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(多图) IGBT在客车DC 600V系统逆变器中的应用与保护

西安铁路职业技术学院 史富强 王旭波?? 2009年08月04日 ?? 收藏0

  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。

N沟道增强型垂直式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。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。

IGBT等效电路

  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。

客车供电的基本原理图

  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:

逆变器主电路原理

  (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。

三相线电压的波形图


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