IGBT在客車DC 600 V系統逆變器中的應用與保護

IGBT綜述
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。