IGBT模块在列车供电系统中的应用及保护

摘 要：介绍了IGBT模块的结构、特点及其在列车供电系统中的应用，探讨了对IGBT的保护问题。
关键词：IGBT；应用；保护
　　2O世纪8O年代初发展起来的新型复合器件——IGBT（绝缘栅双极晶体管Insulated Gate BipolarTransistor）是一种新型的电力半导体器件。作为一种电压控制型功率器件，IGBT所需驱动功率小，控制电路简单，通态压降低，且具有较大的安全工作区和短路承受能力。
1 IGBT及其功率模块
1．1 IGBT的结构
　　IGBT采用沟槽结构，以减小通态压降，改善其频率特性，并采用NPT（Non Punch Through）技术实现IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一个P导通区，控制极的结构与MOSFET相同，是绝缘栅结构，也称栅极（G）。　　其主体部分与GTR相同，也有集电极（C）和发射极（E）。图1所示为n沟道增强型垂直式IGBT的结构和功能，具有非穿通式NPT结构，栅极为平面式。目前，除了图1所示的非穿通式结构外，穿通式PT（PunchThrough）结构的IGBT也得到了应用，最初的IGBT就是基于后者形成的。

1．2 IGBT的特点
　　IGBT兼具了大功率晶体管GTR和MOSFET的优点，既具有MOSFET 的高速、高输入阻抗、易驱动的长处，又兼有GTR 的通态压降低、耐压高、可承受大电流的优点。在大功率电力电子器件的应用中，IG—BT已逐步取代GTO和MOSFET成为主流器件。IGBT的技术特点是开关速度比GTO要高出10倍；模块结构便于组装，简化了装置结构；开关转换均匀，提高了其稳定性和可靠性；并联简单，便于标定变流器功率等级；作为电压驱动型器件，只需简单的控制电路来实现良好的保护功能。目前，由IGBT基本组合单元与驱动、保护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。
2 IGBT的应用
　　在轨道车辆中，广泛采用了IGBT模块来构成牵引变流器以及辅助电源系统的恒压恒频（CVCF）逆变器。IGBT模块的电压等级范围为1200V～6500V。
2．1 IGBT在国外列车供电系统中的应用与发展
　　　　最初，德国将300A／1200VIGBT构成几百千伏安的逆变器，取代了工业通用变频器中的双极型晶体管，用于网压为750V的有轨电车上。之后不久，德国和日本又将400A／1200VIGBT构成的三点式逆变器（原理如图2所示）用于750V和1500V电网。在中期阶段，针对牵引需要开发了适用于750V电网的1．7kVIGBT和用于1500V电网的3．3kVIG—BT模块，也称其为高压IGBT，这简化了牵引逆变器主电路的结构，仍可采用二点式逆变器。在近期交流网压下，机车上的中间电路电压取2．6kV～2．8kV，可采用阻断电压等级为4．5kV的IGBT构成二点式逆变器（原理如图3所示），以提高机车运行的可靠性。国外生产的地铁或轻轨车辆辅助系统几乎都采用IGBT器件，并且方案多样。


2．2 IGBT在动车组中的应用
　　日本用于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。于2004年投入运营的800系，采用电压和电流波形无畸变的三点式调制控制方式，整流和逆变器均使用IGBT高速开关元件。
　　我国引进法国Alstom公司的200km／h动车组中，用IGBT构成二点式逆变器。主变流器的开关元件使用了目前耐压高达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组成三相中的一支。
　　今后，IGBT将向高耐压和开关频率、低损耗以及具有集成保护功能的智能方向发展。
2．3 IGBT在我国城市轨道车辆中的应用
　　上海轨道交通3号线车辆是由Alstom公司制造的，其辅助系统由电压等级为330V的IGBT构成二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双重直一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个用作制动斩波器的IGBT模块来完成牵引逆变功能；天津滨海动车组主电路采用二点式IGBT电压型三相直一交逆变器（主要由6个IGBT模块等组成），辅助电源的静止逆变器采用IGBT元件的电压型逆变器，开关容量为3300V／800A。
　　随着城市轨道交通供电网压制的发展，为了符合网压波动范围并辅助电源输出稳定或波动小的三相对称电压，采用了三电平逆变器。例如在DC750V、DC1500V网压下，城市轨道车辆上的静止辅助电源采用1200V高压绝缘栅双极型晶体管（HVIGBT）构成三电平逆变器，其性价比高，而且对晶体管的电压裕量也较大。2000年后又出现了1700V／2400A、3300V／1200A和6500V／600A的HVIGBT，并很快应用于城市地铁轻轨车辆中。
3 对IGBT的保护
　　在实际应用中，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，所以必须对IGBT进行保护，主要包括过流、过压与过热保护。
3．1 过流保护
　　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等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、逆变桥的桥臂短路等。IG—BT承受过电流的时间仅为几微秒，因此使用IGBT要考虑过流保护。通常采取的过流保护措施有软关断和降低栅极电压2种。
　　软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流和短路信号就关断，很容易发生误动作，往往启动了保护电路，器件仍会被损坏。降低栅极电压则是在检测到器件过流信号时，立即将栅极电压降到某一电平，此时器件仍维持导通，使过电流值不能达到最大短路峰值，这样就可避免IGBT出现锁定损坏。若延时后故障信号仍然存在，则关断器件；若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，大大增强了抗骚扰能力。降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系。而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的换流速度（di／dt）。
　　IGBT集电极电流与饱和压降基本成线性关系，因此可以通过检测饱和压降来判断IGBT是否处于过电流状态。IGBT可以承受短时间内的短路电流，承受时问长短与IGBT门极电压有关系。若门极电压降低，则IGBT能承受的短路电流时间会延长，短路电流也会减小，但这必须在发生封锁之前。因此，可以通过降低栅压对IGBT进行过电流保护。
3．2 过压保护
　　IGBT开关时，由于主回路的电流突变，施加到IGBT集电极一发射极间容易产生很高的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源或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；另外，可在检测出过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。而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（D指二极管）缓冲电路吸收保护网络（见图4），增加的缓冲二极管使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。

该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗P为：

式中：L— 主电路中的分布电感；
I一IGBT判断时的集电极电流；
f—IGBT的开关频率；
C— 缓冲电容；
Ud— 直流电压值。
　　除以上方法外，也可采用箝位式吸收电路对瞬时过电压进行抑制。当IGBT导通时，由于二极管的作用，电容器的电荷不会被放掉，电容器电压仍为电源电压。IGBT关断时，负载电流仍流过IGBT，直到IGBT集一射极之间的电压达到电源电压，续流二极管导通。应用该电路可以使杂散电感中的能量通过二极管转储到吸收电容器中，而IGBT的集电极电位被箝位在电容电压上，这样亦可抑制IGBT集电极的尖峰电压。图5以一个换流电路为例，显示了在功率半导体主电路端子之间不同类型的过电压。

3．3 过热保护
　　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。因此需采用有效的散热措施对其进行过热保护。
　　散热一般是采用散热器（包括普通散热器与热管散热器），且可进行强迫风冷。在实际应用中，采用了普通散热器与强迫风冷相结合的措施，并在散热器上安装温度开关。散热器的结构设计应满足：

式中： —IGBT的工作结温；
— 损耗功率；
— 结一壳热阻；
— 壳一散热器热阻；
— 散热器热阻；
—IGBT的最高结温。
　　因受设备体积、重量等的限制，散热系统要有所限制。可以在靠近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 结束语
　　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列车供电系统中。在应用IGBT时，应根据实际情况对过流、过压、过热等采取有效的保护措施，以保证IGBT安全可靠地运行。