IGBT在客車DC 600 V系統(tǒng)逆變器中的應(yīng)用與保護(hù)

 IGBT綜述
1．1 IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    IGBT是大功率、集成化的“絕緣柵雙極晶體管”(Insulated Gate Bipolar Transistor)。它是80年代初集合大功率雙極型晶體管GTR與MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展的一種新型復(fù)合電子器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。圖1所示為N溝道增強(qiáng)型垂直式IGBT單元結(jié)構(gòu)，IGBT采用溝槽結(jié)構(gòu)，以減少通態(tài)壓降，改善其頻率特性。并采用NFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作為輸入部分，其特性與N溝道增強(qiáng)型。MOS器件的轉(zhuǎn)移特性相似，形成電壓型驅(qū)動(dòng)模式，用GTR作為輸出部件，導(dǎo)通壓降低、容量大，不同的是IGBT的集電極IC受柵一射電壓UCE的控制，導(dǎo)通、關(guān)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(guān)器件，由IGBT基本組合單元與驅(qū)動(dòng)、保護(hù)以及報(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，將IGBT的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及部分接口電路和功率電路集成于一體的功率器件。35 kW等級(jí)的DC 600 V逆變器一般采用1 200 V／300 A模塊，IGBT和IPM分為單單元和雙單元，3只雙單元模塊可構(gòu)成i相逆變器主電路，如圖2所示。

1．2 IGBT軌道車輛在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用
    軌道車輛中廣泛采用IGBT模塊構(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。國(guó)外的地鐵或輕軌車輛輔助系統(tǒng)都采用方案多樣的IGBT器件。德國(guó)針對(duì)機(jī)車牽引需開發(fā)適用于750 V電網(wǎng)的1．7 kVIGBT和用于1 500 V電網(wǎng)的3．3 kV IGBT模塊，簡(jiǎn)化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)。日本的700系電動(dòng)車組的三點(diǎn)式主變流器．采用大功率平板型IGBT(2 500 V／1 800 A)，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。
    我國(guó)引進(jìn)法國(guó)Alstom公司的200 km／h動(dòng)車組中，主變流器的開關(guān)使用耐壓高達(dá)6 500 V／600 A的IGBT器件，輔助變流器采用開關(guān)頻率為1 950 Hz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組成三相中的一相；上海軌道交通3號(hào)線車輛是其輔助系統(tǒng)由電壓等級(jí)為330 V的IGBT構(gòu)成2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)采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離；深圳地鐵一期采用6個(gè)用作牽引逆變器的IGBT模塊和2個(gè)用于制動(dòng)斬波器的IGBT模塊完成牽引逆變功能：天津?yàn)I海動(dòng)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(guān)容量為3 300 V／800 A。

2 IGBT在DC 600 V中的應(yīng)用
2．1 DC 600 V客車供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    DC 600 V空調(diào)客車供電系統(tǒng)采用機(jī)車集中整流，客車分散逆變方式，構(gòu)成了整個(gè)列車的交一直一交變流供電系統(tǒng)。工作過程為：電力機(jī)車將25 kV電網(wǎng)單相交流電降壓、整流、濾波成DC 600 V后給客車供電，客車根據(jù)用電設(shè)備的需要，將機(jī)車提供的DC 600 V變換成單、三相交流電及DC 110 V。系統(tǒng)采用兩套獨(dú)立供電。具有一定的冗余，客車供電的基本原理圖如圖3所示。

2．2 IGBT在DC 600 V供電系統(tǒng)逆變器中的應(yīng)用
    空調(diào)客車使用2個(gè)由IGBT模塊組成的35 kW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(gòu)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(fù)載發(fā)生故障時(shí)實(shí)施隔離，防止故障擴(kuò)散。
    (2)由濾波電容C1，C2組成的中間支撐電路，主要功能是濾平輸入電路的電壓紋波，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓平穩(wěn)。由于逆變器功率較大，因此濾波電容的容量較大，一般使用電解電容。由于電容自身參數(shù)的離散，使得串聯(lián)的2只電容電壓無法完全一致．采用電容兩端并聯(lián)均壓電阻的方法，圖4中的R1、R2，其另一個(gè)作用是在逆變器停止工作時(shí)，放掉電容器的電荷。

