中心議題：

• IGBT在DC600V中的應用
• 過壓和欠壓保護
• 過熱保護

解決方案：

• 減小主電路的布線電感
• 增加的緩衝二極管的緩衝電阻
• 在散熱器上安裝溫度開關
  ，過熱保護

IGBT是大功率、集成化的“絕緣柵雙極晶體管”(InsulatedGateBipolarTransistor)。它是80年代初集合大功率雙極型晶體管GTR與MOSFET場效應管的優點而發展的一種新型複合電子器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降的優點。

圖1所示為N溝道增強型垂直式IGBT單元結構，IGBT采用溝槽結構，以減少通態壓降，改善其頻率特性。並采用NFT技術實現IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作為輸入部分
，其特性與N溝道增強型。MOS器件的轉移特性相似

，形成電壓型驅動模式，用GTR作為輸出部件
，導通壓降低、容量大，不同的是IGBT的集電極IC受柵一射電壓UCE的控製，導通
、關斷由柵一射電壓UCE決定。
                                              

目前大部分逆變器都采用IGBT和IPM作為開關器件，由IGBT基本組合單元與驅動、保護以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

，將IGBT的驅動電路、保護電路及部分接口電路和功率電路集成於一體的功率器件。35kW等級的DC600V逆變器一般采用1200V／300A模塊
，IGBT和IPM分為單單元和雙單元，3隻雙單元模塊可構成i相逆變器主電路
，如圖2所示。

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IGBT軌道車輛在供電係統中的應用
　　
軌道車輛中廣泛采用IGBT模塊構成牽引變流器以及輔助電源係統的恒壓恒頻(CVCF)逆變器。國外的地鐵或輕軌車輛輔助係統都采用方案多樣的IGBT器件。德國針對機車牽引需開發適用於750V電網的1．7kVIGBT和用於1500V電網的3．3kVIGBT模塊
，簡化了牽引逆變器主電路的結構。

日本的700係電動車組的三點式主變流器．采用大功率平板型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。
　　
我國引進法國Alstom公司的200km／h動車組中，主變流器的開關使用耐壓高達6500V／600A的IGBT器件
，輔助變流器采用開關頻率為1950Hz的PWM技術
，由3台雙IGBT和反並聯二極管組成，每台雙IGBT組成三相中的一相。

上海軌道交通3號線車輛是其輔助係統由電壓等級為330V的IGBT構成2點式逆變器直接逆變；廣州地鐵1號線車輛上的輔助係統采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實現電氣隔離；深圳地鐵一期采用6個用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個用於製動斬波器的IGBT模塊完成牽引逆變功能：天津濱海動車組主電路采用IGBT電壓型三相直一交逆變器，輔助電源的逆變器采用IGBT元件的逆變器
，開關容量為3300V／800A。
　　
IGBT在DC600V中的應用

DC600V客車供電係統簡介
　　
DC600V空調客車供電係統采用機車集中整流
，客車分散逆變方式，構成了整個列車的交一直一交變流供電係統。工作過程為：電力機車將25kV電網單相交流電降壓、整流、濾波成DC600V後給客車供電
，客車根據用電設備的需要，將機車提供的DC600V變換成單
、三相交流電及DC110V。係統采用兩套獨立供電。具有一定的冗餘，客車供電的基本原理圖如圖3所示。

                                
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IGBT在DC600V供電係統逆變器中的應用
　　
空調客車使用2個由IGBT模塊組成的35kW逆變器供電，逆變器主電路原理如圖4所示，主要由下功能模塊構成：


　
(1)由KMl、KM3電磁接觸器組成的輸入輸出隔離電路
，主要功能是在逆變器、輸入電路或輸出負載發生故障時實施隔離，防止故障擴散。
　　
(2)由濾波電容C1，C2組(zu)成(cheng)的(de)中(zhong)間(jian)支(zhi)撐(cheng)電(dian)路(lu)
，主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)濾(lv)平(ping)輸(shu)入(ru)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)，當(dang)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)時(shi)，使(shi)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)平(ping)穩(wen)。由(you)於(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)功(gong)率(lv)較(jiao)大(da)，因(yin)此(ci)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)的(de)容(rong)量(liang)較(jiao)大(da)，一(yi)般(ban)使(shi)用(yong)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)。由(you)於(yu)電(dian)容(rong)自(zi)身(shen)參(can)數(shu)的(de)離(li)散(san)，使(shi)得(de)串(chuan)聯(lian)的(de)2隻電容電壓無法完全一致．采用電容兩端並聯均壓電阻的方法，圖4中的R1
、R2，其另一個作用是在逆變器停止工作時
，放掉電容器的電荷。
　　
(3)由R0和KM2組成的緩衝電路，工作原理為：在輸入端施加電壓時，先通過緩衝電阻R0對電容充電。當電容電壓充到一定值時(比如540V)
，KM2吸合，將R0短路。隻有電阻R0短路，三相逆變電路才能啟動工作。
　　
(4)由L1～L3和C1～C3，組成的交流濾波電路
，可將逆變器輸出的PWM波變成準正弦波。
　　
(5)由V1～V6組成的橋式三相逆變主電路是逆變器的核心電路。圖4為三相逆變器的主電路圖，輸入端為A、B，輸出為U、V、W。圖5中V1～V6的導通順序
，陰影部分為各個IGBT的導通時間。每一格的時間為π／3，三相線電壓的波形如圖5所示。
                            

