摘要：交流传动电力机车上的主、辅变流器作为保证交流传动电力机车安全稳定运行的关键系统，承担着为交流传动电力机车提供牵引动力以及为车载辅助用电设备（如通风机、空气压缩机、空调、信息系统显示装置等）提供电能的重要任务，因而对其功率密度、能量传递效率以及可靠性提出了更高的要求。变流器的核心器件为绝缘栅双极型晶体管（IGBT），它在变流器的工作中起着功率变换、能量传输等关键作用，只有保证IGBT安全工作、可靠驱动，才能保证交流传动电力机车主、辅变流器稳定工作。
关键词：交流传动；电力机车；IGBT保护技术
1IGBT驱动电路分析
1.1IGBT驱动电路的一般要求
应根据具体的IGBT参数来选定IGBT驱动电路的功率，以确保IGBT开关动作可靠。功率的选定所涉及的主要参数是栅极电荷QG。IGBT存在关断电流拖尾效应，可采用负向的栅-射极电压VGE将IGBT快速关断，负向电压可抑制由于发生米勒效应而导致的IGBT误导通现象。IGBT的通态损耗与其饱和压降直接相关，而饱和压降由IGBT驱动开通电压决定。为降低IGBT的通态损耗，应提高IGBT驱动开通电压，但不能超过±20V的极限值。因此，IGBT驱动电压选择为：适中的正向15V开通电压、保证可靠关断IGBT的负向10V关断电压。
1.2IGBT额定电压
IGBT的额定电压必须与其所在的变流器工作电压相匹配，如果选择的IGBT额定电压过低，在实际工作中，由于开关动作引起的过电压对其可靠性有较大影响；如果选择的IGBT额定电压过高，会造成额外的成本压力。一般来讲，额定电压必须是工作电压的1.2~1.5倍，这样的选择，从可靠性与经济性角度来讲，都较为合理。
2IGBT栅极保护与静电对策
IGBT栅-射极电压VGE的大小一般在±20V的范围内（IGBT规格书中有详细记录）。当IGBT的栅极（G极）和发射极（E极）之间施加的电压超过此数值时，栅极将有损坏的风险。其主要原因是IGBT的栅极和发射极之间的氧化膜厚度小，易被过电压击穿。IGBT的栅极对静电非常敏感，在使用时一定要特别注意。工程师及与IGBT接触人员在触碰IGBT前，一定要先让人体及衣物所带的静电通过高阻接地放电，然后再进行相关操作，否则，由于静电电压较高，很可能将IGBT的栅极击穿而损坏。相关工作人员在接触IGBT时，不能直接触碰IGBT的管脚（金属部分）。另外，IGBT需要焊接时，为了避免烙铁和烙铁焊台所产生的静电施加到IGBT上，损坏IGBT，烙铁的前端应采用低电阻接地来释放静电。IGBT在存储和运输过程中，要用导电性较好的泡沫材料进行防护，而且这种防护必须在电路连接或焊接后才能撤出。
在栅-射极之间处于开放的状态下，在集电极（C极）和发射极（E极）之间施加电压，IGBT有可能损坏。这是由于在IGBT的栅极和集电极之间存在电容CGC（可称为米勒电容），当集电极电势发生变化时，集电极通过米勒电容为栅极注入电流，影响栅极电势的变化，IGBT发生误导通，因发生短路而损坏。
为了防止静电电荷积累而增大栅极和发射极之间的电压，可在这两极之间接一个放电电阻来释放静电电荷，放电电阻的电阻值一般取10kΩ。还可在这两极之间增加一个TVS管（瞬变电压抑制二极管），此器件的作用是抑制电路中由于电流与磁场等相关物理量突变而产生栅极过电压。
3IGBT集电极过电压保护设计
3.1IGBT集电极过电压产生的原因
过电压现象是IGBT在工作中出现概率最大的现象。在四象限脉冲整流器的电路中或三相逆变电路中，各桥臂上、下IGBT在各自开关动作瞬间均会产生较大的dIC/dt，加之线路中的感性寄生参数，会产生尖峰电压。如果dIC/dt较大或者感性寄生参数不能有效控制，将会产生很大的尖峰电压。该尖峰电压即为过电压，它对IGBT的可靠性造成很大的影响。
电路中，电流变化率过大是导致IGBT过电压产生的主要原因，过电压现象体现于集电极和发射极间的电压过大。
