铁路客车电源IGBT模块的驱动与保护技术研究

摘要

铁路客车具有运量大、成本低和运维简单等优点，在铁路客运上具有不可替代的地位。客车电源作为车载用电设备的供电装置，主要由三相逆变器和充电机构成。为了保证主电路IGBT模块的可靠运行，需要设置性能良好的IGBT驱动保护电路。过去常使用厚膜驱动电路或SCALE系列驱动器等集成驱动保护电路，但它们存在电路接口和内部参数不便调整、功能不足、成本较高和采购周期长等缺点。
　　本文的选题来源于株洲电力机车研究所的“变流模块共性技术平台研发”所级重大项目。针对铁路客车电源IGBT对驱动和保护的需求，以及当前集成驱动电路的不足，自主设计一种功能完善、成本低廉且参数方便调节的驱动保护电路。
　　本文通过分析IGBT的工作特性，得出IGBT对驱动的要求，如合适的驱动正负电压、栅极驱动电阻、驱动功率和电气隔离方式等。然后通过PSPICE仿真和计算，分析了铁路客车电源功率模块和输出端的故障情况。接着对IGBT在短路故障下的几种失效模式进行了分析，得出IGBT模块短路的检测与保护方法。
　　根据铁路客车电源IGBT模块对驱动和保护的要求，本文设计了一种基于分立器件的IGBT驱动保护电路，包括驱动隔离电源、信号隔离电路、驱动电路和检测与保护电路四大模块。因此，该驱动保护电路除了具备基本的驱动信号功率放大功能之外，还具有可靠的电气隔离、较短的传输延时、短路检测与保护、欠压保护和门极保护等功能。
　　最后通过PSPICE仿真和单板实验对驱动保护电路进行了功能验证，仿真和实验结果均表明，该驱动保护电路能实现相应的功能，具有较大的实用价值，符合项目的前期要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铁路客车电源系统

1．2 电力电子器件发展与应用

1．3 驱动保护电路的现状与发展

1．3．1 非隔离集成驱动电路

1．3．2 厚膜集成驱动电路

1．3．3 ASIC集成驱动器

1．4 本文的研究意义与主要内容

1．4．1 本文的研究意义

1．4．2 本文的主要内容

第2章 IGBT工作特性与驱动要求

2．1 IGBT的结构

2．2 IGBT的工作特性

2．2．1 静态特性

2．2．2 动态特性

2．3 IGBT安全工作区

2．4 IGBT对驱动电路的要求

2．4．1 驱动正电压

2．4．2 驱动负电压

2．4．3 栅极驱动电阻

2．4．4 驱动功率

2．5 驱动电路电气隔离

2．5．1 电源隔离

2．5．2 信号隔离

2．6 本章小结

第3章 铁路客车电源故障工况下IGBT的保护研究

3．1 铁路客车电源结构与工作原理

3．1．1 三相逆变器结构与工作原理

3．1．2 充电机结构与工作原理

3．2 铁路客车电源主电路故障分析

3．2．1 功率模块故障分析

3．2．2 输出端故障分析

3．3 IGBT模块的失效分析

3．3．1 短路过热失效

3．3．2 短路擎住失效

3．3．3 集电极击穿失效

3．3．4 栅极击穿失效

3．4 IGBT模块短路保护研究

3．4．1 短路故障检测方法

3．4．2 短路故障软关断保护

3．5 驱动控制信号逻辑保护

3．6 本章小结

第4章 IGBT驱动保护电路设计

4．1 驱动保护电路总体结构

4．2 驱动隔离电源设计

4．2．1 电源主电路

4．2．2 电源变压器设计

4．3 信号隔离电路设计

4．3．1 脉冲边沿调制与还原

4．3．2 脉冲变压器设计

4．3．3 仿真验证

4．4 驱动电路设计

4．4．1 驱动电路结构

4．4．2 正常工作原理

4．4．3 软关断保护原理

4．5 检测与保护电路设计

4．5．1 555定时器工作原理

4．5．2 欠压保护电路

4．5．3 短路故障检测电路

4．5．4 故障自锁与恢复

4．5．5 仿真验证

4．6 驱动电路PCB布线工艺

4．7 本章小结

第5章 实验结果及分析

5．1 单板实验电路

5．2 驱动隔离电源

5．3 信号隔离电路

5．4 驱动电路

5．5 短路检测与保护电路

5．6 本章小结

第6章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果