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IGBT在客車系統(tǒng)逆變器中的應(yīng)用與保護(hù)

發(fā)布時(shí)間:2009-08-24

中心議題:
  • IGBT在DC600V中的應(yīng)用
  • 過壓和欠壓保護(hù)
  • 過熱保護(hù)
解決方案:
  • 減小主電路的布線電感
  • 增加的緩沖二極管的緩沖電阻
  • 在散熱器上安裝溫度開關(guān),過熱保護(hù)
IGBT是大功率、集成化的“絕緣柵雙極晶體管”(InsulatedGateBipolarTransistor)。它是80年代初集合大功率雙極型晶體管GTR與MOSFET場效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展的一種新型復(fù)合電子器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。

圖1所示為N溝道增強(qiáng)型垂直式IGBT單元結(jié)構(gòu),IGBT采用溝槽結(jié)構(gòu),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(xiàn)IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作為輸入部分,其特性與N溝道增強(qiáng)型。MOS器件的轉(zhuǎn)移特性相似,形成電壓型驅(qū)動模式,用GTR作為輸出部件,導(dǎo)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(dǎo)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作為開關(guān)器件,由IGBT基本組合單元與驅(qū)動、保護(hù)以及報(bào)警電路共同構(gòu)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(qū)動電路、保護(hù)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(gòu)成i相逆變器主電路,如圖2所示。

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IGBT軌道車輛在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用
  
軌道車輛中廣泛采用IGBT模塊構(gòu)成牽引變流器以及輔助電源系統(tǒng)的恒壓恒頻(CVCF)逆變器。國外的地鐵或輕軌車輛輔助系統(tǒng)都采用方案多樣的IGBT器件。德國針對機(jī)車牽引需開發(fā)適用于750V電網(wǎng)的1.7kVIGBT和用于1500V電網(wǎng)的3.3kVIGBT模塊,簡化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)。

日本的700系電動車組的三點(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組件在得到簡化的同時(shí),功率單元總體結(jié)構(gòu)也變得緊湊。
  
我國引進(jìn)法國Alstom公司的200km/h動車組中,主變流器的開關(guān)使用耐壓高達(dá)6500V/600A的IGBT器件,輔助變流器采用開關(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號線車輛是其輔助系統(tǒng)由電壓等級為330V的IGBT構(gòu)成2點(diǎn)式逆變器直接逆變;廣州地鐵1號線車輛上的輔助系統(tǒng)采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實(shí)現(xiàn)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)用于制動斬波器的IGBT模塊完成牽引逆變功能:天津?yàn)I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(guān)容量為3300V/800A。
  
IGBT在DC600V中的應(yīng)用

DC600V客車供電系統(tǒng)簡介
  
DC600V空調(diào)客車供電系統(tǒng)采用機(jī)車集中整流,客車分散逆變方式,構(gòu)成了整個(gè)列車的交一直一交變流供電系統(tǒng)。工作過程為:電力機(jī)車將25kV電網(wǎng)單相交流電降壓、整流、濾波成DC600V后給客車供電,客車根據(jù)用電設(shè)備的需要,將機(jī)車提供的DC600V變換成單、三相交流電及DC110V。系統(tǒng)采用兩套獨(dú)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。

                                
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IGBT在DC600V供電系統(tǒng)逆變器中的應(yīng)用
  
空調(diào)客車使用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(gòu)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(fù)載發(fā)生故障時(shí)實(shí)施隔離,防止故障擴(kuò)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(dāng)負(fù)載變化時(shí),使直流電壓平穩(wěn)。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(shù)的離散,使得串聯(lián)的2只電容電壓無法完全一致.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),先通過緩沖電阻R0對電容充電。當(dāng)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(zhǔn)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(dǎo)通順序,陰影部分為各個(gè)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間。每一格的時(shí)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(gè)逆變器的導(dǎo)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(guī)律調(diào)制成一系列脈沖,即使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律排列,當(dāng)正弦值為最大時(shí),脈沖的寬度也最大;反之,當(dāng)正弦值為最小時(shí).脈沖的寬度也最小,把脈沖的寬度調(diào)制的越細(xì).即一個(gè)周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)越多,調(diào)制后輸出的波形越好,電動機(jī)負(fù)載的電流波形越接近于正弦波,圖6為負(fù)載波形。

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IGBT在DC600V供電系統(tǒng)中的保護(hù)
  
由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差,一旦出現(xiàn)意外就會損壞,因此必須對IGBT進(jìn)行保護(hù),客車DC600V供電系統(tǒng)逆變器的IGBT模塊有過壓、欠壓保護(hù),過流、過載、過熱等保護(hù)功能。

過壓和欠壓保護(hù)
  
使用IGBT作開關(guān)時(shí).由于主網(wǎng)路的電流突變,加到IGBT集電-發(fā)射問容易產(chǎn)生高直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過電壓的產(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(shè)計(jì);也可在檢測m過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT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)斷過電壓,應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到最?。?br />   
(2)設(shè)置如圖7所示的RCD緩沖電路吸收保護(hù)網(wǎng)絡(luò),增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大,避免導(dǎo)通時(shí)IGBT功能受阻的問題。
  
對于由接觸網(wǎng)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(dāng)輸人電壓低于540V時(shí),逆變器按照Y/F=C(常數(shù))的規(guī)律降頻降壓工作。

過流與過載保護(hù)
  
空調(diào)客車的IGBT模塊逆變器具備承受電動機(jī)負(fù)載突加與突減的能力:當(dāng)輸出側(cè)和負(fù)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)生過電流的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)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(shí)間僅為幾微秒。通常采取的過流保護(hù)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,一旦檢測到過流和短路信號就關(guān)斷,容易發(fā)生誤動,往往啟動保護(hù)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(shí),立即將柵極電壓降到某一電平,此時(shí)器件仍維持導(dǎo)通,使過電流值不能達(dá)到最大短路峰值,就可避免IGBT出現(xiàn)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(qū)動電路可自動恢復(fù)正常工作狀態(tài).大大增強(qiáng)了抗干擾能力。
  
當(dāng)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(cè)的電流傳感器或輸入側(cè)的直流電流傳感器。一般情況下逆變器的過載保護(hù)為反時(shí)限特性。即設(shè)定過載電流為額定電流的1.5倍持續(xù)1min后保護(hù),而低于1.5倍可延長保護(hù)動作時(shí)間。而高于1.5倍時(shí)則保護(hù)動作的時(shí)間小于1min。

過熱保護(hù)
  
當(dāng)逆變器的散熱器溫度超過允許溫度時(shí),散熱器的熱保護(hù)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(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(jié)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(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。實(shí)際應(yīng)用中,采用普通散熱器與強(qiáng)迫冷卻相結(jié)合的措施。并在散熱器上安裝溫度開關(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(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)生異常時(shí)切斷IGBT的輸入,以保護(hù)其安全。

IGBT模塊開關(guān)具有損耗小、模塊結(jié)構(gòu)便于組裝、開關(guān)轉(zhuǎn)換均勻等優(yōu)點(diǎn)。已越來越多地應(yīng)用在鐵路客車供電系統(tǒng)中。在應(yīng)用IGBT時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對過流、過壓、過熱等采取有效保護(hù)措施,以保證IGBT安全可靠地運(yùn)行。
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