【正文】 了廣泛應(yīng)用IGBT集雙極型功率晶體管和功率 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體具有電壓控制輸入阻抗大驅(qū)動功率小控制電路簡單開關(guān)損耗小通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn) IGBT 的工作特性 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 IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓 UGE 來控制的當(dāng) UGE 大于開啟電壓 UGEth 時 IGBT 導(dǎo)通當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時 IGBT 被關(guān)斷 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)用在驅(qū)動電路中主要研究 IGBT 的飽和導(dǎo) 通和截止兩個狀態(tài)使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭 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(diǎn) 柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響必須正確選擇當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時． IGBT 的導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域使 IGBT 過熱損壞使用中選 12V≤ UGE≤ 18V 為好柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷 時浪涌電流過大而使 IGBT 誤導(dǎo)通一般負(fù)偏置電壓選一 5V為宜另外 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(dǎo)通區(qū)而損壞 IGBT 快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率減小開關(guān)損耗但在大電感負(fù)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 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻 RG 和柵射電容 CG 對 IGBT 的驅(qū)動相當(dāng)重要 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IGBTRG 較大有利于抑制 dvce／ dt 但會增加 IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗合適的CG 有利于抑制 dic／ dtCG 太大開通時間延時 CG 太小對抑制 dic／ dt 效果不明顯 當(dāng) 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(dǎo)通為防止這種現(xiàn)象發(fā)生可以在柵射間并接一個電阻此外在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同 HCPL316J 驅(qū)動電路 HCPL316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理若 IGBT出現(xiàn)過流信號腳 14 檢測到 IGBT集電極上電壓 7V而輸入驅(qū)動信號繼續(xù)加在腳 1欠壓信號為低電平 B點(diǎn)輸出低電平三級達(dá)林頓管被關(guān)斷 1 DMOS 導(dǎo)通 IGBT 柵射集之間的電壓慢慢放掉實(shí)現(xiàn)慢降柵壓當(dāng) VOUT 2V 時即 VOUT 輸出低電平 C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?B 點(diǎn)為高電平 50 DMOS導(dǎo)通 IGBT柵射集迅速放電故障線上信號通過光耦再經(jīng)過 RS觸發(fā)器 Q輸出高電平使輸入光耦被封鎖同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況 驅(qū)動電路設(shè)計 HCPL316J 左邊的 VINFAULT 和 RESET 分別與微機(jī)相連R7R8R9D5D6和 C12 起輸入保護(hù)作用防止過高的輸入電壓損壞 IGBT但是保 護(hù)電路會產(chǎn)生約 1μ s 延時在開關(guān)頻率超過 100kHz 時不適合使用 Q3 最主要起互鎖作用當(dāng)兩路 PWM 信號同一橋臂都為高電平時 Q3 導(dǎo)通把輸入電平拉低使輸出端也為低電平圖 3 中的互鎖信號 Interlock 和 Interlock2 分別與另外一個 316J Interlock2 和 Interlock1 相連 R1和 C2 起到了對故障信號的放大和濾波當(dāng)有干擾信號后能讓微機(jī)正確接受信息 在輸出端 R5和 C7關(guān)系到 IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗增加 C7可以明顯地減小 dic／ dt 首先計算柵極電阻其中 ION 為開通時注入 IGBT 的柵極電流為使IGBT 迅速開通設(shè)計 ION 值為 