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第53讲:HVIGBT在轨道牵引中的应用(一)

发布日期:2022-04-07 来源:三菱电机半导体作者:网络
 

// 讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识,已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识,以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。


1.1 轨道牵引系统的电压等级概述


电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。轨道车辆从架空接触网或者第三轨(输电轨)接受电能,通过车载的变流器给安装在转向架上的牵引电机供电。驱动电机将电能转换为机械能,进而驱动轮对在轨道上面运动,带动车辆前进。电力牵引的主要优点有功率大、效率高、速度快、过载能力强、运行可靠和不污染环境等。
早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电机,随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展,采用交流电机牵引的交流传动技术迅速崛起,使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。
轨道交通电力牵引供电制式有直流和交流两类。
直流有600V、750V、1500V、3000V等电压等级。一般DC1500V采用架空接触网供电方式,而DC750V采用第三轨供电方式。
交流电压供电网络有6.25kV, 15kV, 25kV等电压等级。电气化的供电系统由发电厂集中提供电能,经变电站,通过高压输电线(110kV)传给牵引变电所,转变为相应电压到接触网上,供给沿线运行的电力机车。
铁路牵引领域是三菱电机HVIGBT的主要应用领域之一,同时,三菱电机拥有自己的牵引变流器企业,对HVIGBT在该领域的应用有相当经验,所以我们可以为客户提供很好的支持。三菱电机有1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的HVIGBT,满足不同电压等级的应用。

1.2 电力机车牵引变流器常用拓扑介绍



 

1.2.1 电力机车牵引变流器介绍

电力机车通常采用交-直-交(AC-DC-AC)变流系统,其基本拓扑如图11.1所示。AC25kV通过受电弓传送到牵引变压器,通过变压器降压后输入四象限整流器(4 Quadrant Converter,以下用4QC表示)变为直流,然后经过逆变器输出电压和频率可调的三相交流电,驱动电机运转。在图11.1所示拓扑中,整流侧为一台PWM整流器。其采取了两个HVIGBT并联的方式以加大输入功率。逆变侧为一台三相桥式逆变器驱动一台电机。直流母线上有额外的制动单元用以控制母线电压。
电力机车通常采用交-直-交(AC-DC-AC)变流系统,其基本拓扑如图11.1所示。AC25kV通过受电弓传送到牵引变压器,通过变压器降压后输入四象限整流器(4 Quadrant Converter,以下用4QC表示)变为直流,然后经过逆变器输出电压和频率可调的三相交流电,驱动电机运转。在图11.1所示拓扑中,整流侧为一台PWM整流器。其采取了两个HVIGBT并联的方式以加大输入功率。逆变侧为一台三相桥式逆变器驱动一台电机。直流母线上有额外的制动单元用以控制母线电压。


图11.1 电力机车常用拓扑

电力机车一般功率较大,整车功率可达7200kW或者9600kW,每轴的功率为1200kW或者1600kW。由于牵引功率大,且HVIGBT电流等级限制,一般采用HVIGBT并联的方式。但是HVIGBT并联就会带来电流不平衡的问题。为了降低电流不平衡率,同时提高变流器的可靠性,三菱电机可以依据客户需求,对并联使用的HVIGBT,根据饱和压降VCE(sat)和续流二极管的正向压降VEC进行配对,例如使两者的差值小于0.2V或者0.1V,以提高均流率。在HVIGBT出厂时会附带一份出厂测试报告,如图11.2所示,会注明配对使用的HVIGBT批号,以方便客户使用。


