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文章詳情
IGBT模塊在列車供電系統(tǒng)中的應(yīng)用及保護
日期：2025-08-03 13:28
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摘要：
2O世紀8O年代初發(fā)展起來的新型復合元件——IGBT（絕緣柵雙極晶體管Insulated Gate BipolarTransistor）是一種新型的電力半導體元件。作為一種電壓控制型功率元件，IGBT所需驅(qū)動功率小，控制電路簡單，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)實現(xiàn)IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個P導通區(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）。 其主體部分與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
IGBT兼具了大功率晶體管GTR和MOSFET的優(yōu)點，既具有MOSFET 的高速、高輸入阻抗、易驅(qū)動的長處，又兼有GTR 的通態(tài)壓降低、耐壓高、可承受大電壓的優(yōu)點。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)特點是開關(guān)速度比GTO要高出10倍；模塊結(jié)構(gòu)便于組裝，簡化了裝置結(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)簡單，便于標定變流器功率等級；作為電壓驅(qū)動型元件，只需簡單的控制電路來實現(xiàn)良好的保護功能。目前，由IGBT基本組合單元與驅(qū)動、保護及報警電路共同構(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模塊的電壓等級范圍為1200V～6500V。
2．1 IGBT在國外列車供電系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展
*初，德國將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，德國和日本又將400A／1200VIGBT構(gòu)成的三點式逆變器（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，這簡化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)，仍可使用二點式逆變器。在近期交流網(wǎng)壓下，機車上的中間電路電壓取2．6kV～2．8kV，可使用阻斷電壓等級為4．5kV的IGBT構(gòu)成二點式逆變器（原理如圖3所示），以提高機車運行的可靠性。國外生產(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在動車組中的應(yīng)用
日本用于700系電動車組的三點式主 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(jié)構(gòu)也變得緊湊。于2004年投入運營的800系，使用電壓和電壓波形無畸變的三點式調(diào)制控制方式，整流和逆變器均使用IGBT高速開關(guān)元件。
我國引進法國Alstom公司的200km／h動車組中，用IGBT構(gòu)成二點式逆變器。主變流器的開關(guān)元件使用了目前耐壓高達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臺雙IGBT和相關(guān)反并聯(lián)二極管組成，每臺雙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功能的智能方向發(fā)展。
2．3 IGBT在我國城市軌道車輛中的應(yīng)用
上海軌道交通3號線車輛是由Alstom公司制造的，其輔助系統(tǒng)由電壓等級為330V的IGBT構(gòu)成二點式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號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現(xiàn)電氣隔離；深圳地鐵一期使用6個用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個用作制動斬波器的IGBT模塊來完成牽引逆變功能；天津濱海動車組主電路使用二點式IGBT電壓型三相直一交逆變器（主要由6個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)壓波動范圍并輔助電源輸出穩(wěn)定或波動小的三相對稱電壓，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，其性價比高，而且對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IGBT的保護
在實際應(yīng)用中，由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會損壞，所以必須對IGBT進行保護，主要包括過流、過壓與過熱保護。
3．1 過流保護
IGBT產(chǎn)生過電壓的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、逆變橋的橋臂短路等。IG—BT承受過電壓的時間僅為幾微秒，因此使用IGBT要考慮過流保護。通常采取的過流保護措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓2種。
軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作，往往啟動了保護電路，元件仍會被損壞。降低柵極電壓則是在檢測到元件過流信號時，立即將柵極電壓降到某一電平，此時元件仍維持導通，使過電壓值不能達到*大短路峰值，這樣就可避免IGBT出現(xiàn)鎖定損壞。若延時后故障信號仍然存在，則關(guān)斷元件；若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復正常的工作狀態(tài)，大大增強了抗騷擾能力。降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電壓大小的關(guān)系。而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，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，因此可以通過檢測飽和壓降來判斷IGBT是否處于過電壓狀態(tài)。IGBT可以承受短時間內(nèi)的短路電壓，承受時問長短與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間會延長，短路電壓也會減小，但這必須在發(fā)生封鎖之前。因此，可以通過降低柵壓對IGBT進行過電壓保護。
3．2 過壓保護
IGBT開關(guān)時，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時進行降額設(shè)計；另外，可在檢測出過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的**。而針對浪涌尖峰電壓采取的措施有：（1）在工作電壓較大時，為減小關(guān)斷過電壓，應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到*小；（2）設(shè)置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護網(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IGBT功能受阻的問題。
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瞬時過電壓進行抑制。當IGBT導通時，由于二極管的作用，電容器的電荷不會被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時，負載電壓仍流過IGBT，直到IGBT集一射極之間的電壓達到電源電壓，續(xù)流二極管導通。應(yīng)用該電路可以使雜散電感中的能量通過二極管轉(zhuǎn)儲到吸收電容器中，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以一個換流電路為例，顯示了在功率半導體主電路端子之間不同類型的過電壓。
3．3 過熱保護
通常流過IGBT的電壓較大，開關(guān)頻率較高，故元件的損耗較大。若熱量不能及時散掉，元件的結(jié)溫將會超過*大值125℃ ，IGBT就可能損壞。因此需使用有效的散熱措施對其進行過熱保護。
散熱一般是使用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），且可進行強迫風冷。在實際應(yīng)用中，使用了普通散熱器與強迫風冷相結(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IGBT的工作溫度。同時，控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其**。
4 結(jié)束語
