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IGBT模塊在列車供電系統(tǒng)中的應(yīng)用及保護(hù)
     2O世紀(jì)8O年代初發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合元件——IGBT（絕緣柵雙極晶體管Insulated Gate BipolarTransistor）是一種新型的電力半導(dǎo)體元件。作為一種電壓控制型功率元件，IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，通態(tài)壓降低，且具有較大的**工作區(qū)和短路承受能力。
1 IGBT及其功率模塊
1．1 IGBT的結(jié)構(gòu)
　　IGBT使用溝槽結(jié)構(gòu)，以減小通態(tài)壓降，改善其頻率特性，并使用NPT（Non Punch Through）技術(shù)實(shí)現(xiàn)IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個(gè)P導(dǎo)通區(qū)，控制極的結(jié)構(gòu)與MOSFET相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)，也稱柵極（G）?！　∑渲黧w部分與GTR相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E）。圖1所示為n溝道增強(qiáng)型垂直式IGBT的結(jié)構(gòu)和功能，具有非穿通式NPT結(jié)構(gòu)，柵極為平面式。目前，除了圖1所示的非穿通式結(jié)構(gòu)外，穿通式PT（PunchThrough）結(jié)構(gòu)的IGBT也得到了應(yīng)用，*初的IGBT就是基于后者形成的。

1．2 IGBT的特點(diǎn)
　　IGBT兼具了大功率晶體管GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET 的高速、高輸入阻抗、易驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)處，又兼有GTR 的通態(tài)壓降低、耐壓高、可承受大電壓的優(yōu)點(diǎn)。在大功率電力電子元件的應(yīng)用中，IG—BT已逐步取代GTO和MOSFET成為主流元件。IGBT的技術(shù)特點(diǎn)是開關(guān)速度比GTO要高出10倍；模塊結(jié)構(gòu)便于組裝，簡(jiǎn)化了裝置結(jié)構(gòu)；開關(guān)轉(zhuǎn)換均勻，提高了其穩(wěn)定性和可靠性；并聯(lián)簡(jiǎn)單，便于標(biāo)定變流器功率等級(jí)；作為電壓驅(qū)動(dòng)型元件，只需簡(jiǎn)單的控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的保護(hù)功能。目前，由IGBT基本組合單元與驅(qū)動(dòng)、保護(hù)及報(bào)警電路共同構(gòu)成的智能功率模塊（IPM）已成為IGBT智能化的發(fā)展方向。
2 IGBT的應(yīng)用
　　在 軌道車輛 中，廣泛使用了IGBT模塊來(lái)構(gòu)成牽引變流器以及輔助電源系統(tǒng)的恒壓恒頻（CVCF）逆變器。IGBT模塊的電壓等級(jí)范圍為1200V～6500V。
2．1 IGBT在國(guó)外列車供電系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展
　　　　*初，德國(guó)將300A／1200VIGBT構(gòu)成幾百千伏安的逆變器，取代了工業(yè) 通用變頻器 中的雙極型晶體管，用于網(wǎng)壓為750V的有軌電車上。之后不久，德國(guó)和日本又將400A／1200VIGBT構(gòu)成的三點(diǎn)式逆變器（原理如圖2所示）用于750V和1500V電網(wǎng)。在中期階段，針對(duì)牽引需要開發(fā)了適用于750V電網(wǎng)的1．7kVIGBT和用于1500V電網(wǎng)的3．3kVIG—BT模塊，也稱其為高壓IGBT，這簡(jiǎn)化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)，仍可使用二點(diǎn)式逆變器。在近期交流網(wǎng)壓下，機(jī)車上的中間電路電壓取2．6kV～2．8kV，可使用阻斷電壓等級(jí)為4．5kV的IGBT構(gòu)成二點(diǎn)式逆變器（原理如圖3所示），以提高機(jī)車運(yùn)行的可靠性。國(guó)外生產(chǎn)的地鐵或輕軌車輛輔助系統(tǒng)幾乎都使用IGBT元件，并且方案多樣。



