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

 IGBT綜述
1．1 IGBT的結(jié)構(gòu)特點
    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場效應(yīng)管的優(yōu)點而發(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。圖1所示為N溝道增強型垂直式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溝道增強型。MOS器件的轉(zhuǎn)移特性相似，形成電壓型驅(qū)動模式，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、保護以及報警電路共同構(gòu)成的智能功率模塊(IPM)已成為IGBT智能化的發(fā)展方向，將IGBT的驅(qū)動電路、保護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。德國針對機車牽引需開發(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，簡化了牽引逆變器主電路的結(jié)構(gòu)。日本的700系電動車組的三點式主變流器．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。
    我國引進法國Alstom公司的200 km／h動車組中，主變流器的開關(guān)使用耐壓高達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組成三相中的一相；上海軌道交通3號線車輛是其輔助系統(tǒng)由電壓等級為330 V的IGBT構(gòu)成2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)采用IGBT雙重直-直變換器帶高頻變壓器實現(xiàn)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個用于制動斬波器的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(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)簡介
    DC 600 V空調(diào)客車供電系統(tǒng)采用機車集中整流，客車分散逆變方式，構(gòu)成了整個列車的交一直一交變流供電系統(tǒng)。工作過程為：電力機車將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、輸入電路或輸出負載發(fā)生故障時實施隔離，防止故障擴散。
    (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)負載變化時，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組成的緩沖電路，工作原理為：在輸入端施加電壓時，先通過緩沖電阻R0對電容充電。當(dāng)電容電壓充到一定值時(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(dǎo)通順序，陰影部分為各個IGBT的導(dǎo)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，只要按照一定的順序控制6個逆變器的導(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，脈沖的寬度也最大；反之，當(dāng)正弦值為最小時．脈沖的寬度也最小，把脈沖的寬度調(diào)制的越細．即一個周期內(nèi)脈沖的個數(shù)越多，調(diào)制后輸出的波形越好，電動機負載的電流波形越接近于正弦波，圖6為負載波形。

3 IGBT在DC 600 V供電系統(tǒng)中的保護
    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，因此必須對IGBT進行保護，客車DC 600 V供電系統(tǒng)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。
3．1 過壓和欠壓保護。
    使用IGBT作開關(guān)時．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的前一級輸人發(fā)生異常所致。解決方法是在選取IGBT時進行降額設(shè)計；也可在檢測m過壓時分斷IGBT的輸入，IGBT的安全。目前，針對浪涌尖峰電壓采取的措施有：
    (1)在工作電流較大時，為減小關(guān)斷過電壓，應(yīng)盡量使主電路的布線電感降到最小；
    (2)設(shè)置如圖7所示的RCD緩沖電路吸收保護網(wǎng)絡(luò)，增加的緩沖二極管使緩沖電阻增大，避免導(dǎo)通時IGBT功能受阻的問題。
    對于由接觸網(wǎng)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(dāng)輸人電壓低于540 V時，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
    空調(diào)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(dāng)輸出側(cè)和負載發(fā)生短路時，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)動電路故障或干擾引起的誤動、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(guān)斷和降低柵極電壓兩種。
    軟關(guān)斷抗干擾能力差，一旦檢測到過流和短路信號就關(guān)斷，容易發(fā)生誤動，往往啟動保護電路，器件仍被損壞。降低柵極電壓則是在檢測到器件過流信號時，立即將柵極電壓降到某一電平，此時器件仍維持導(dǎo)通，使過電流值不能達到最大短路峰值，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)斷器件；若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)．大大增強了抗干擾能力。
    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為反時限特性。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，而低于1．5倍可延長保護動作時間。而高于1．5倍時則保護動作的時間小于1 min。
3．3 過熱保護
    當(dāng)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制電路自動封鎖脈沖，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。若熱量不能及時散掉，器件的結(jié)溫將會超過最大值125℃，IGBT就可能損壞。散熱一般是采用散熱器，可進行強迫冷卻。實際應(yīng)用中，采用普通散熱器與強迫冷卻相結(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。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，應(yīng)根據(jù)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。

    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行加轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)經(jīng)運算、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，特別是動態(tài)稱重測量，為了滿足系統(tǒng)的實時性需求，車輛稱重采集系統(tǒng)采用AD7891和TMS320LF2407 DSP實現(xiàn)車輛稱重數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)采用美國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)，輸入模擬信號范圍為-10～+10 V，理論精度指標可達4．88 mV，適合與各種微處理器、控制器以及數(shù)字信號處理機連接。它和DSP有并行和串行兩種工作模式，并有8個具有過壓保護的模擬信號通道，允許過壓值為±17 V，只對1個通道信號采樣時，最大采樣速率可達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)和方向控制器實現(xiàn)AD7891的時序控制。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)送信號時．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進行電平匹配。其硬件連接電路如圖3所示．圖3中DSP對A。D7891的時序控制完全是通過TMS320LF2407 DSP的I/O端口實現(xiàn)，D[O：11]指向DSP接口。AD7891的CS、WR、CONVST、RD、EOC時序控制引腳分別與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
    系統(tǒng)程序流程主要是對采集到的數(shù)據(jù)進行誤差分析處理。圖4為車輛稱重數(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)置定時器工作模式并使其能中斷，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲器初值及對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和車輛加速度傳感器輸出信號。
    通過圖4看出．程序的關(guān)鍵就是準確采集到傳感器輸出電壓。為實現(xiàn)車輛稱重系統(tǒng)的高速采樣，首先分析AD7891的時序，圖5為AD7891并行工作時序。

    圖5中，t1為從CS到RD/WR的觸發(fā)時間，t2為寫脈沖寬度，不小于35 ns；t3為寫有效數(shù)據(jù)時間，不小于25 ns；t4為有效數(shù)據(jù)保持時間，不小于5 ns；t5為CS到RD/WR的保持時間，t6為CONVST脈沖寬度時間，不小于35 ns;t7為EOC脈沖寬度時間，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)時間，不小于25 ns；tCONV為轉(zhuǎn)換時間，不大于1．6μs。為實現(xiàn)測控系統(tǒng)的高速實時采樣必須合理準確分配以上各時間，AD7891的工作時序全部由DSP的I／O端口實現(xiàn)。系統(tǒng)DSP主頻時鐘為30 MHz，采用分頻15 MHz輸出，單周期指令運行的時間為33 ns。用C語言執(zhí)行一個I／O端口指令，編譯完后，大概需要4個周期指令時間。下面是測控系統(tǒng)DSP對通道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時序，從而滿足車輛稱重系統(tǒng)對采集系統(tǒng)準確、實時、高速的要求。

5 試驗結(jié)果
    車輛稱重系統(tǒng)試驗是在額定載量為500 kg的輕型貨車上進行的。試驗時駕駛室乘坐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一停止全過程中采集輸出電壓的變化曲線。圖6中時間段：0～9 s為發(fā)動機熄火靜止和點火階段，此時，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進入脫擋階段，開始制動，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時達到最大峰值點。試驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計能夠完成系統(tǒng)對數(shù)據(jù)高速實時采集的需求。

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DSP編程完全控制AD7891的時序，雖然占用大量的DSP I／O端口．但由于TMS320LF2407 DSP I／O端口豐富，因此這種實現(xiàn)方式完全可行。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不僅能夠滿足車輛的靜態(tài)稱重，而且動態(tài)稱重的精度也高于2％，完全能滿足公路超載檢測要求。