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IGBT模块在列车供电系统中的应用及保护

www.cechina.cn2009.05.20阅读 18669

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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。

IGBT单元

  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~2.8kVCONTROL ENGINEERING China版权所有,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。

三点式逆变器

 

二点式逆变器

   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控制工程网版权所有,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控制工程网版权所有,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

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