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，已越來越多地應(yīng)用在列車供電系統(tǒng)中。在應(yīng)用IGBT時，應(yīng)根據(jù)實際情況對過流、過壓、過熱等采取有效的保護措施，以保證IGBT**可靠地運行。
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)實現(xiàn)IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個P導通區(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）。 其主體部分與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
IGBT兼具了大功率晶體管GTR和MOSFET的優(yōu)點，既具有MOSFET 的高速、高輸入阻抗、易驅(qū)動的長處，又兼有GTR 的通態(tài)壓降低、耐壓高、可承受大電壓的優(yōu)點。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)特點是開關(guān)速度比GTO要高出10倍；模塊結(jié)構(gòu)便于組裝，簡化了裝置結(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)簡單，便于標定變流器功率等級；作為電壓驅(qū)動型元件，只需簡單的控制電路來實現(xiàn)良好的保護功能。目前，由IGBT基本組合單元與驅(qū)動、保護及報警電路共同構(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模塊的電壓等級范圍為1200V～6500V。
2．1 IGBT在國外列車供電系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展
*初，德國將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，德國和日本又將400A／1200VIGBT構(gòu)成的三點式逆變器（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，這簡化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)，仍可使用二點式逆變器。在近期交流網(wǎng)壓下，機車上的中間電路電壓取2．6kV～2．8kV，可使用阻斷電壓等級為4．5kV的IGBT構(gòu)成二點式逆變器（原理如圖3所示），以提高機車運行的可靠性。國外生產(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在動車組中的應(yīng)用
日本用于700系電動車組的三點式主 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(jié)構(gòu)也變得緊湊。于2004年投入運營的800系，使用電壓和電壓波形無畸變的三點式調(diào)制控制方式，整流和逆變器均使用IGBT高速開關(guān)元件。
我國引進法國Alstom公司的200km／h動車組中，用IGBT構(gòu)成二點式逆變器。主變流器的開關(guān)元件使用了目前耐壓高達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臺雙IGBT和相關(guān)反并聯(lián)二極管組成，每臺雙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功能的智能方向發(fā)展。
2．3 IGBT在我國城市軌道車輛中的應(yīng)用
上海軌道交通3號線車輛是由Alstom公司制造的，其輔助系統(tǒng)由電壓等級為330V的IGBT構(gòu)成二點式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號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現(xiàn)電氣隔離；深圳地鐵一期使用6個用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個用作制動斬波器的IGBT模塊來完成牽引逆變功能；天津濱海動車組主電路使用二點式IGBT電壓型三相直一交逆變器（主要由6個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)壓波動范圍并輔助電源輸出穩(wěn)定或波動小的三相對稱電壓，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，其性價比高，而且對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IGBT的保護
在實際應(yīng)用中，由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會損壞，所以必須對IGBT進行保護，主要包括過流、過壓與過熱保護。
3．1 過流保護
IGBT產(chǎn)生過電壓的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、逆變橋的橋臂短路等。IG—BT承受過電壓的時間僅為幾微秒，因此使用IGBT要考慮過流保護。通常采取的過流保護措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓2種。
軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作，往往啟動了保護電路，元件仍會被損壞。降低柵極電壓則是在檢測到元件過流信號時，立即將柵極電壓降到某一電平，此時元件仍維持導通，使過電壓值不能達到*大短路峰值，這樣就可避免IGBT出現(xiàn)鎖定損壞。若延時后故障信號仍然存在，則關(guān)斷元件；若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復正常的工作狀態(tài)，大大增強了抗騷擾能力。降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電壓大小的關(guān)系。而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，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，因此可以通過檢測飽和壓降來判斷IGBT是否處于過電壓狀態(tài)。IGBT可以承受短時間內(nèi)的短路電壓，承受時問長短與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間會延長，短路電壓也會減小，但這必須在發(fā)生封鎖之前。因此，可以通過降低柵壓對IGBT進行過電壓保護。
3．2 過壓保護
IGBT開關(guān)時，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時進行降額設(shè)計；另外，可在檢測出過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的**。而針對浪涌尖峰電壓采取的措施有：（1）在工作電壓較大時，為減小關(guān)斷過電壓，應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到*小；（2）設(shè)置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護網(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IGBT功能受阻的問題。
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瞬時過電壓進行抑制。當IGBT導通時，由于二極管的作用，電容器的電荷不會被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時，負載電壓仍流過IGBT，直到IGBT集一射極之間的電壓達到電源電壓，續(xù)流二極管導通。應(yīng)用該電路可以使雜散電感中的能量通過二極管轉(zhuǎn)儲到吸收電容器中，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以一個換流電路為例，顯示了在功率半導體主電路端子之間不同類型的過電壓。
3．3 過熱保護
通常流過IGBT的電壓較大，開關(guān)頻率較高，故元件的損耗較大。若熱量不能及時散掉，元件的結(jié)溫將會超過*大值125℃ ，IGBT就可能損壞。因此需使用有效的散熱措施對其進行過熱保護。
散熱一般是使用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），且可進行強迫風冷。在實際應(yīng)用中，使用了普通散熱器與強迫風冷相結(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IGBT的工作溫度。同時，控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其**。
4 結(jié)束語
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，已越來越多地應(yīng)用在列車供電系統(tǒng)中。在應(yīng)用IGBT時，應(yīng)根據(jù)實際情況對過流、過壓、過熱等采取有效的保護措施，以保證IGBT**可靠地運行。
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