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文章詳情
IGBT模塊在列車供電系統中的應用及保護
日期：2025-12-16 00:17
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摘要：
2O世紀8O年代初發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所需驅動功率小，控制電路簡單，通態壓降低，且具有較大的**工作區和短路承受能力。
1 IGBT及其功率模塊
1．1 IGBT的結構
IGBT使用溝槽結構，以減小通態壓降，改善其頻率特性，并使用NPT（Non Punch Through）技術實現IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個P導通區，控制極的結構與MOSFET相同，是絕緣柵結構，也稱柵極（G）。 其主體部分與GTR相同，也有集電極（C）和發射極（E）。圖1所示為n溝道增強型垂直式IGBT的結構和功能，具有非穿通式NPT結構，柵極為平面式。目前，除了圖1所示的非穿通式結構外，穿通式PT（PunchThrough）結構的IGBT也得到了應用，*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的優點，既具有MOSFET 的高速、高輸入阻抗、易驅動的長處，又兼有GTR 的通態壓降低、耐壓高、可承受大電壓的優點。在大功率電力電子元件的應用中，IG—BT已逐步取代GTO和MOSFET成為主流元件。IGBT的技術特點是開關速度比GTO要高出10倍；模塊結構便于組裝，簡化了裝置結構；開關轉換均勻，提高了其穩定性和可靠性；并聯簡單，便于標定變流器功率等級；作為電壓驅動型元件，只需簡單的控制電路來實現良好的保護功能。目前，由IGBT基本組合單元與驅動、保護及報警電路共同構成的智能功率模塊（IPM）已成為IGBT智能化的發展方向。
2 IGBT的應用
在 軌道車輛 中，廣泛使用了IGBT模塊來構成牽引變流器以及輔助電源系統的恒壓恒頻（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中的應用與發展
*初，德國將300A／1200VIGBT構成幾百千伏安的逆變器，取代了工業 通用變頻器 中的雙極型晶體管，用于網壓為750V的有軌電車上。之后不久，德國和日本又將400A／1200VIGBT構成的三點式逆變器（原理如圖2所示）用于750V和1500V電網。在中期階段，針對牽引需要開發了適用于750V電網的1．7kVIGBT和用于1500V電網的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構，仍可使用二點式逆變器。在近期交流網壓下，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。國外生產的地鐵或輕軌車輛輔助系統幾乎都使用IGBT元件，并且方案多樣。
2．2 IGBT在動車組中的應用
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，功率單元總體結構也變得緊湊。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制控制方式，整流和逆變器均使用IGBT高速開關元件。
我國引進法國Alstom公司的200km／h動車組中，用IGBT構成二點式逆變器。主變流器的開關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頻率為1950Hz的PWM技術，由3臺雙IGBT和相關反并聯二極管組成，每臺雙IGBT組成三相中的一支。
今后，IGBT將向高耐壓和開關頻率、低損耗以及具有集成保護功能的智能方向發展。
2．3 IGBT在我國城市軌道車輛中的應用
上海軌道交通3號線車輛是由Alstom公司制造的，其輔助系統由電壓等級為330V的IGBT構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使用IGBT雙重直一直變換器帶高頻變壓器實現電氣隔離；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，開關容量為3300V／800A。
隨著城市軌道交通供電網壓制的發展，為了符合網壓波動范圍并輔助電源輸出穩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年后又出現了1700V／2400A、3300V／1200A和6500V／600A的HVIGBT，并很快應用于城市地鐵輕軌車輛中。
3 對IGBT的保護
在實際應用中，由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現意外就會損壞，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產生過電壓的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅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斷和降低柵極電壓2種。
軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關斷，很容易發生誤動作，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出現鎖定損壞。若延時后故障信號仍然存在，則關斷元件；若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態，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。IGBT可以承受短時間內的短路電壓，承受時問長短與IGBT門極電壓有關系。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開關時，由于主回路的電壓突變，施加到IGBT集電極一發射極間容易產生很高的直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過電壓的產生是輸入交流電源或IGBT的前**輸入發生異常所致。解決方法是在選取IGBT時進行降額設計；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，為減小關斷過電壓，應盡量使主電路的布線電感降到*小；（2）設置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護網絡（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，續流二極管導通。應用該電路可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲到吸收電容器中，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。在實際應用中，使用了普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關。散熱器的結構設計應滿足：
式中： —IGBT的工作結溫；
— 損耗功率；
— 結一殼熱阻；
— 殼一散熱器熱阻；
— 散熱器熱阻；
—IGBT的*高結溫。
因受設備體積、重量等的限制，散熱系統要有所限制。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，控制執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其**。
4 結束語