 (3)由R0和KM2組成的緩沖電路，工作原理為：在輸入端施加電壓時(shí)，先通過緩沖電阻R0對(duì)電容充電。當(dāng)電容電壓充到一定值時(shí)(比如540 V)，KM2吸合，將R0短路。只有電阻R0短路，三相逆變電路才能啟動(dòng)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(zhǔn)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(dǎo)通順序，陰影部分為各個(gè)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間。每一格的時(shí)間為π／3，三相線電壓的波形如圖5所示。

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    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，只要按照一定的順序控制6個(gè)逆變器的導(dǎo)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(guī)律調(diào)制成一系列脈沖，即使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律排列，當(dāng)正弦值為最大時(shí)，脈沖的寬度也最大；反之，當(dāng)正弦值為最小時(shí)．脈沖的寬度也最小，把脈沖的寬度調(diào)制的越細(xì)．即一個(gè)周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)越多，調(diào)制后輸出的波形越好，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流波形越接近于正弦波，圖6為負(fù)載波形。

3 IGBT在DC 600 V供電系統(tǒng)中的保護(hù)
    由于IGBT的耐過壓和耐過流能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)損壞，因此必須對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，客車DC 600 V供電系統(tǒng)逆變器的IGBT模塊有過壓、欠壓保護(hù)，過流、過載、過熱等保護(hù)功能。
3．1 過壓和欠壓保護(hù)。
    使用IGBT作開關(guān)時(shí)．由于主網(wǎng)路的電流突變，加到IGBT集電-發(fā)射問容易產(chǎn)生高直流電壓和浪涌尖峰電壓。直流過電壓的產(chǎn)生是輸入交流電或IGBT的前一級(jí)輸人發(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)；也可在檢測(cè)m過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，IGBT的安全。目前，針對(duì)浪涌尖峰電壓采取的措施有：
    (1)在工作電流較大時(shí)，為減小關(guān)斷過電壓，應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到最??；
    (2)設(shè)置如圖7所示的RCD緩沖電路吸收保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大，避免導(dǎo)通時(shí)IGBT功能受阻的問題。
    對(duì)于由接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)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(dāng)輸人電壓低于540 V時(shí)，逆變器按照Y／F=C(常數(shù))的規(guī)律降頻降壓工作。
3．2 過流與過載保護(hù)
    空調(diào)客車的IGBT模塊逆變器具備承受電動(dòng)機(jī)負(fù)載突加與突減的能力：當(dāng)輸出側(cè)和負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，逆變器能立即封鎖脈沖輸出，并停止工作，IGBT產(chǎn)生過電流的原因有晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾引起的誤動(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。IGBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒。通常采取的過流保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓兩種。
    軟關(guān)斷抗干擾能力差，一旦檢測(cè)到過流和短路信號(hào)就關(guān)斷，容易發(fā)生誤動(dòng)，往往啟動(dòng)保護(hù)電路，器件仍被損壞。降低柵極電壓則是在檢測(cè)到器件過流信號(hào)時(shí)，立即將柵極電壓降到某一電平，此時(shí)器件仍維持導(dǎo)通，使過電流值不能達(dá)到最大短路峰值，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)斷器件；若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)．大大增強(qiáng)了抗干擾能力。
    當(dāng)逆變器的輸出超過其自身的輸出能力，稱為過載，逆變器的過載檢測(cè)靠輸出側(cè)的電流傳感器或輸入側(cè)的直流電流傳感器。一般情況下逆變器的過載保護(hù)為反時(shí)限特性。即設(shè)定過載電流為額定電流的1．5倍持續(xù)1 min后保護(hù)，而低于1．5倍可延長(zhǎng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。而高于1．5倍時(shí)則保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間小于1 min。
3．3 過熱保護(hù)
    當(dāng)逆變器的散熱器溫度超過允許溫度時(shí)，散熱器的熱保護(hù)繼電器給出信號(hào)讓逆變器的控制電路自動(dòng)封鎖脈沖，停止工作。通常流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，故器件的損耗較大。若熱量不能及時(shí)散掉，器件的結(jié)溫將會(huì)超過最大值125℃，IGBT就可能損壞。散熱一般是采用散熱器，可進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。實(shí)際應(yīng)用中，采用普通散熱器與強(qiáng)迫冷卻相結(jié)合的措施。并在散熱器上安裝溫度開關(guān)，可在靠近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)其安全。