集电极和发射极间电压的计算公式如下：
（1）
式中：VCE为集电极和发射极间的电压，V；LS为电路中的杂散电感，H；dIC/dt为电流变化率，通常是指电流下降率。
从公式（1）可看出，集电极和发射极间的电压VCE的大小主要取决于电路中的杂散电感LS和电流变化率dIC/dt这2个参数。降低VCE的方法可以从这2方面考虑：
1）尽量减小线路中的杂散电感LS，即寄生电感，但是该方法的效果有限；
2）设计合理的电路，减小电流变化率dIC/dt。
3.2IGBT过电压抑制方法
IGBT在开关动作过程中，较大的过电压会使IGBT集电极与发射极之间发生击穿现象，造成完全不可逆的损坏。因此，为了抑制过电压，在实际工程应用中，有以下几种可行方法：
1）增加保护电路以抑制浪涌电压。即在桥臂上或在IGBT的集电极与发射极之间并联金属膜电容，如图1中的C1、C2。利用电容对瞬态电流的吸收作用缓解过大的电流变化，从而减小过电压。从器件特性角度来看，该并联的金属膜电容可与线路中的感性寄生参数中和，起到抑制过电压的作用。
图1并联电容抑制过电压电路下载原图
2）调整IGBT的开关速度，减小电路中的电流变化率dIC/dt。一般可通过增大驱动电路的驱动电阻来实现。还可采用有源箝位法，当检测到VCE过高时，利用相关电路，给栅极注入电流，提高栅极的电压，减小IC的变化率，即减小VCE。
3）尽可能将用于储能的电解电容器配置在IGBT附近，减小电路中的寄生电感。同时，储能的电解电容器尽量选择感性参数较小的，有效减小VCE。
4）为减小主电路与保护电路的寄生电感，电路线应尽可能粗而短。条件允许的话，可采取并列分层走线的形式。因为，该方法对于降低电路线的寄生电感有较为明显的效果。
4IGBT过电流及短路保护设计
4.1IGBT过电流保护
交流传动电力机车上的变流器在工作时，过电流是一种较为常见的现象。当发生过电流时，流过IGBT的电流将持续上升。当IGBT的集电极电流为额定电流的3~4倍时，会发生退饱和现象。当退饱和现象发生时，IGBT将进入线性工作区。在线性工作区中，IGBT的VCE电压较高，工作电流较大。此时，IGBT的瞬时功率必定较大，超出安全工作区域，存在因过功率而损坏的风险，直接影响其可靠性。因此，当发生过电流时，需对IGBT采取相应的保护措施。从电路检测出过电流到完成IGBT的关断，电路的动作延迟时间应尽可能短。一般来说，IGBT的关断时间很短，如果电流被通常的驱动信号快速切断，由于电路中存在的寄生电感感应出较高的集电极电压，IGBT可能遭受过电压而损坏。因此，在关断IGBT时，一定要选择合适的关断速度，使IGBT较为缓慢地关断，即软关断。
4.2IGBT短路保护
交流传动电力机车上的变流器在工作时，若负载侧出现短路故障，变流器的输出电流会急剧上升，IGBT的集电极电流必然也会急剧上升，电流变化率dIC/dt迅速增加。此时，IGBT如果进行开关动作，集电极与发射极之间的电压会迅速增加。一般来讲，短路发生时，损坏IGBT的原因有2个：过电流的损坏或集电极过电压的损坏。
结论
IGBT作为交流传动电力机车上使用的大功率变流器的关键核心器件，其驱动电路至关重要，除了必须保证其具备优良的驱动能力外，还必须对其采取完备的保护措施，才能确保IGBT在交流传动电力机车极端复杂的工作条件下的安全性与可靠性，避免因发生大的故障而影响列车的正常运行。
参考文献：
[1]饶沛南.大功率交流传动机车牵引变流器的研究与开发[D].西南交通大学，2011.
[2]李永.电力机车辅助逆变器IGBT驱动与保护的研究[D].大连交通大学，2005.
论文作者:李宁博
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：过电压论文; 电压论文; 集电极论文; 栅极论文; 电流论文; 电路论文; 发射极论文; 《电力设备》2018年第29期论文;