摘 要：介紹了IGBT模塊的結構、特點及其在列車供電系統(tǒng)中的應用，探討了對IGBT的保護問題。 關鍵詞：IGBT；應用；保護 　　2O世紀8O年代初發(fā)展起來的新型復合器件——IGBT（絕緣柵雙極晶體管Insulated Gate BipolarTransistor）是一種新型的電力半導體器件。作為一種電壓控制型功率器件，IGBT所需驅(qū)動功率小，控制電路簡單，通態(tài)壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。 [b]1 IGBT及其功率模塊 1．1 IGBT的結構[/b] 　　IGBT采用溝槽結構，以減小通態(tài)壓降，改善其頻率特性，并采用NPT（Non Punch Through）技術實現(xiàn)IGBT的大功率化。IGBT只比MOSFET多一個P導通區(qū)，控制極的結構與MOSFET相同，是絕緣柵結構，也稱柵極（G）?！　∑渲黧w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，最初的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、可承受大電流的優(yōu)點。在大功率電力電子器件的應用中，IG—BT已逐步取代GTO和MOSFET成為主流器件。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(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)動型器件，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的應用 　　在軌道車輛中，廣泛采用了IGBT模塊來構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)中的應用與發(fā)展 　　　　最初，德國將300A／1200VIGBT構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構，仍可采用二點式逆變器。在近期交流網(wǎng)壓下，機車上的中間電路電壓取2．6kV～2．8kV，可采用阻斷電壓等級為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(chǎn)的地鐵或輕軌車輛輔助系統(tǒng)幾乎都采用IGBT器件，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，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。于2004年投入運營的800系，采用電壓和電流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器件。輔助變流器采用開關頻率為1950Hz的PWM技術，由3臺雙IGBT和相關反并聯(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)采用IGBT雙重直一直變換器帶高頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離；深圳地鐵一期采用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采用二點式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采用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(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，采用了三電平逆變器。例如在DC750V、DC1500V網(wǎng)壓下，城市軌道車輛上的靜止輔助電源采用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(xiàn)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(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承受過電流的時間僅為幾微秒，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(fā)生誤動作，往往啟動了保護電路，器件仍會被損壞。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，此時器件仍維持導通，使過電流值不能達到最大短路峰值，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，則關斷器件；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流大小的關系。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流下降的換流速度（di／dt）。 　　IGBT集電極電流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是否處于過電流狀態(tài)。IGBT可以承受短時間內(nèi)的短路電流，承受時問長短與IGBT門極電壓有關系。若門極電壓降低，則IGBT能承受的短路電流時間會延長，短路電流也會減小，但這必須在發(fā)生封鎖之前。因此，可以通過降低柵壓對IGBT進行過電流保護。 3．2 過壓保護 　　IGBT開關時，由于主回路的電流突變，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的前一級輸入發(fā)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的安全。而針對浪涌尖峰電壓采取的措施有：（1）在工作電流較大時，為減小關斷過電壓，應盡量使主電路的布線電感降到最小；（2）設置RCD（D指二極管）緩沖電路吸收保護網(wǎng)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(chǎn)生的損耗P為： 式中：L— 主電路中的分布電感； I一IGBT判斷時的集電極電流； f—IGBT的開關頻率； C— 緩沖電容； Ud— 直流電壓值。 　　除以上方法外，也可采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，負載電流仍流過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℃ ，IGBT就可能損壞。因此需采用有效的散熱措施對其進行過熱保護。 　　散熱一般是采用散熱器（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，采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的最高結溫。 　　因受設備體積、重量等的限制，散熱系統(tǒng)要有所限制?？梢栽诳拷麵GBT處加裝一溫度繼電器，以檢測IGBT的工作溫度。同時，控制執(zhí)行機構在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入，以保護其安全。 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(zhuǎn)換均勻等優(yōu)點，已越來越多地應用在列車供電系統(tǒng)中。在應用IGBT時，應根據(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安全可靠地運行。 參考文獻： [1] 陳義懷，等．IGBT的保護[J]． 電源技術應用，2004，7（5）；282—285． [2] 俞展猷，李海川．日本九州新干線800系高速動車組[J]．機車電傳動，2006，（1）：57—6O．