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IPM在電力機車(chē)大功率開(kāi)關(guān)電源中的應用研究
作者：
時(shí)間：2010-12-24
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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2 IPM保護功能
IPM內置的驅動(dòng)和保護電路使系統硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，也提高了系統在故障情況下的自我保護能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護電路，因而IPM在系統性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保護功能包括控制電壓欠壓保護、過(guò)熱保護、過(guò)流保護和短路保護。如果IPM模塊中的一種保護電路產(chǎn)生動(dòng)作，其內部的IGBT柵極驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號(Fo)。
(1)控制電壓欠壓保護(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12．5 V，且時(shí)間超過(guò)toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。
(2)過(guò)熱保護(0T)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)熱保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。
(3)過(guò)流保護(0C)：若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)toff，則發(fā)生過(guò)流保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di／dt，大多數的IPM采用兩級關(guān)斷模式。如圖4所示。
(4)短路保護(SC)：若負載發(fā)生短路或控制系統故障導致短路，流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。跟過(guò)流保護一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di／dt，大多數IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護的電流檢測和故障動(dòng)作問(wèn)的響應時(shí)間，IPM內部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，使響應時(shí)間小于100 ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一種故障時(shí)，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續時(shí)間tFo為1．8 ms(SC持續時(shí)間會(huì )長(cháng)一些)，此時(shí)間內IPM會(huì )封鎖門(mén)極驅動(dòng)，關(guān)斷IPM。當故障輸出信號持續時(shí)間結束后，IPM內部會(huì )自動(dòng)復位，門(mén)極驅動(dòng)通道重新開(kāi)放。
IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結束后故障源仍然沒(méi)有被排除，則IPM就會(huì )重復自動(dòng)保護的過(guò)程，反復動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護動(dòng)作都是非常惡劣的運行狀況，設計時(shí)應避免其反復動(dòng)作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實(shí)現器件的自我保護。為了使系統真正安全、可靠地運行，通常需要設計輔助的外圍保護電路。同時(shí)，IPM對欠壓、過(guò)流、短路和過(guò)熱等故障發(fā)生時(shí)，均輸出同一個(gè)故障信號Fo因而主控系統無(wú)法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進(jìn)一步的故障診斷技術(shù)。
3 IPM在電力機車(chē)模塊化分布式大功率開(kāi)關(guān)直流穩壓電源中的應用
電力機車(chē)中的110 V穩壓電源是為機車(chē)上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關(guān)設備提供動(dòng)力，因而對整個(gè)電力機車(chē)來(lái)講至關(guān)重要。電力機車(chē)110 V穩壓電源的輸出功率大，對穩定性和可靠性要求非常高。為了滿(mǎn)足系統要求，采用了分布式結構，利用多個(gè)逆變模塊，通過(guò)負荷分擔的方式來(lái)組成大功率系統。同時(shí)，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來(lái)產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統的可靠性和可控制性。
IPM在應用時(shí)首先應注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過(guò)高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時(shí)必須合理地預留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時(shí)要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問(wèn)應涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅動(dòng)電路中地線(xiàn)噪聲的影響，設計時(shí)應注意將驅動(dòng)電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，設計時(shí)應注意采用死區控制方式。
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