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IGBT在客车DC600V系统逆变器中的应用与保护

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：连禹棋

[导读] 摘要：铁路客车的承载客流量大、成本低、运用和维修简单等特点，是人们在铁路运输、暑运、春运及日常出行中选择最多的一种方式。

        中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头车辆段内蒙古包头 014010
        摘要：铁路客车的承载客流量大、成本低、运用和维修简单等特点，是人们在铁路运输、暑运、春运及日常出行中选择最多的一种方式。客车DC600V电源主要适用于G型车和T型车，可以为车上的用电设备提供可靠的电源。为了保证DC600V电源的良好运行状态，需要深入研究IGBT这一重要单元的性能，论文的选题具有重要的实用价值和工程应用前景。基于此，本文主要对IGBT在客车DC600V系统逆变器中的应用与保护进行分析探讨。
        关键词：IGBT；客车DC600V系统；逆变器；应用；保护
        1、IGBT综述
        1.1IGBT的结构特点
        IGBT是大功率、集成化的“绝缘栅双极晶体管”（InsulatedGateBipolarTransistor）。它是80年代初集合大功率双极型晶体管GTR与MOSFET场效应管的优点而发展的一种新型复合电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。图1所示为N沟道增强型垂直式IGBT单元结构，IGBT采用沟槽结构，以减少通态压降，改善其频率特性，并采用NPT技术实现IGBT的大功率。

        图1 NPT 结构的 IGBT 单元结构
        目前大部分逆变器都采用IGBT和IPM作为开关器件，由IGBT基本组合单元与驱动、保护以及报警电路共同构成的智能功率模块（IPM）已成为IGBT智能化的发展方向，将IGBT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。35kW等级的DC600V逆变器一般采用1200V/300A模块，IGBT和IPM分为单单元和双单元，3只双单元模块可构成三相逆变器主电路，
        1.2IGBT轨道车辆在供电系统中的应用
        轨道车辆中广泛采用IGBT模块构成牵引变流器以及辅助电源系统的恒压恒频（CVCF）逆变器。国外的地铁或轻轨车辆辅助系统都采用方案多样的IGBT器件。德国针对机车牵引需开发适用于750V电网的1.7kVIGBT和用于1500V电网的3.3kVIGBT模块，简化了牵引逆变器主电路的结构。日本的700系电动车组的三点式主变流器，采用大功率平板型IGBT（2500V/1800A），整流器和逆变器的每个桥臂可用1个IGBT元件，从而使IGBT组件在得到简化的同时，功率单元总体结构也变得紧凑。我国引进法国Alstom公司的200km/h动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6500V/600A的IGBT器件，辅助变流器采用开关频率为1950Hz的PWM技术，由3台双IGBT和相关反并联二极管组成，每台双IGBT组成三相中的一相；上海轨道交通3号线车辆是其辅助系统由电压等级为330V的IGBT构成2点式逆变器直接逆变；广州地铁1号线车辆上的辅助系统采用IGBT双重直-直变换器带高频变压器实现电气隔离；深圳地铁一期采用6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用于制动斩波器的IGBT模块完成牵引逆变功能；天津滨海动车组主电路采用IGBT电压型三相直-交逆变器，辅助电源的逆变器采用IGBT元件的逆变器，开关容量为3300V/800A。
        2、IGBT在DC600V中的应用
        2．1DC600V客车供电系统简介
        DC600V空调客车供电系统采用机车集中整流，客车分散逆变方式，构成了整个列车的交-直-交变流供电系统。工作过程为：电力机车将25kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC600V后给客车供电，客车根据用电设备的需要，将机车提供的DC600V变换成单、三相交流电及DC110V。系统采用两套独立供电，具有一定的冗余。
        2.2IGBT在DC600V供电系统逆变器中的应用
        空调客车使用2个由IGBT模块组成的35kW逆变器供电，逆变器主电路原理如图3所示，主要由下功能模块构成：
        （1）由KM1、KM3电磁接触器组成的输入输出隔离电路，主要功能是在逆变器、输入电路或输出负载发生故障时实施隔离，防止故障扩散。
        （2）由滤波电容C1，C2组成的中间支撑电路，主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。由于逆变器功率较大，因此滤波电容的容量较大，一般使用电解电容。由于电容自身参数的离散，使得串联的2只电电压无法完全一致，采用电容两端并联均压电阻的方法，图3中的R1、R2，其另一个作用是在逆变器停止工作时，放掉电容器的电荷。
        （3）由R0和KM2组成的缓冲电路，工作原理为：在输入端施加电压时，先通过缓冲电阻R0对电容充电。当电容电压充到一定值时（比如540V），KM2吸合，将R0短路。只有电阻R0短路，三相逆变电路才能启动工作。
        （4）由L1～L3和C1～C3组成的交流滤波电路，可将逆变器输出的PWM波变成准正弦波。

        图3 DC 600 V 逆变器主电路原理图
        3、IGBT在DC600V供电系统中的保护
        由于IGBT的耐过压和耐过流能力较差，一旦出现意外就会损坏，因此必须对IGBT进行保护，客车DC600V供电系统逆变器的IGBT模块有过压、欠压保护，过流、过载、过热等保护功能。
        3.1过压和欠压保护。
        使用IGBT作开关时，由于主回路的电流突变，加到IGBT集电-发射间容易产生高直流电压和浪涌尖峰电压。直流过电压的产生是输入交流电或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决方法是在选取IGBT时进行降额设计；也可在检测出过压时分断IGBT的输入，IGBT的安全。目前，针对浪涌尖峰电压采取的措施有：
        （1）在工作电流较大时，为减小关断过电压，应尽量使主电路的布线电感降到最小；
        （2）设置RCD缓冲电路吸收保护网络，增加的缓冲二极管使缓冲电阻增大，避免导通时IGBT功能受阻的问题。
        对于由接触网电压的波动而造成的输出欠压，逆变器可以不停止工作，而是采取降频降压的方式，即当输入电压低于540V时，逆变器按照Y/F=C（常数）的规律降频降压工作。
        3.2过流与过载保护
        空调客车的IGBT模块逆变器具备承受电动机负载突加与突减的能力；当输出侧和负载发生短路时，逆变器能立即封锁脉冲输出，并停止工作，IGBT产生过电流的原因有晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰引起的误动、输线接错或绝缘损坏等形成短路、逆变桥的桥臂短路等。IGBT承受过电流的时间仅为几微秒。通常采取的过流保护措施有软关断和降低栅极电压两种。
        3.3过热保护
        当逆变器的散热器温度超过允许温度时，散热器的热保护继电器给出信号让逆变器的控制电路自动封锁脉冲，停止工作。通常流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故器件的损耗较大。若热量不能及时散掉，器件的结温将会超过最大值125℃，IGBT就可能损坏。散热一般是采用散热器，可进行强迫冷却。实际应用中，采用普通散热器与强迫冷却相结合的措施，并在散热器上安装温度开关，可在靠近IGBT处加装一温度继电器，以检测IGBT的工作温度。同时，控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入，以保护其安全。
        4、结语
        IGBT模块开关具有损耗小、模块结构便于组装、开关转换均匀等优点，已越来越多地应用在铁路客车供电系统中。在应用IGBT时，应根据实际情况对过流、过压、过热等采取有效保护措施，以保证IGBT安全可靠地运行。
        参考文献：
        [1]张立伟.交流牵引用变流器及其相关技术展望[J].变频器世界，2008（5）：34-40.
        [2]李荣.基于IGBT的静止无功发生装置研究[J].科技信息（科学教研），2008（7）：213-215.