IGBT模塊開關具有損耗小、模塊結構便于組裝、開關轉換均勻等優點，已越來越多地應用在列車供電系統中。在應用IGBT時，應根據實際情況對過流、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的結構
IGBT使用溝槽結構，以減小通態壓降，改善其頻率特性，并使用NPT（Non Punch Through）技術實現IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個P導通區，控制極的結構與MOSFET相同，是絕緣柵結構，也稱柵極（G）。 其主體部分與GTR相同，也有集電極（C）和發射極（E）。圖1所示為n溝道增強型垂直式IGBT的結構和功能，具有非穿通式NPT結構，柵極為平面式。目前，除了圖1所示的非穿通式結構外，穿通式PT（PunchThrough）結構的IGBT也得到了應用，*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的優點，既具有MOSFET 的高速、高輸入阻抗、易驅動的長處，又兼有GTR 的通態壓降低、耐壓高、可承受大電壓的優點。在大功率電力電子元件的應用中，IG—BT已逐步取代GTO和MOSFET成為主流元件。IGBT的技術特點是開關速度比GTO要高出10倍；模塊結構便于組裝，簡化了裝置結構；開關轉換均勻，提高了其穩定性和可靠性；并聯簡單，便于標定變流器功率等級；作為電壓驅動型元件，只需簡單的控制電路來實現良好的保護功能。目前，由IGBT基本組合單元與驅動、保護及報警電路共同構成的智能功率模塊（IPM）已成為IGBT智能化的發展方向。
2 IGBT的應用
在 軌道車輛 中，廣泛使用了IGBT模塊來構成牽引變流器以及輔助電源系統的恒壓恒頻（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中的應用與發展
*初，德國將300A／1200VIGBT構成幾百千伏安的逆變器，取代了工業 通用變頻器 中的雙極型晶體管，用于網壓為750V的有軌電車上。之后不久，德國和日本又將400A／1200VIGBT構成的三點式逆變器（原理如圖2所示）用于750V和1500V電網。在中期階段，針對牽引需要開發了適用于750V電網的1．7kVIGBT和用于1500V電網的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構，仍可使用二點式逆變器。在近期交流網壓下，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。國外生產的地鐵或輕軌車輛輔助系統幾乎都使用IGBT元件，并且方案多樣。
2．2 IGBT在動車組中的應用
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，功率單元總體結構也變得緊湊。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制控制方式，整流和逆變器均使用IGBT高速開關元件。
我國引進法國Alstom公司的200km／h動車組中，用IGBT構成二點式逆變器。主變流器的開關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頻率為1950Hz的PWM技術，由3臺雙IGBT和相關反并聯二極管組成，每臺雙IGBT組成三相中的一支。
今后，IGBT將向高耐壓和開關頻率、低損耗以及具有集成保護功能的智能方向發展。
2．3 IGBT在我國城市軌道車輛中的應用
上海軌道交通3號線車輛是由Alstom公司制造的，其輔助系統由電壓等級為330V的IGBT構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使用IGBT雙重直一直變換器帶高頻變壓器實現電氣隔離；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，開關容量為3300V／800A。
隨著城市軌道交通供電網壓制的發展，為了符合網壓波動范圍并輔助電源輸出穩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年后又出現了1700V／2400A、3300V／1200A和6500V／600A的HVIGBT，并很快應用于城市地鐵輕軌車輛中。
3 對IGBT的保護
在實際應用中，由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現意外就會損壞，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產生過電壓的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅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斷和降低柵極電壓2種。
軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關斷，很容易發生誤動作，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出現鎖定損壞。若延時后故障信號仍然存在，則關斷元件；若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態，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。IGBT可以承受短時間內的短路電壓，承受時問長短與IGBT門極電壓有關系。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開關時，由于主回路的電壓突變，施加到IGBT集電極一發射極間容易產生很高的直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過電壓的產生是輸入交流電源或IGBT的前**輸入發生異常所致。解決方法是在選取IGBT時進行降額設計；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，為減小關斷過電壓，應盡量使主電路的布線電感降到*小；（2）設置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護網絡（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，續流二極管導通。應用該電路可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲到吸收電容器中，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。在實際應用中，使用了普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關。散熱器的結構設計應滿足：
式中： —IGBT的工作結溫；
— 損耗功率；
— 結一殼熱阻；
— 殼一散熱器熱阻；
— 散熱器熱阻；
—IGBT的*高結溫。
因受設備體積、重量等的限制，散熱系統要有所限制。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，控制執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其**。
4 結束語
IGBT模塊開關具有損耗小、模塊結構便于組裝、開關轉換均勻等優點，已越來越多地應用在列車供電系統中。在應用IGBT時，應根據實際情況對過流、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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