IGBT在客车DC 600 V系统逆变器中的应用与保护

 IGBT综述
1．1 IGBT的结构特点
    IGBT是大功率、集成化的“绝缘栅双极晶体管”(Insulated Gate Bipolar Transistor)。它是80年代初集合大功率双极型晶体管GTR与MOSFET场效应管的优点而发展的一种新型复合电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。图1所示为N沟道增强型垂直式IGBT单元结构，IGBT采用沟槽结构，以减少通态压降，改善其频率特性。并采用NFT技术实现IGBT的大功率。IGBT用MOSFET作为输入部分，其特性与N沟道增强型。MOS器件的转移特性相似，形成电压型驱动模式，用GTR作为输出部件，导通压降低、容量大，不同的是IGBT的集电极IC受栅一射电压UCE的控制，导通、关断由栅一射电压UCE决定。
    目前大部分逆变器都采用IGBT和IPM作为开关器件，由IGBT基本组合单元与驱动、保护以及报警电路共同构成的智能功率模块(IPM)已成为IGBT智能化的发展方向，将IGBT的驱动电路、保护电路及部分接口电路和功率电路集成于一体的功率器件。35 kW等级的DC 600 V逆变器一般采用1 200 V／300 A模块，IGBT和IPM分为单单元和双单元，3只双单元模块可构成i相逆变器主电路，如图2所示。

1．2 IGBT轨道车辆在供电系统中的应用
    轨道车辆中广泛采用IGBT模块构成牵引变流器以及辅助电源系统的恒压恒频(CVCF)逆变器。国外的地铁或轻轨车辆辅助系统都采用方案多样的IGBT器件。德国针对机车牵引需开发适用于750 V电网的1．7 kVIGBT和用于1 500 V电网的3．3 kV IGBT模块，简化了牵引逆变器主电路的结构。日本的700系电动车组的三点式主变流器．采用大功率平板型IGBT(2 500 V／1 800 A)，整流器和逆变器的每个桥臂可用1个IGBT元件，从而使IGBT组件在得到简化的同时，功率单元总体结构也变得紧凑。
    我国引进法国Alstom公司的200 km／h动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6 500 V／600 A的IGBT器件，辅助变流器采用开关频率为1 950 Hz的PWM技术，由3台双IGBT和相关反并联二极管组成，每台双IGBT组成三相中的一相；上海轨道交通3号线车辆是其辅助系统由电压等级为330 V的IGBT构成2点式逆变器直接逆变；广州地铁1号线车辆上的辅助系统采用IGBT双重直-直变换器带高频变压器实现电气隔离；深圳地铁一期采用6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用于制动斩波器的IGBT模块完成牵引逆变功能：天津滨海动车组主电路采用IGBT电压型三相直一交逆变器，辅助电源的逆变器采用IGBT元件的逆变器，开关容量为3 300 V／800 A。

2 IGBT在DC 600 V中的应用
2．1 DC 600 V客车供电系统简介
    DC 600 V空调客车供电系统采用机车集中整流，客车分散逆变方式，构成了整个列车的交一直一交变流供电系统。工作过程为：电力机车将25 kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC 600 V后给客车供电，客车根据用电设备的需要，将机车提供的DC 600 V变换成单、三相交流电及DC 110 V。系统采用两套独立供电。具有一定的冗余，客车供电的基本原理图如图3所示。

2．2 IGBT在DC 600 V供电系统逆变器中的应用
    空调客车使用2个由IGBT模块组成的35 kW逆变器供电，逆变器主电路原理如图4所示，主要由下功能模块构成：
    (1)由KMl、KM3电磁接触器组成的输入输出隔离电路，主要功能是在逆变器、输入电路或输出负载发生故障时实施隔离，防止故障扩散。
    (2)由滤波电容C1，C2组成的中间支撑电路，主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。由于逆变器功率较大，因此滤波电容的容量较大，一般使用电解电容。由于电容自身参数的离散，使得串联的2只电容电压无法完全一致．采用电容两端并联均压电阻的方法，图4中的R1、R2，其另一个作用是在逆变器停止工作时，放掉电容器的电荷。

 (3)由R0和KM2组成的缓冲电路，工作原理为：在输入端施加电压时，先通过缓冲电阻R0对电容充电。当电容电压充到一定值时(比如540 V)，KM2吸合，将R0短路。只有电阻R0短路，三相逆变电路才能启动工作。
    (4)由L1～L3和C1～C3，组成的交流滤波电路，可将逆变器输出的PWM波变成准正弦波。
    (5)由V1～V6组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心电路。图4为三相逆变器的主电路图，输入端为A、B，输出为U、V、W。图5中V1～V6的导通顺序，阴影部分为各个IGBT的导通时间。每一格的时间为π／3，三相线电压的波形如图5所示。

