【正文】 黃欽巍 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 32 參考文獻 1) 《動車組設(shè)備》 —— 中國鐵道出版社 劉志明 2020 2) 《 動車組輔助設(shè)備 》 —— 西南交通大學出版社 羅偉 2020 3) 《動車組輔助供電系統(tǒng)的比較與分析》 —— 北京交通大學出版社 鄭華熙 2020 4) 《高速鐵路 CRH1型動車組操作技術(shù)》 —— 西南交大出版社 張寶林 2020 5) 《高速動車組概論》 —— 西南交大出版社 李芾，安琪 2020 6) 《 CRH1型動車組》 —— 中國鐵道出版社 張曙光 2020 7) 《動車組構(gòu)造》 —— 西南交大出版社 李曉村 2020 8) 《 IGBT和 IPM及其應(yīng)用電路 》 —— 人民郵電出版社 周志敏 2020 9) 《 IGBT工藝要點》 —— 機械工業(yè)出版社 2020 10) 《 IGBT基礎(chǔ)與應(yīng)用實務(wù)》 —— 科學出版社 吳紅奎 2020 11) 《 IGBT實用備查手冊 》 —— 中國電力出版社 陽鴻鈞 2020 12) 《 MOSFET/IGBT驅(qū)動集成電路及應(yīng)用》 —— 人民郵電出版社 王水平 2020 13) 《現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》 —— 清華大學出版社 趙良炳 1995 。 當然，在做輔助供電系統(tǒng)課題畢業(yè)設(shè)計時，也有打退堂鼓，也有感性戰(zhàn)勝理性的時候，但是，一次又一次的，突破自己，挑戰(zhàn)自己，逼迫自己，才知道自己的潛能，也認識到自己，同時也認識到“至子死路而后生”的精髓所在。 本來毫無頭緒的畢業(yè)設(shè)計，本來對畢業(yè)設(shè)計帶有恐懼心理的我，在李澤昊老師的帶領(lǐng)與指導下，先把輔助供電系統(tǒng)的組成樹狀圖給畫了出來，都說“一千個人的心中有一千個哈姆雷特”，同組的十三位同學，把自己對此課題的認識和理解都畫出來了，但就像周總理說的“求同存異”，大體的方向和主題都差不多，而慢慢向細的方向發(fā)散下去時，就都不 盡相同了。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 31 設(shè)計課題心得 通過這次畢業(yè)設(shè)計制作，讓我了解到了書本上所沒有詳細介紹的地方，而靠自己從網(wǎng)上 ，從書本上一點一滴，一字一句的讀懂看懂，從而學習到了里面的知識，雖然說和自己所學的專業(yè)知識不對口，但人們不是常說“用寶珠打扮自己，不如用知識武裝自己”嗎，原本枯燥的知識，通過這次畢業(yè)設(shè)計才發(fā)現(xiàn)自己主動學習，自己發(fā)現(xiàn)知識，自己挑戰(zhàn)困難中的樂趣，讓我明白“世上無難事，只怕有心人”。電路能自動維持在設(shè)定的電流下運行。 圖 65：短路電流、短路承受時間與柵極電壓的關(guān)系 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 30 對于低倍數(shù)長時間的過負載電流及輸出變壓器的直流偏磁電流，也可采用逐波檢測電流控制型工作方式來加以限制。可以在發(fā)生短路后立 即將電路的工作頻率降到一赫以內(nèi)，采取打隔式的保護方法。但IGBT 一般都運行于較高的頻率下，如發(fā)生短路故障后仍在原來的工作頻率下連續(xù)進行短路保護就會因熱積累造成 IGBT 損壞。 通過采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動保護技術(shù)，故障電流的幅值和下降率都能受到限制。此時因集電極的電流已降到較小的值，如是真故障再次封鎖柵壓的速度就可以快一些，也就是不必再采用軟關(guān)斷。 當出現(xiàn)故障電流時，降柵壓的幅度用 I降柵壓的速率都會對故障電流的下降率產(chǎn)生影響。 隨著柵極電壓的降低，短路電流減小，短路承受時間延長的關(guān)系如圖 65所示。這有利于在短路承湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 29 受時間延長的這段時間內(nèi)，判斷是否是真故障過流。 比較理想的短路保護方案是出現(xiàn)過流時立即降低柵壓，使過流值不能達到最大短路峰值，這樣可避免 IGBT 出現(xiàn)鎖定損壞。采用這種過電流保護方式，因開始時的最大短路電流無法實現(xiàn)限制，極易因瞬時電流過大造成 IGBT 的發(fā)生鎖定，無法封鎖電流造成損壞。為了避開續(xù)流二極管的過沖電流和吸收電容器的放電電流，柵極的封鎖需延遲 2us以后動作，柵極電壓軟關(guān)斷的下降時間約需 5 一 10us，使得 10us 的過電流不能響應(yīng)。 為了封鎖短路電流，過去常采用軟關(guān)斷降低柵壓的方法。如飽和導通壓降 2V 的 IGBT允許承受的短路時間 5us, 而飽和壓降 3V 的 IGBT 承受的短路時間可達 15us，當飽和壓降增加到 4一 5 V 時可達 30us 以上。這種集中式的保護具有保護的徹底性，一旦保護動作后 需通過復位才能恢復正常工作。另一種是高倍數(shù) (不加保護時可達 8 一 10 倍 )的短路電流保護。 IGBT 的過電流保護 IGBT 的過電流保護電路可分為兩種類型。 當 IGBT 關(guān)斷時，柵射電壓很容易受 IGBT 和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。 RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT； RG 較大，有利于抑制 dvce／ dt，但會增加 IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。但在大電感負載下 IGBT 的開關(guān)頻率不宜過大，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成 IGBT 或其他元器件 被擊穿。另外， IGBT 開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使 IGBT 在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區(qū)而損壞。