图11.2 三菱电机HVIGBT出厂测试报告

电力机车整流部分采用四象限变流器(4QC)。在牵引工况以及制动工况下,通过对电压和电流间的相位角的控制,能实现变流器的四象限运行。
为了防止中间直流环节的过电压,保证电气制动的可靠性和安全性,牵引变流器一般都含有制动单元。由一个HVIGBT、一个高压二极管(也可以用HVIGBT替代)和泄放电阻组成。当中间直流电压过压或直流环节出现异常时,触发HVIGBT导通,将直流环节中的能量进行泄放,以保护其他器件不受损伤。
牵引变流器的逆变部分一般由三相桥电路组成,为异步电机提供电压和频率可调的三相电压,根据电机牵引特性控制HVIGBT通断以调节输出电压的幅值和频率,完成DC/AC变换。根据变流器功率和电机功率的不同,可以每台变流器带一个电机,也可以带两个或者多个电机。


 

1.2.2 电力机车牵引变流器HVIGBT选型举例

1.2.2.1 变流器运行参数
假设一个6轴9600kW的电力机车,单轴功率1600kW,变流器采用图11.1所示拓扑,主要技术参数如表11.1所示:

 

表11.1 1600kW电力机车变流器主要技术参数

本节将以此为例介绍HVIGBT选型。

1.2.2.2 HVIGBT电压等级的确定
通常HVIGBT的电压额定值和电源电压(输入AC线电压)的关系可以用下式表示:
HVIGBT额定电压=(k1·Udmax+Upk2
上式中,k1为过电压系数,Udmax为直流电压最大值,Up为关断尖峰电压,k2为安全系数;
表11.2列出了输入电压、母线电压和HVIGBT电压等级三者之间的选型参考:

表11.2 HVIGBT电压等级选型参考

结合上式和表11.2,本文所举的例子,选择3.3kV HVIGBT。

1.2.2.3 HVIGBT电流等级的确定
对于HVIGBT的电流等级,一方面流过HVIGBT的电流峰值(包含过载工况) ICM不超过HVIGBT的额定电流。另一方面,HVIGBT的结温(包含过载工况)不超过HVIGBT的最大允许工作温度。
结合本文所举的例子:
输入电流Iin=1950/2=975A(四象限变流器,两个IGBT并联),Iin-m=975×√2=1379A
最大输出电流Io=1050A,Io-m=1050×√2=1485A
可以选择1500A的3300V HVIGBT CM1500HC-66R作为整流、斩波和逆变的功率器件。同时,CM1500HC-66R是否满足设计要求,还需要考虑其工作结温。

1.2.2.4 HVIGBT损耗和温升的估算
1) 整理器损耗和温升的估算
整流侧IGBT的损耗和温升,可以用三菱电机仿真软件Melcosim来仿真,在如图11.3所示的条件下,可以得到图11.4所示的结果。可以看到IGBT的最大结温为102.13℃,二极管的最大结温为110.67℃,小于规格书所规定值150℃,满足温升要求。

 


 


图11.3 整流器工况

图11.4 仿真结果

 

2)  斩波电路损耗和温升的估算
斩波电路HVIGBT及二极管的功耗计算比较复杂,不可以直接用仿真软件Melcosim来仿真。本文采用一种简化的方法来估算其损耗。当母线电压超过2000V时,斩波电路开始动作,开关频率为300Hz,IGBT占空比恒定为0.8,制动电阻为4Ω,IGBT电流和二极管电流如图11.5所示。

 


图11.5 斩波电路电流

 

P(IGBT)=导通损耗+开关损耗=VCE(sat)×IC×Duty+Eoff×fsw=1180W

二极管的损耗可以忽略不计。
IGBT的结温Tj=TS+ (Rth(j-c)+ Rth(c-s))×P(IGBT)=96.52℃。

因此,CM1500HC-66R满足斩波电路的温升要求。

 

3) 逆变器损耗和温升的估算
逆变器IGBT的损耗和温升,同样可以用仿真软件Melcosim来仿真,在如图11.6所示的条件下,可以得到图11.7所示的结果。可以看到IGBT的最大结温为113.98℃,二极管的最大结温为103.4℃,小于规格书所规定值150℃,满足温升要求。

 


 


图11.6 逆变器工况

图11.7 仿真结果

 

综合以上分析结果,CM1500HC-66R的电压、电流和温升均满足系统要求。
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