城市轨道交通车辆电器 课件3 牵引辅助逆变器.pptxVIP

;逆变电路是将直流电源变换成交流电源的一种电力变换电路。集成所有逆变电路器件及相关设备的装置,称为逆变装置或逆变器。依据城轨车辆上逆变器使用的系统的不同,可分为牵引逆变器(工作于牵引供电系统,如图3-1-1所示)和辅助逆变器(工作于辅助供电系统,如图3-1-2所示)。;;逆变电路的作用是在牵引工况下工作于逆变状态(相控角大于90°),将接触网或第三轨输送给车辆的DC1500V或DC750V电压变换成VVVF的三相交流电源供牵引电机使用,并进行牵引电机的调速;而在电制动工况下,使电路工作于整流状态,相控角控制在0°~90°,此时,牵引电机工作于发电状态,发出的三相交流电经逆变器整流成直流,回馈给电网或消耗在制动电阻上。

斩波电路的作用是在电阻制动阶段,通过调整斩波电路的开通时间来改变制动电阻值的大小,从而实现在较宽的速度范围内获取较大的制动电流,达到获得较大制动力矩的控制目的。;;目前,在城市轨道交通车辆逆变器中普遍采用的电力电子元件为绝缘栅极双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)。

1.IGBT的结构和基本工作原理

IGBT是一种新发展起来的复合型电力电子器件,由于它结合了MOSFET和GTR的优点,既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又具有输入通态电压低、耐压高、承受电流大的优点,这些优势使IGBT比GTR对用户具有更大的吸引力。在控制电机的变频器和开关电源以及要求快速、低损耗的应用领域,IGBT占据着主导地位。;;IGBT有两种类型:

①由PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT,称为N沟道IGBT,记为N-IGBT。其电气图形符号如图3-1-5c)所示。

②由NPN晶体管与P沟道MOSFET组合而成的IGBT,称为P沟道IGBT,记为P-IGBT。其电气图形符号与N-IGBT的基本相同,只是箭头指向相反。

;(2)IGBT的工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同,它是一种压控型器件,其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的,当UGE为正且大于开启电压时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时,MOSFET内的沟道消失,晶体管无基极电流,IGBT关断。;(3)IGBT的基本特性

①静态特性。与功率MOSFET相似,IGBT的转移特性和输出特性分别描??器件的控制能力和工作状态。图3-1-6a)为IGBT的转移特性,它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系,与功率MOSFET的转移特性相似。开启电压是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。开启电压随温度升高而略有下降,温度升高1℃,其值下降5mV左右。在+25℃时,开启电压的值一般为2~6V。;②动态特性。图3-1-7给出了IGBT开关过程的波形图。

IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程相似,这是因为IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET来运行的。从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10%的时刻起,到集电极电流IC上升至其幅度的10%的时刻止,这段时间为开通延迟时间。而IC从10%ICM上升至90%ICM所需要的时间为电流上升时间tr。同样,开通时间ton为开通延迟时间与上升时间tr之和。;(2)驱动电路

因为IGBT的输入特性几乎与MOSFET相同,所以用于MOSFET的驱动电路同样可以用于IGBT。

在用于驱动电动机的逆变器电路中,为使IGBT能够稳定工作,要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。为了使驱动电路与信号进行电隔离,应采用抗噪声能力强、信号传输时间短的光耦合器件。基极和发射极的引线应尽量短,基极驱动电路的输入线应为绞合线,其具体电路如图3-1-8所示。为抑制输入信号的振荡现象,在图3-1-8a)中的基极和发射极间并联一阻尼网络。

图3-1-8b)为采用光耦合器使信号电路与驱动电路进行隔离。驱动电路的输出极采用互补电路的形式,以降低驱动源的内阻,同时加速IGBT的关断过程。;(3)集成化驱动电路

大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题,都生产与其配套的集成驱动电路。这些专用驱动电路抗干扰能力强,集成化程度高,速度快,保护功能完善,可实现IGBT的最优驱动。目前,国内市场应用最多的IGBT驱动模块是富士公司开发的EXB系列,它包括标准型和高速型。EXB系列驱动模块可以驱动全部的IGBT产品范围,特点是驱动模块内部装有2500V的高隔离电压的光耦合器,有过电流保护电路和过电流保护输出端子,另外可以单电源供电。标准型的驱动电路信号延迟最大为4μs;高速型的驱动电路信号延迟最大为1.5μs。;;