，輸出為U、V、W。圖5中V1～V6的導通順序，陰影部分為各個IGBT的導通時間。每一格的時間為π／3，三相線電壓的波形如圖5所示。

　　由圖4看出，U、V、W三者之間的相位差為2π／3，幅值與直流電壓Ud相等。由此可見，只要按照一定的順序控制6個逆變器的導通與截止，就可把直流電逆變成三相交流電。

　　(6)如果將方波電壓按照正弦波的規律調制成一系列脈沖，即使脈沖系列的占空比按正弦規律排列，當正弦值為最大時，脈沖的寬度也最大；反之，當正弦值為最小時．脈沖的寬度也最小，把脈沖的寬度調制的越細．即一個周期內脈沖的個數越多，調制后輸出的波形越好，電動機負載的電流波形越接近于正弦波，圖6為負載波形。

　　3 IGBT在DC 600 V供電系統中的保護

　　由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現意外就會損壞，因此必須對IGBT進行保護，客車DC 600 V供電系統逆變器的IGBT模塊有過壓、欠壓保護，過流、過載、過熱等保護功能。

　　3．1 過壓和欠壓保護

　　使用IGBT作開關時．由于主網路的電流突變，加到IGBT集電-發射問容易產生高直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過電壓的產生是輸入交流電或IGBT的前一級輸人發生異常所致。解決方法是在選取IGBT時進行降額設計；也可在檢測m過壓時分斷IGBT的輸入，IGBT的安全。目前，針對浪涌尖峰電壓采取的措施有：

　　(1)在工作電流較大時，為減小關斷過電壓，應盡量使主電路的布線電感降到最小；

　　(2)設置如圖7所示的RCD緩沖電路吸收保護網絡，增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大，避免導通時IGBT功能受阻的問題。

　　對于由接觸網電壓的波動而造成的輸出欠壓，逆變器可以不停止工作，而是采取降頻降壓的方式，即當輸人電壓低于540 V時，逆變器按照Y／F=C(常數)的規律降頻降壓工作。

　　3．2 過流與過載保護

　　空調客車的IGBT模塊逆變器具備承受電動機負載突加與突減的能力：當輸出側和負載發生短路時，逆變器能立即封鎖脈沖輸出，并停止工作，IGBT產生過電流的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅動電路故障或干擾引起的誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、逆變橋的橋臂短路等。IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒。通常采取的過流保護措施有軟關斷和降低柵極電壓兩種。

　　軟關斷抗干擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關斷，容易發生誤動，往往啟動保護電路，器件仍被損壞。降低柵極電壓則是在檢測到器件過流信號時，立即將柵極電壓降到某一電平，此時器件仍維持導通，使過電流值不能達到最大短路峰值，就可避免IGBT出現鎖定損壞。若延時后故障信號仍然存在，則關斷器件；若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常工作狀態．大大增強了抗干擾能力。

　　當逆變器的輸出超過其自身的輸出能力，稱為過載，逆變器的過載檢測靠輸出側的電流傳感器或輸入側的直流電流傳感器。一般情況下逆變器的過載保護為反時限特性。即設定過載電流為額定電流的1．5倍持續1 min后保護，而低于1．5倍可延長保護動作時間。而高于1．5倍時則保護動作的時間小于1 min。

　　3．3 過熱保護

　　當逆變器的散熱器溫度超過允許溫度時，散熱器的熱保護繼電器給出信號讓逆變器的控制電路自動封鎖脈沖，停止工作。通常流過IGBT的電流較大，開關頻率較高，故器件的損耗較大。若熱量不能及時散掉，器件的結溫將會超過最大值125℃，IGBT就可能損壞。散熱一般是采用散熱器，可進行強迫冷卻。實際應用中，采用普通散熱器與強迫冷卻相結合的措施。并在散熱器上安裝溫度開關，可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器，以檢測IGBT的工作溫度。同時，控制執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其安全。

　　4 結語

　　IGBT模塊開關具有損耗小、模塊結構便于組裝、開關轉換均勻等優點。已越來越多地應用在鐵路客車供電系統中。在應用IGBT時，應根據實際情況對過流、過壓、過熱等采取有效保護措施，以保證IGBT安全可靠地運行。