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    由图4看出，U、V、W三者之间的相位差为2π／3，幅值与直流电压Ud相等。由此可见，只要按照一定的顺序控制6个逆变器的导通与截止，就可把直流电逆变成三相交流电。
    (6)如果将方波电压按照正弦波的规律调制成一系列脉冲，即使脉冲系列的占空比按正弦规律排列，当正弦值为最大时，脉冲的宽度也最大；反之，当正弦值为最小时．脉冲的宽度也最小，把脉冲的宽度调制的越细．即一个周期内脉冲的个数越多，调制后输出的波形越好，电动机负载的电流波形越接近于正弦波，图6为负载波形。

3 IGBT在DC 600 V供电系统中的保护
    由于IGBT的耐过压和耐过流能力较差，一旦出现意外就会损坏，因此必须对IGBT进行保护，客车DC 600 V供电系统逆变器的IGBT模块有过压、欠压保护，过流、过载、过热等保护功能。
3．1 过压和欠压保护。
    使用IGBT作开关时．由于主网路的电流突变，加到IGBT集电-发射问容易产生高直流电压和浪涌尖峰电压。直流过电压的产生是输入交流电或IGBT的前一级输人发生异常所致。解决方法是在选取IGBT时进行降额设计；也可在检测m过压时分断IGBT的输入，IGBT的安全。目前，针对浪涌尖峰电压采取的措施有：
    (1)在工作电流较大时，为减小关断过电压，应尽量使主电路的布线电感降到最小；
    (2)设置如图7所示的RCD缓冲电路吸收保护网络，增加的缓冲二极管使缓冲电阻增大，避免导通时IGBT功能受阻的问题。
    对于由接触网电压的波动而造成的输出欠压，逆变器可以不停止工作，而是采取降频降压的方式，即当输人电压低于540 V时，逆变器按照Y／F=C(常数)的规律降频降压工作。
3．2 过流与过载保护
    空调客车的IGBT模块逆变器具备承受电动机负载突加与突减的能力：当输出侧和负载发生短路时，逆变器能立即封锁脉冲输出，并停止工作，IGBT产生过电流的原因有晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰引起的误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、逆变桥的桥臂短路等。IGBT承受过电流的时间仅为几微秒。通常采取的过流保护措施有软关断和降低栅极电压两种。
    软关断抗干扰能力差，一旦检测到过流和短路信号就关断，容易发生误动，往往启动保护电路，器件仍被损坏。降低栅极电压则是在检测到器件过流信号时，立即将栅极电压降到某一电平，此时器件仍维持导通，使过电流值不能达到最大短路峰值，就可避免IGBT出现锁定损坏。若延时后故障信号仍然存在，则关断器件；若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常工作状态．大大增强了抗干扰能力。
    当逆变器的输出超过其自身的输出能力，称为过载，逆变器的过载检测靠输出侧的电流传感器或输入侧的直流电流传感器。一般情况下逆变器的过载保护为反时限特性。即设定过载电流为额定电流的1．5倍持续1 min后保护，而低于1．5倍可延长保护动作时间。而高于1．5倍时则保护动作的时间小于1 min。
3．3 过热保护
    当逆变器的散热器温度超过允许温度时，散热器的热保护继电器给出信号让逆变器的控制电路自动封锁脉冲，停止工作。通常流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故器件的损耗较大。若热量不能及时散掉，器件的结温将会超过最大值125℃，IGBT就可能损坏。散热一般是采用散热器，可进行强迫冷却。实际应用中，采用普通散热器与强迫冷却相结合的措施。并在散热器上安装温度开关，可在靠近IGBT处加装一温度继电器，以检测IGBT的工作温度。同时，控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入，以保护其安全。

4 结语
    IGBT模块开关具有损耗小、模块结构便于组装、开关转换均匀等优点。已越来越多地应用在铁路客车供电系统中。在应用IGBT时，应根据实际情况对过流、过压、过热等采取有效保护措施，以保证IGBT安全可靠地运行。

    在车辆称重系统中，若车辆有前后两根轮轴，则图2为车辆称重系统框图。前后传感器将载荷变化转换为电容变化；电容测量电路将电容值转换为电压值；DSP将传感器输出的电压值进行加转换，其数据经运算、处理后，将整车载荷值送至显示器。由于系统中需采集的数据量较大，特别是动态称重测量，为了满足系统的实时性需求，车辆称重采集系统采用AD7891和TMS320LF2407 DSP实现车辆称重数据采集。