由圖4看出
，U、V、W三者之間的相位差為2π／3
，幅值與直流電壓Ud相等。由此可見，隻要按照一定的順序控製6個逆變器的導通與截止，就可把直流電逆變成三相交流電。

(6)如果將方波電壓按照正弦波的規律調製成一係列脈衝
，即使脈衝係列的占空比按正弦規律排列
，當正弦值為最大時，脈衝的寬度也最大
；反之，當正弦值為最小時．脈衝的寬度也最小，把脈衝的寬度調製的越細．即一個周期內脈衝的個數越多，調製後輸出的波形越好，電動機負載的電流波形越接近於正弦波，圖6為負載波形。

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IGBT在DC600V供電係統中的保護
　　
由於IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現意外就會損壞，因此必須對IGBT進行保護，客車DC600V供電係統逆變器的IGBT模塊有過壓、欠壓保護，過流
、過載、過熱等保護功能。

過壓和欠壓保護
　　
使用IGBT作開關時．由於主網路的電流突變
，加到IGBT集電-發射問容易產生高直流電壓和浪湧尖峰電壓。直流過電壓的產生是輸入交流電或IGBT的前一級輸人發生異常所致。解決方法是在選取IGBT時進行降額設計；也可在檢測m過壓時分斷IGBT的輸入，IGBT的安全。目前
，針對浪湧尖峰電壓采取的措施有：
　　
(1)在工作電流較大時，為減小關斷過電壓，應盡量使主電路的布線電感降到最小；
　　
(2)設置如圖7所示的RCD緩衝電路吸收保護網絡
，增加的緩衝二極管使緩衝電阻增大
，避免導通時IGBT功能受阻的問題。
　　
對於由接觸網電壓的波動而造成的輸出欠壓

，逆變器可以不停止工作
，而是采取降頻降壓的方式

，即當輸人電壓低於540V時
，逆變器按照Y／F=C(常數)的規律降頻降壓工作。

過流與過載保護
　　
空調客車的IGBT模塊逆變器具備承受電動機負載突加與突減的能力：當輸出側和負載發生短路時，逆變器能立即封鎖脈衝輸出
，並停止工作，IGBT產生過電流的原因有晶體管或二極管損壞、控製與驅動電路故障或幹擾引起的誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、逆變橋的橋臂短路等。IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒。通常采取的過流保護措施有軟關斷和降低柵極電壓兩種。
　　
軟ruan關guan斷duan抗kang幹gan擾rao能neng力li差cha，一yi旦dan檢jian測ce到dao過guo流liu和he短duan路lu信xin號hao就jiu關guan斷duan，容rong易yi發fa生sheng誤wu動dong
，往wang往wang啟qi動dong保bao護hu電dian路lu，器qi件jian仍reng被bei損sun壞huai。降jiang低di柵zha極ji電dian壓ya則ze是shi在zai檢jian測ce到dao器qi件jian過guo流liu信xin號hao時shi，立li即ji將jiang柵zha極ji電dian壓ya降jiang到dao某mou一yi電dian平ping，此ci時shi器qi件jian仍reng維wei持chi導dao通tong
，使shi過guo電dian流liu值zhi不bu能neng達da到dao最zui大da短duan路lu峰feng值zhi，就jiu可ke避bi免mianIGBT出現鎖定損壞。若延時後故障信號仍然存在，則關斷器件；若故障信號消失，驅動電路可自動恢複正常工作狀態．大大增強了抗幹擾能力。
　　
當(dang)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)超(chao)過(guo)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)輸(shu)出(chu)能(neng)力(li)，稱(cheng)為(wei)過(guo)載(zai)

，逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)過(guo)載(zai)檢(jian)測(ce)靠(kao)輸(shu)出(chu)側(ce)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)輸(shu)入(ru)側(ce)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)過(guo)載(zai)保(bao)護(hu)為(wei)反(fan)時(shi)限(xian)特(te)性(xing)。即(ji)設(she)定(ding)過(guo)載(zai)電(dian)流(liu)為(wei)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)的(de)1．5倍持續1min後保護
，而低於1．5倍可延長保護動作時間。而高於1．5倍時則保護動作的時間小於1min。

過熱保護
　　
當逆變器的散熱器溫度超過允許溫度時，散熱器的熱保護繼電器給出信號讓逆變器的控製電路自動封鎖脈衝，停止工作。通常流過IGBT的電流較大，開關頻率較高

，故器件的損耗較大。若熱量不能及時散掉，器件的結溫將會超過最大值125℃，IGBTjiukenengsunhuai。sanreyibanshicaiyongsanreqi，kejinxingqiangpolengque。shijiyingyongzhong，caiyongputongsanreqiyuqiangpolengquexiangjiehedecuoshi。bingzaisanreqishanganzhuangwendukaiguan，kezaikaojinIGBT處加裝一溫度繼電器
，以檢測IGBT的工作溫度。同時，控製執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其安全。

IGBT模塊開關具有損耗小、模塊結構便於組裝、開關轉換均勻等優點。已越來越多地應用在鐵路客車供電係統中。在應用IGBT時，應根據實際情況對過流、過壓
、過熱等采取有效保護措施

，以保證IGBT安全可靠地運行。