- IGBT在DC600V中的應用
- 過(guò)壓和欠壓保護
- 過(guò)熱保護
- 減小主電路的布線(xiàn)電感
- 增加的緩沖二極管的緩沖電阻
- 在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)，過(guò)熱保護
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(tài)壓降，改善其頻率特性。并采用NFT技術(shù)實(shí)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(dòng)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(guān)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(kāi)關(guān)器件，由IGBT基本組合單元與驅動(dòng)、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(fā)展方向，將IGBT的驅動(dòng)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。35kW等級的DC600V逆變器一般采用1200V／300A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。
[page]IGBT軌道車(chē)輛在供電系統中的應用
軌道車(chē)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(chē)輛輔助系統都采用方案多樣的IGBT器件。德國針對機車(chē)牽引需開(kāi)發(fā)適用于750V電網(wǎng)的1．7kVIGBT和用于1500V電網(wǎng)的3．3kVIGBT模塊，簡(jiǎn)化了牽引逆變器主電路的結構。
日本的700系電動(dòng)車(chē)組的三點(diǎn)式主變流器．采用大功率平板型IGBT(2500V／1800A)，整流器和逆變器的每個(gè)橋臂可用1個(gè)IGBT元件，從而使IGBT組件在得到簡(jiǎn)化的同時(shí)，功率單元總體結構也變得緊湊。
我國引進(jìn)法國Alstom公司的200km／h動(dòng)車(chē)組中，主變流器的開(kāi)關(guān)使用耐壓高達6500V／600A的IGBT器件，輔助變流器采用開(kāi)關(guān)頻率為1950Hz的PWM技術(shù)，由3臺雙IGBT和反并聯(lián)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(xiàn)車(chē)輛是其輔助系統由電壓等級為330V的IGBT構成2點(diǎn)式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號線(xiàn)車(chē)輛上的輔助系統采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實(shí)現電氣隔離；深圳地鐵一期采用6個(gè)用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個(gè)用于制動(dòng)斬波器的IGBT模塊完成牽引逆變功能：天津濱海動(dòng)車(chē)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(kāi)關(guān)容量為3300V／800A。
IGBT在DC600V中的應用
DC600V客車(chē)供電系統簡(jiǎn)介
DC600V空調客車(chē)供電系統采用機車(chē)集中整流，客車(chē)分散逆變方式，構成了整個(gè)列車(chē)的交一直一交變流供電系統。工作過(guò)程為：電力機車(chē)將25kV電網(wǎng)單相交流電降壓、整流、濾波成DC600V后給客車(chē)供電，客車(chē)根據用電設備的需要，將機車(chē)提供的DC600V變換成單、三相交流電及DC110V。系統采用兩套獨立供電。具有一定的冗余，客車(chē)供電的基本原理圖如圖3所示。
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IGBT在DC600V供電系統逆變器中的應用
空調客車(chē)使用2個(gè)由IGBT模塊組成的35kW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(fā)生故障時(shí)實(shí)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(shí)，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(lián)的2只電容電壓無(wú)法完全一致．采用電容兩端并聯(lián)均壓電阻的方法，圖4中的R1、R2，其另一個(gè)作用是在逆變器停止工作時(shí)，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(shí)，先通過(guò)緩沖電阻R0對電容充電。當電容電壓充到一定值時(shí)(比如540V)，KM2吸合，將R0短路。只有電阻R0短路，三相逆變電路才能啟動(dòng)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(gè)IGBT的導通時(shí)間。每一格的時(shí)間為π／3，三相線(xiàn)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(jiàn)，只要按照一定的順序控制6個(gè)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(shí)，脈沖的寬度也最大；反之，當正弦值為最小時(shí)．脈沖的寬度也最小，把脈沖的寬度調制的越細．即一個(gè)周期內脈沖的個(gè)數越多，調制后輸出的波形越好，電動(dòng)機負載的電流波形越接近于正弦波，圖6為負載波形。
[page]IGBT在DC600V供電系統中的保護
由于IGBT的耐過(guò)壓和耐過(guò)流能力較差，一旦出現意外就會(huì )損壞，因此必須對IGBT進(jìn)行保護，客車(chē)DC600V供電系統逆變器的IGBT模塊有過(guò)壓、欠壓保護，過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱等保護功能。
過(guò)壓和欠壓保護
使用IGBT作開(kāi)關(guān)時(shí)．由于主網(wǎng)路的電流突變，加到IGBT集電-發(fā)射問(wèn)容易產(chǎn)生高直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過(guò)電壓的產(chǎn)生是輸入交流電或IGBT的前一級輸人發(fā)生異常所致。解決方法是在選取IGBT時(shí)進(jìn)行降額設計；也可在檢測m過(guò)壓時(shí)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(shí)，為減小關(guān)斷過(guò)電壓，應盡量使主電路的布線(xiàn)電感降到最??；
(2)設置如圖7所示的RCD緩沖電路吸收保護網(wǎng)絡(luò )，增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大，避免導通時(shí)IGBT功能受阻的問(wèn)題。
對于由接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)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540V時(shí)，逆變器按照Y／F=C(常數)的規律降頻降壓工作。
過(guò)流與過(guò)載保護
空調客車(chē)的IGBT模塊逆變器具備承受電動(dòng)機負載突加與突減的能力：當輸出側和負載發(fā)生短路時(shí)，逆變器能立即封鎖脈沖輸出，并停止工作，IGBT產(chǎn)生過(guò)電流的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅動(dòng)電路故障或干擾引起的誤動(dòng)、輸出線(xiàn)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(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒。通常采取的過(guò)流保護措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓兩種。
軟關(guān)斷抗干擾能力差，一旦檢測到過(guò)流和短路信號就關(guān)斷，容易發(fā)生誤動(dòng)，往往啟動(dòng)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(guò)流信號時(shí)，立即將柵極電壓降到某一電平，此時(shí)器件仍維持導通，使過(guò)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(shí)后故障信號仍然存在，則關(guān)斷器件；若故障信號消失，驅動(dòng)電路可自動(dòng)恢復正常工作狀態(tài)．大大增強了抗干擾能力。
當逆變器的輸出超過(guò)其自身的輸出能力，稱(chēng)為過(guò)載，逆變器的過(guò)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(guò)載保護為反時(shí)限特性。即設定過(guò)載電流為額定電流的1．5倍持續1min后保護，而低于1．5倍可延長(cháng)保護動(dòng)作時(shí)間。而高于1．5倍時(shí)則保護動(dòng)作的時(shí)間小于1min。
過(guò)熱保護
當逆變器的散熱器溫度超過(guò)允許溫度時(shí)，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(dòng)封鎖脈沖，停止工作。通常流過(guò)IGBT的電流較大，開(kāi)關(guān)頻率較高，故器件的損耗較大。若熱量不能及時(shí)散掉，器件的結溫將會(huì )超過(guò)最大值125℃，IGBT就可能損壞。散熱一般是采用散熱器，可進(jìn)行強迫冷卻。實(shí)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(kāi)關(guān)，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(shí)，控制執行機構在發(fā)生異常時(shí)切斷IGBT的輸入，以保護其安全。
IGBT模塊開(kāi)關(guān)具有損耗小、模塊結構便于組裝、開(kāi)關(guān)轉換均勻等優(yōu)點(diǎn)。已越來(lái)越多地應用在鐵路客車(chē)供電系統中。在應用IGBT時(shí)，應根據實(shí)際情況對過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等采取有效保護措施，以保證IGBT安全可靠地運行。