2．2 IGBT在動(dòng)車組中的應(yīng)用
　　日本用于700系電動(dòng)車組的三點(diǎn)式主 變流器 ，使用大功率平板型IGBT（2500V／1800A），整流器和逆變器的每個(gè)橋臂可用1個(gè)IGBT元件，從而使IGBT組件在得到簡(jiǎn)化的同時(shí)，功率單元總體結(jié)構(gòu)也變得緊湊。于2004年投入運(yùn)營(yíng)的800系，使用電壓和電壓波形無(wú)畸變的三點(diǎn)式調(diào)制控制方式，整流和逆變器均使用IGBT高速開關(guān)元件。
　　我國(guó)引進(jìn)法國(guó)Alstom公司的200km／h動(dòng)車組中，用IGBT構(gòu)成二點(diǎn)式逆變器。主變流器的開關(guān)元件使用了目前耐壓高達(dá)6500V／600A的IGBT元件。輔助變流器使用開關(guān)頻率為1950Hz的PWM技術(shù)，由3臺(tái)雙IGBT和相關(guān)反并聯(lián)二極管組成，每臺(tái)雙IGBT組成三相中的一支。
　　今后，IGBT將向高耐壓和開關(guān)頻率、低損耗以及具有集成保護(hù)功能的智能方向發(fā)展。
2．3 IGBT在我國(guó)城市軌道車輛中的應(yīng)用
　　上海軌道交通3號(hào)線車輛是由Alstom公司制造的，其輔助系統(tǒng)由電壓等級(jí)為330V的IGBT構(gòu)成二點(diǎn)式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號(hào)線車輛上的輔助系統(tǒng)使用IGBT雙重直一直變換器帶高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離；深圳地鐵一期使用6個(gè)用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個(gè)用作制動(dòng)斬波器的IGBT模塊來(lái)完成牽引逆變功能；天津?yàn)I海動(dòng)車組主電路使用二點(diǎn)式IGBT電壓型三相直一交逆變器（主要由6個(gè)IGBT模塊等組成），輔助電源的靜止逆變器使用IGBT元件的電壓型逆變器，開關(guān)容量為3300V／800A。
　　隨著城市軌道交通供電網(wǎng)壓制的發(fā)展，為了符合網(wǎng)壓波動(dòng)范圍并輔助電源輸出穩(wěn)定或波動(dòng)小的三相對(duì)稱電壓，使用了三電平逆變器。例如在DC750V、DC1500V網(wǎng)壓下，城市軌道車輛上的靜止輔助電源使用1200V高壓絕緣柵雙極型晶體管（HVIGBT）構(gòu)成三電平逆變器，其性價(jià)比高，而且對(duì)晶體管的電壓裕量也較大。2000年后又出現(xiàn)了1700V／2400A、3300V／1200A和6500V／600A的HVIGBT，并很快應(yīng)用于城市地鐵輕軌車輛中。
3 對(duì)IGBT的保護(hù)
　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于IGBT的耐過(guò)壓和耐過(guò)流能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)損壞，所以必須對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，主要包括過(guò)流、過(guò)壓與過(guò)熱保護(hù)。
3．1 過(guò)流保護(hù)
　　IGBT產(chǎn)生過(guò)電壓的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、逆變橋的橋臂短路等。IG—BT承受過(guò)電壓的時(shí)間僅為幾微秒，因此使用IGBT要考慮過(guò)流保護(hù)。通常采取的過(guò)流保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓2種。
　　軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測(cè)到過(guò)流和短路信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作，往往啟動(dòng)了保護(hù)電路，元件仍會(huì)被損壞。降低柵極電壓則是在檢測(cè)到元件過(guò)流信號(hào)時(shí)，立即將柵極電壓降到某一電平，此時(shí)元件仍維持導(dǎo)通，使過(guò)電壓值不能達(dá)到*大短路峰值，這樣就可避免IGBT出現(xiàn)鎖定損壞。若延時(shí)后故障信號(hào)仍然存在，則關(guān)斷元件；若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電壓大小的關(guān)系。而在實(shí)際過(guò)程中，降柵壓的速度也是一個(gè)重要因素，它直接決定了故障電壓下降的換流速度（di／dt）。
　　IGBT集電極電壓與飽和壓降基本成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)檢測(cè)飽和壓降來(lái)判斷IGBT是否處于過(guò)電壓狀態(tài)。IGBT可以承受短時(shí)間內(nèi)的短路電壓，承受時(shí)問(wèn)長(zhǎng)短與IGBT門極電壓有關(guān)系。若門極電壓降低，則IGBT能承受的短路電壓時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，短路電壓也會(huì)減小，但這必須在發(fā)生封鎖之前。因此，可以通過(guò)降低柵壓對(duì)IGBT進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。
3．2 過(guò)壓保護(hù)
　　IGBT開關(guān)時(shí)，由于主回路的電壓突變，施加到IGBT集電極一發(fā)射極間容易產(chǎn)生很高的直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過(guò)電壓的產(chǎn)生是輸入交流電源或IGBT的前**輸入發(fā)生異常所致。解決方法是在選取IGBT時(shí)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)；另外，可在檢測(cè)出過(guò)壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，保證IGBT的**。而針對(duì)浪涌尖峰電壓采取的措施有：（1）在工作電壓較大時(shí)，為減小關(guān)斷過(guò)電壓，應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到*??；（2）設(shè)置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護(hù)網(wǎng)絡(luò)（見圖4），增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大，避開了開通時(shí)IGBT功能受阻的問(wèn)題。