20A 輸出低電平 VOL 2v C3 是一個非常重要的參數(shù)最主要起充電延時作用當(dāng)系統(tǒng)啟動芯片開始工作時由于 IGBT 的集電極 C 端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 7V 若沒有 C3 則會錯誤地發(fā)出短路故障信號使輸出直接關(guān)斷當(dāng)芯片正常工作以后假使集電極電壓瞬間升高之后立刻恢復(fù)正常若沒有 C3 則也會發(fā)出錯誤的故障信號使 IGBT 誤關(guān)斷但是 C3 的取值過大會使系統(tǒng)反應(yīng)變慢而且在飽和情況下也可能使 IGBT 在延時時間內(nèi)就被燒壞起不到正確的保護(hù)作用 C3 取值 100pF 其延時時間 在集電極檢測電路用兩個二極管串連能夠提高總體 的反向耐壓從而能夠提高驅(qū)動電壓等級但二極管的反向恢復(fù)時間要很小且每個反向耐壓等級要為1000V 一般選取 BYV261E 反向恢復(fù)時間 75 nsR4 和 C5 的作用是保留 HCLP316J出現(xiàn)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性其原理是 C5通過內(nèi)部 MOSFET的放電來實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷圖 3 中輸出電壓 VOUT 經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出使驅(qū)動電流最大能達(dá)到20A 能夠快速驅(qū)動 1700v200300A 的 IGBT 驅(qū)動電源設(shè)計在驅(qū)動設(shè)計中穩(wěn)定的電源是 IGBT 能否正常工作的保證電源采用正激變換抗干擾能力較強(qiáng)副邊不加濾波電感輸入阻抗低使在重負(fù) 載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定 當(dāng) s開通時 12v為比較穩(wěn)定的電源精度很高電壓便加到變壓器原邊和 S相連的繞組通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出當(dāng) S 關(guān)斷時通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位 555 定時器接成多諧振蕩器通過對 C1 的充放電使腳 2 和腳 6 的電位在 4～ 8v之間變換使腳 3 輸出電壓方波信號并用方波信號來控制 S的開通和關(guān)斷 12v經(jīng)過 R1D2給 C1充電其充電時間 t1≈ R1C2ln2 放電時間 t2 R2C1ln2 充電時輸出高電平放電時輸出低電平所以占空比 t1／ t1t2 變壓器 按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計原邊接 12v 頻率為 60kHz 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw 為 O． 15T 副邊 15v 輸出 2A5v 輸出 1 A 效率 n 80％窗口填充系數(shù) Km 為 O． 5磁芯填充系數(shù) Kc 為 1 線圈導(dǎo)線電流密度 d 為 3 A／ mm2 則輸出功率 PT 15O． 62 25O． 6 1 2 64W 由于帶載后驅(qū)動電源輸出電壓會有所下降所以在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓 充電機(jī)工作原理 CRH2 型動車組中蓄電池充電模塊 BCMBattery charger module 是一個靜止的變流裝置其作用是將三相交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓用 來向蓄電池充電并為直流母線提供電能為其它直流負(fù)載供電每個充電器的總功率為13kW 其中輸出功率為 8kW 最大充電功率為 5kW 充電器為一體化的模塊除冷卻系統(tǒng)外有三個主要子系統(tǒng)一個三相橋式輸入整流器一個 IGBT 逆變器和一個輸出整流器 BCM 的主電路原理框 3 BCM 的主電路原理框圖 BCM 的電路原理如圖所示 圖 24 BCM 的電路原理 BCM 是單機(jī)設(shè)備能夠獨(dú)立工作既含有冷卻系統(tǒng)也含有控制系統(tǒng)模塊安裝在車輛的底架中到 BCM的電源和信號電纜來自模塊頂上的電纜管道通過 BCM上蓋板中的孔引入 BCM內(nèi)外電纜間的連接端子置于 BCM內(nèi)部在外殼上既沒有電纜密封管也沒有插座 有一個連接器用于三相輸入一個輸出到電池總線一個輸出到電池以及一個共用的輸出用于電池總線和電池的負(fù)極 PT100元件將 IGBT散熱器溫度送給控制單元 BCCI如果溫度不高于預(yù)設(shè)值散熱器僅通過自然對流冷卻就可以了如果溫度超過預(yù)設(shè)值就激活冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫散熱器冷卻 CRH2 動車組設(shè)置 2 臺輔助電源裝置 APU 分別向 4 輛車提供輔助電源當(dāng)一臺輔助電源裝置發(fā)生故障時可通過另一臺輔助電源裝置向全列車提供輔助電源 輔助電源裝置 APU由 APU輸入輔助整流器 PWM三相輸出逆變器逆變器輸出變壓器 CVCF 輸出變壓器輔助變壓器等構(gòu)成 APU 的輸入電源是牽引變壓器輔助繞組輸出的 AC400V 通過可控硅混合電橋變換成為直流電該直流電通過 PWM 三相逆變器變換成為交流電通過逆變器輸出變壓器提供 AC400V 三相 50Hz 電源 