3 系统硬件设计
    系统采用美国ADI公司的AD7891型A／D转换器，它是一种内含输入多路转换器和采样保持放大器的12位数据采集系统(DAS)，输入模拟信号范围为-10～+10 V，理论精度指标可达4．88 mV，适合与各种微处理器、控制器以及数字信号处理机连接。它和DSP有并行和串行两种工作模式，并有8个具有过压保护的模拟信号通道，允许过压值为±17 V，只对1个通道信号采样时，最大采样速率可达454．5 kS／s。AD7891采用单电源工作，功耗低。非常适用于数据采集系统和测试设备等方面应用。因此，该车辆称重系统采用AD7891完全能够满足系统各项要求。在高速采集系统中，AD7891与DSP相结合通常采用串行或并行方式，利用软件控制数据线方式实现系统要求的采集速度。AD7891与DSP采用并行方式，使用DSPI／O端口的A、B、C、D、E数据和方向控制器实现AD7891的时序控制。另外由于DSP的I/O端口电压为3．3 V，而AD7-891的端口电压为5 V，当DSP的端口只向AD7891的端口发送信号时．通过DSP的I／O端口直接接至AD7891；但如果从AD7891的端口直接向DSP的端口发送信号则有可能损坏DSP。因此需要高速双向电平转换器，这里选用P174LVCC424-5A，由于一片P174LVCC4245A只能处理8位数据线，因此需要2片P174LVCC4245A进行电平匹配。其硬件连接电路如图3所示．图3中DSP对A。D7891的时序控制完全是通过TMS320LF2407 DSP的I/O端口实现，D[O：11]指向DSP接口。AD7891的CS、WR、CONVST、RD、EOC时序控制引脚分别与DSP I／O端口的IOPB4、IOPB5、IOPB6、IOPB7、IOPF4相匹配。AD7891引脚和DSP I／O端口通过2片电平转换器P174LVCC4245A连接，其引脚配置如图3所示。

4 系统软件设计
    系统程序流程主要是对采集到的数据进行误差分析处理。图4为车辆称重数据处理程序流程．其中初始化DSP、AD7891和外围元件，包括设置堆栈指针，设置定时器工作模式并使其能中断，设置数据存储器初值及对A／D转换器初始化等。系统上电后，首先执行初始化程序。初始化完成后．调用信号采集和A／D转换程序，分别采集前、后轮轴的电容传感器输出信号和车辆加速度传感器输出信号。
    通过图4看出．程序的关键就是准确采集到传感器输出电压。为实现车辆称重系统的高速采样，首先分析AD7891的时序，图5为AD7891并行工作时序。

    图5中，t1为从CS到RD/WR的触发时间，t2为写脉冲宽度，不小于35 ns；t3为写有效数据时间，不小于25 ns；t4为有效数据保持时间，不小于5 ns；t5为CS到RD/WR的保持时间，t6为CONVST脉冲宽度时间，不小于35 ns;t7为EOC脉冲宽度时间，不小于55 ns；t8为度脉冲宽度，不小于35 ns；t9为RD下降沿之后读数据时间，不小于25 ns；tCONV为转换时间，不大于1．6μs。为实现测控系统的高速实时采样必须合理准确分配以上各时间，AD7891的工作时序全部由DSP的I／O端口实现。系统DSP主频时钟为30 MHz，采用分频15 MHz输出，单周期指令运行的时间为33 ns。用C语言执行一个I／O端口指令，编译完后，大概需要4个周期指令时间。下面是测控系统DSP对通道1采集的C语言程序代码：

   
    以上程序代码完全能够控制图5所示的AD7891时序，从而满足车辆称重系统对采集系统准确、实时、高速的要求。

5 试验结果
    车辆称重系统试验是在额定载量为500 kg的轻型货车上进行的。试验时驾驶室乘坐2人，体重共75kg，车厢内靠前部均匀摆放沙袋作为载荷，车速最高为40 km／h。图6记录了车辆静止一起步一加速一制动一停止全过程中采集输出电压的变化曲线。图6中时间段：0～9 s为发动机熄火静止和点火阶段，此时，前、后轴采集输出电压均无变化：9～18 s为挂挡加速起步阶段，此时加速度明显增大，前轴传感器采集输出电压降低，后轴传感器采集输出电压升高；以后的18~32 s阶段，包括换挡、加速过程，换挡时车辆滑行，加速度减小，前轴采集输出电压升高，后轴输出电压降低；从第32 s进入脱挡阶段，开始制动，加速度急剧减小，前轴采集输出电压明显升高，后轴采集输出电压降低，第38 s时达到最大峰值点。试验结果证明，该系统设计能够完成系统对数据高速实时采集的需求。

6 结论
    车辆称重采集系统采用DSP的I／O端口读取AD7891的数据。通过对DSP编程完全控制AD7891的时序，虽然占用大量的DSP I／O端口．但由于TMS320LF2407 DSP I／O端口丰富，因此这种实现方式完全可行。该装置结构简单，成本低廉，不仅能够满足车辆的静态称重，而且动态称重的精度也高于2％，完全能满足公路超载检测要求。