4 結(jié)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(diǎn)。已越來越多地應(yīng)用在鐵路客車供電系統(tǒng)中。在應(yīng)用IGBT時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)過流、過壓、過熱等采取有效保護(hù)措施，以保證IGBT安全可靠地運(yùn)行。

    在車輛稱重系統(tǒng)中，若車輛有前后兩根輪軸，則圖2為車輛稱重系統(tǒng)框圖。前后傳感器將載荷變化轉(zhuǎn)換為電容變化；電容測(cè)量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓值；DSP將傳感器輸出的電壓值進(jìn)行加轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算、處理后，將整車載荷值送至顯示器。由于系統(tǒng)中需采集的數(shù)據(jù)量較大，特別是動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量，為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求，車輛稱重采集系統(tǒng)采用AD7891和TMS320LF2407 DSP實(shí)現(xiàn)車輛稱重?cái)?shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用美國(guó)ADI公司的AD7891型A／D轉(zhuǎn)換器，它是一種內(nèi)含輸入多路轉(zhuǎn)換器和采樣保持放大器的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)，輸入模擬信號(hào)范圍為-10～+10 V，理論精度指標(biāo)可達(dá)4．88 mV，適合與各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號(hào)處理機(jī)連接。它和DSP有并行和串行兩種工作模式，并有8個(gè)具有過壓保護(hù)的模擬信號(hào)通道，允許過壓值為±17 V，只對(duì)1個(gè)通道信號(hào)采樣時(shí)，最大采樣速率可達(dá)454．5 kS／s。AD7891采用單電源工作，功耗低。非常適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備等方面應(yīng)用。因此，該車輛稱重系統(tǒng)采用AD7891完全能夠滿足系統(tǒng)各項(xiàng)要求。在高速采集系統(tǒng)中，AD7891與DSP相結(jié)合通常采用串行或并行方式，利用軟件控制數(shù)據(jù)線方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的采集速度。AD7891與DSP采用并行方式，使用DSPI／O端口的A、B、C、D、E數(shù)據(jù)和方向控制器實(shí)現(xiàn)AD7891的時(shí)序控制。另外由于DSP的I/O端口電壓為3．3 V，而AD7-891的端口電壓為5 V，當(dāng)DSP的端口只向AD7891的端口發(fā)送信號(hào)時(shí)．通過DSP的I／O端口直接接至AD7891；但如果從AD7891的端口直接向DSP的端口發(fā)送信號(hào)則有可能損壞DSP。因此需要高速雙向電平轉(zhuǎn)換器，這里選用P174LVCC424-5A，由于一片P174LVCC4245A只能處理8位數(shù)據(jù)線，因此需要2片P174LVCC4245A進(jìn)行電平匹配。其硬件連接電路如圖3所示．圖3中DSP對(duì)A。D7891的時(shí)序控制完全是通過TMS320LF2407 DSP的I/O端口實(shí)現(xiàn)，D[O：11]指向DSP接口。AD7891的CS、WR、CONVST、RD、EOC時(shí)序控制引腳分別與DSP I／O端口的IOPB4、IOPB5、IOPB6、IOPB7、IOPF4相匹配。AD7891引腳和DSP I／O端口通過2片電平轉(zhuǎn)換器P174LVCC4245A連接，其引腳配置如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)程序流程主要是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析處理。圖4為車輛稱重?cái)?shù)據(jù)處理程序流程．其中初始化DSP、AD7891和外圍元件，包括設(shè)置堆棧指針，設(shè)置定時(shí)器工作模式并使其能中斷，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器初值及對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器初始化等。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行初始化程序。初始化完成后．調(diào)用信號(hào)采集和A／D轉(zhuǎn)換程序，分別采集前、后輪軸的電容傳感器輸出信號(hào)和車輛加速度傳感器輸出信號(hào)。
    通過圖4看出．程序的關(guān)鍵就是準(zhǔn)確采集到傳感器輸出電壓。為實(shí)現(xiàn)車輛稱重系統(tǒng)的高速采樣，首先分析AD7891的時(shí)序，圖5為AD7891并行工作時(shí)序。