該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗P為：

式中：L— 主電路中的分布電感；
I一IGBT判斷時(shí)的集電極電壓；
f—IGBT的開關(guān)頻率；
C— 緩沖電容；
Ud— 直流電壓值。
　　除以上方法外，也可使用箝位式吸收電路對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓進(jìn)行抑制。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，由于二極管的作用，電容器的電荷不會(huì)被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電壓仍流過(guò)IGBT，直到IGBT集一射極之間的電壓達(dá)到電源電壓，續(xù)流二極管導(dǎo)通。應(yīng)用該電路可以使雜散電感中的能量通過(guò)二極管轉(zhuǎn)儲(chǔ)到吸收電容器中，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上，這樣亦可抑制IGBT集電極的尖峰電壓。圖5以一個(gè)換流電路為例，顯示了在功率半導(dǎo)體主電路端子之間不同類型的過(guò)電壓。

3．3 過(guò)熱保護(hù)
　　通常流過(guò)IGBT的電壓較大，開關(guān)頻率較高，故元件的損耗較大。若熱量不能及時(shí)散掉，元件的結(jié)溫將會(huì)超過(guò)*大值125℃ ，IGBT就可能損壞。因此需使用有效的散熱措施對(duì)其進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。
　　散熱一般是使用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），且可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。在實(shí)際應(yīng)用中，使用了普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關(guān)。散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：

式中： —IGBT的工作結(jié)溫；
— 損耗功率；
— 結(jié)一殼熱阻；
— 殼一散熱器熱阻；
— 散熱器熱阻；
—IGBT的*高結(jié)溫。
　　因受設(shè)備體積、重量等的限制，散熱系統(tǒng)要有所限制。可以在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器，以檢測(cè)IGBT的工作溫度。同時(shí)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)生異常時(shí)切斷IGBT的輸入，以保護(hù)其**。
4 結(jié)束語(yǔ)
　　IGBT模塊開關(guān)具有損耗小、模塊結(jié)構(gòu)便于組裝、開關(guān)轉(zhuǎn)換均勻等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地應(yīng)用在列車供電系統(tǒng)中。在應(yīng)用IGBT時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等采取有效的保護(hù)措施，以保證IGBT**???靠地運(yùn)行。

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