當正向驅(qū)動電壓增大時，． IGBT 的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流 IC 隨 UGE增大而增大，可能使 IGBT 出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導致門控失效，從而造成 IGBT 的損壞；若正 向驅(qū)動電壓過小會使 IGBT 退出飽和導通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使 IGBT 過熱損壞；使用中選 12V≤UGE≤18V為好。 IGBT 驅(qū)動電路要求 在設(shè)計 IGBT 驅(qū)動時必須注意以下幾點。 IGBT 與普通晶體三 極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。 IGBT 的 設(shè)計驅(qū)動 IGBT 是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。此外，閂鎖電流對 PNP 和 NPN 器件的電流增益有一定的影響，因 此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下， P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。為防止寄生 NPN 和 PNP 晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：一是防止 NPN湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 27 部分接通，分別改變布局和摻雜級別。只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT 閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。此時，仍然是由 N 漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。 反向阻斷 當集 電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N區(qū)擴展。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與 VCE、 IC和 TC有關(guān)。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在 N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 26 導通壓降 電導調(diào)制效應(yīng)使電阻 RN 減小，使通態(tài)壓降小。最后的結(jié)果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電 子流(MOSFET 電流 )；空穴電流（雙極）。當正柵偏壓使柵極下面反演 P 基區(qū)時，一個 N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產(chǎn)生一股電流。 ? 具過壓、過流、超溫等多重保證級報警裝置 IGBT的幾種工作狀態(tài) 導通 IGBT 硅片的結(jié)構(gòu)與功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是 IGBT 增加了P+ 基片和一個 N+ 緩沖層（ NPT非穿通 IGBT 技術(shù)沒有增加這個部分），其中一個 MOSFET 驅(qū)動兩個雙極器件。 ? 超載能力強，瞬間電流能承受額定電流的 300%。 ? 效率達 85%以上。當 MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴（少子），對 N 一層進行電導調(diào)制，減小 N 一層的 電阻 ，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。在漏、源之間的 P 型區(qū)（包括 P+ 和 P 一區(qū)）（溝 道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region ）。 器件 的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極 。 左邊所示為一個 N 溝道增強型絕緣柵雙極 晶體管 結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 IGBT 變頻器的主要控制單元基于對直流輸出電壓的測量，以及總輸出電流和蓄電池充電電流。 IGBT 受到控制，因 此，直流輸出電壓被維持在固定級別。 類型 MITRAC AU 1400 750 A A B 充電電壓，額定 126V DC 切換頻率， IGBT 變頻器 直流環(huán)節(jié)容量，總計 直流環(huán)節(jié)感應(yīng)器，感應(yīng)系數(shù) 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計 24 變壓器，比率 144 V / 2 132 V 蓄電池過濾電容器，容量 mF 蓄電池過濾感應(yīng)器，感應(yīng)系數(shù) 250 μH IGBT變 頻 器 IGBT在 BCM模塊中的應(yīng)用 IGBT 變頻器將直流環(huán)節(jié)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽儔浩鞲哳l矩形交流電壓。風扇電機通過過濾器控制，并受電機保護斷路器的保護。在前部，空氣不與外部空氣交流，因此，只有清潔的內(nèi)部空氣。如果半導體散熱器和內(nèi)部空氣溫度太低， BCM只需自然空氣循環(huán)冷卻。 BCM產(chǎn)生的氣流保護頂部和底部的通風孔不被雜物阻塞?？諝獗晃氲?BCM背部，并通過散熱器，出來后，經(jīng) BCM頂部和底部的通風孔。大功率半導體通過散熱器強制空氣冷卻。蓄電池充電機輸出電壓也根據(jù)蓄電池溫度受到控制。如果總輸出電流或蓄電池充電電路超過最大允許限值，輸出電壓即被減少，因此，蓄電池充電機以固定電流運行。中心抽頭次級線圈的輸出電壓再次被輸出整流器調(diào)整，并被蓄電池過濾器調(diào)理。 1. 3相電源 2. 輸入整流器 3. 直流回路濾波器 4. IGBT變流器 5. 高頻變壓器 6. 單獨輸出至電池 7. DC 電壓輸出 8. 電池 濾波器 BCM 蓄電池充電機模塊 冷卻系統(tǒng) 控制系統(tǒng) BCM