    圖5中，t1為從CS到RD/WR的觸發(fā)時(shí)間，t2為寫脈沖寬度，不小于35 ns；t3為寫有效數(shù)據(jù)時(shí)間，不小于25 ns；t4為有效數(shù)據(jù)保持時(shí)間，不小于5 ns；t5為CS到RD/WR的保持時(shí)間，t6為CONVST脈沖寬度時(shí)間，不小于35 ns;t7為EOC脈沖寬度時(shí)間，不小于55 ns；t8為度脈沖寬度，不小于35 ns；t9為RD下降沿之后讀數(shù)據(jù)時(shí)間，不小于25 ns；tCONV為轉(zhuǎn)換時(shí)間，不大于1．6μs。為實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的高速實(shí)時(shí)采樣必須合理準(zhǔn)確分配以上各時(shí)間，AD7891的工作時(shí)序全部由DSP的I／O端口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)DSP主頻時(shí)鐘為30 MHz，采用分頻15 MHz輸出，單周期指令運(yùn)行的時(shí)間為33 ns。用C語言執(zhí)行一個(gè)I／O端口指令，編譯完后，大概需要4個(gè)周期指令時(shí)間。下面是測(cè)控系統(tǒng)DSP對(duì)通道1采集的C語言程序代碼：

   
    以上程序代碼完全能夠控制圖5所示的AD7891時(shí)序，從而滿足車輛稱重系統(tǒng)對(duì)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高速的要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果
    車輛稱重系統(tǒng)試驗(yàn)是在額定載量為500 kg的輕型貨車上進(jìn)行的。試驗(yàn)時(shí)駕駛室乘坐2人，體重共75kg，車廂內(nèi)靠前部均勻擺放沙袋作為載荷，車速最高為40 km／h。圖6記錄了車輛靜止一起步一加速一制動(dòng)一停止全過程中采集輸出電壓的變化曲線。圖6中時(shí)間段：0～9 s為發(fā)動(dòng)機(jī)熄火靜止和點(diǎn)火階段，此時(shí)，前、后軸采集輸出電壓均無變化：9～18 s為掛擋加速起步階段，此時(shí)加速度明顯增大，前軸傳感器采集輸出電壓降低，后軸傳感器采集輸出電壓升高；以后的18~32 s階段，包括換擋、加速過程，換擋時(shí)車輛滑行，加速度減小，前軸采集輸出電壓升高，后軸輸出電壓降低；從第32 s進(jìn)入脫擋階段，開始制動(dòng)，加速度急劇減小，前軸采集輸出電壓明顯升高，后軸采集輸出電壓降低，第38 s時(shí)達(dá)到最大峰值點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠完成系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)采集的需求。

6 結(jié)論
    車輛稱重采集系統(tǒng)采用DSP的I／O端口讀取AD7891的數(shù)據(jù)。通過對(duì)DSP編程完全控制AD7891的時(shí)序，雖然占用大量的DSP I／O端口．但由于TMS320LF2407 DSP I／O端口豐富，因此這種實(shí)現(xiàn)方式完全可行。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，不僅能夠滿足車輛的靜態(tài)稱重，而且動(dòng)態(tài)稱重的精度也高于2％，完全能滿足公路超載檢測(cè)要求。