輔助整流器柜由整流器變壓器輔助整流器構(gòu)成 CVCF 輸出變壓器將 AC400V 三相電源變換成單相 AC220VAC100V 的穩(wěn)壓電源 輔助變壓器將牽引變壓器輔助繞組的 AC400 變換成另一單相 AC100V 電源 輔助整流器箱使用整流器變壓器將 APU 的 400V 三相電壓輸出變壓后 通過三相全波整流器輸出 DC100V 輔助整流裝置采用自冷式由整流器變壓器整流二極管單元用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓下降特性的電阻等構(gòu)成 動車組上設(shè) AC220V 電源插座不設(shè) DC24V 及 DC36V 的插座 輔助電源裝置的輸出滿足 JIS E 6402 全列共設(shè) 3 組蓄電池蓄電池組容量可維持應(yīng)急用電量兩小時運(yùn)行過程中蓄電池組可在線路上充電 輔助系統(tǒng)采用冗余設(shè)計 在動車組上安裝 2 臺牽引變壓器其輔助繞組輸出的 AC400V 電壓分別供電給 4 節(jié)車廂當(dāng)一臺牽引變壓器故障時為了使另一臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)牽引變壓器能夠通過輔助繞組向 8 節(jié)車廂供電設(shè)置了用于切換的輔助繞組電源感應(yīng)回路當(dāng)輔助繞組電源切換后空調(diào)裝置半功率運(yùn)行 輔助電源裝置每臺輔助電源裝置給 4 節(jié)車廂供電當(dāng)一臺輔助電源裝置發(fā)生故障時為了使另一臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助電源裝置能夠向 8 節(jié)車廂供電設(shè)置了用于切換的擴(kuò)展供電回路 輔助電源裝置的輸出容量的設(shè)計能夠在故障時用一臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助電源裝置向整列車供電因此當(dāng)一臺輔助電源裝置故障時無需 減少負(fù)荷 輔助電源裝置 APU 輸入輸出參數(shù)表 25 表 25 輔助電源裝置輸入輸出 APU 的 5 個電壓輸出額定容量均大于 1 臺 APU 停止運(yùn)行時的負(fù)載功率 動車組車外車體側(cè)面裝有連接外部電源的插座 AC400V單相 50HzM2 車 2號車及 6 號車上各有一處 車輛檢修基地設(shè)置有外部電源可供輔助電路的工作輔助電源裝置 APU出現(xiàn)故障時系統(tǒng)供電容量表 26 輔助電源裝置 APU 14 號車負(fù)載 58 號車負(fù)載 整列合集負(fù)載 APU 額定容量 DC100V ARf 244kw 233kw 478kw 58kw 2 臺 116kw AC100V CVT 夏 34 kw 36 kw 71 kw 12 kw 1 號車 APU 停止時 停止 71kw 12kw 8 號車 APU 停止時 71kw 停止 12kw AC220V CVT 夏 19kw 63kw 81kw 12kw 1 號車APU 停止時 停止 81kw 12kw 8 號車 APU 停止時 81kw 停止 81kw 12kw AC100V ATr 夏 29kw 24 22kw AC100V ATr 冬 118kw 112 22kW AC400VSIV 578kw 652 123kw 123kw 1 號車 APU 停止時 停止 123kw 123kw 表 26 輔助電源裝置系統(tǒng)供電容量 APU 的 5 個電壓輸出額定容量均大于 1 臺 APU 停止運(yùn)行時的負(fù)載功率 動車組車外車體側(cè)面裝有連接外部電源的插座 AC400V單相 50HzM2 車 2號車及 6 號車上各有一處 車輛檢修基地設(shè)置有外部電源可供輔助電路的工作 25 CRH2 動車組分配系統(tǒng) CRH2 動車組配電系統(tǒng)線號記號分類 關(guān)于線號的分配方案 線號格式 １＿ ２＿３＿ ４＿ Ａ＿１ 千位 百位 十位 個位 英文 附加數(shù)字 千位百位數(shù)字用于區(qū)別電源系統(tǒng)信號種類 0 零的時候可以省略 十位個位數(shù)字作為回轉(zhuǎn)序號分配 0 零的時候可以省略 1 直流電路 ① 102 線系統(tǒng) 由蓄電池提供的電源平時就成為接通的使用狀態(tài)隨時為輔助電動空氣壓縮機(jī)受電弓及真空斷路器等與行車相關(guān)設(shè)備提供電源 ② 103 線系統(tǒng) 就列車編組的貫通而言在 VCB接通前各車使用備用電源蓄電池 VCB接通后輔助電源的輸出線 101 線 103 線的場合是經(jīng)過 ARfK 提供電源 由于制動設(shè)定器手柄接通 105 線接通 M2 車的 BVR 動作通過 BVR 接點(diǎn)接通 BAtK1 動作 103 線被接通此外即使斷開制動設(shè)定器手柄若 VCB 接通時由于BatK1 繼續(xù)動作 103 線仍處于接通狀態(tài) 該電源用于控制電路 ATC 監(jiān)控器車輛開關(guān)門電路等主要的直流電源裝置及機(jī)器 1 直流電路 ③ 103B 線系統(tǒng) 在由 102線及 103線兩者提供電源的電路中通常是由 103線供電在接觸網(wǎng)停電時進(jìn)行切換備用燈的操作將備用電源接入為兩頭車的標(biāo)志燈回轉(zhuǎn)接觸電源廣播設(shè)備備用燈等提供電源 2 交流電路 ① 701751 線系統(tǒng) AC400V 50Hz 牽引變壓器的三次側(cè)的輸出線是經(jīng)過三 次側(cè)電源的交流接觸器 ACK1 和牽引變壓器油泵電機(jī) GRT 向 GR3 及 NVR1 供電 ② 704705 線系統(tǒng) AC400V50H