IGBT在客车DC600V系统逆变器中的应用与保护

IGBT综述

1．1 IGBT的结构特点

IGBT是大功率、集成化的“绝缘栅双极晶体管”(Insulated Gate Bipolar Transistor)。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NFT技术实现IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作为输入部分，其特性与N沟道增强型。MOS器件的转移特性相似，形成电压型驱动模式，用GTR作为输出部件，导通压降低、容量大，不同的是IGBT的集电极IC受栅一射电压UCE的控制，导通、关断由栅一射电压UCE决定。



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。35 kW等级的DC 600 V逆变器一般采用1 200 V／300 A模块，IGBT和IPM分为单单元和双单元，3只双单元模块可构成i相逆变器主电路，如图2所示。



1．2 IGBT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750 V电网的1．7 kVIGBT和用于1 500 V电网的3．3 kV IGBT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(2 500 V／1 800 A)，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200 km／h动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6 500 V／600 A的IGBT器件，辅助变流器采用开关频率为1 950 Hz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330 V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电压型三相直一交逆变器，辅助电源的逆变器采用IGBT元件的逆变器，开关容量为3 300 V／800 A。

2 IGBT在DC 600 V中的应用

2．1 DC 600 V客车供电系统简介

DC 600 V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一直一交变流供电系统。工作过程为：电力机车将25 kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC 600 V后给客车供电，客车根据用电设备的需要，将机车提供的DC 600 V变换成单、三相交流电及DC 110 V。系统采用两套独立供电。具有一定的冗余，客车供电的基本原理图如图3所示。



2．2 IGBT在DC 600 V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35 kW逆变器供电，逆变器主电路原理如图4所示，主要由下功能模块构成：



(1)由KMl、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只电容电压无法完全一致．采用电容两端并联均压电阻的方法，图4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540 V)，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。

(5)由V1～V6组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心电路。图4为三相逆变器的主电路图，输入端为A、B，输出为U、V、W。图5中V1～V6的导通顺序，阴影部分为各个IGBT的导通时间。每一格的时间为π／3，三相线电压的波形如图5所示。



由图4看出，U、V、W三者之间的相位差为2π／3，幅值与直流电压Ud相等。由此可见，只要按照一定的顺序控制6个逆变器的导通与截止，就可把直流电逆变成三相交流电。

(6)如果将方波电压按照正弦波的规律调制成一系列脉冲，即使脉冲系列的占空比按正弦规律排列，当正弦值为最大时，脉冲的宽度也最大；反之，当正弦值为最小时．脉冲的宽度也最小，把脉冲的宽度调制的越细．即一个周期内脉冲的个数越多，调制后输出的波形越好，电动机负载的电流波形越接近于正弦波，图6为负载波形。