IGBT在中国轨道交通车辆中的应用-20100821-第四讲-2
IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
1、IGBT定义
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品
2、IGBT的用途
IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。
封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上
3、IGBT模块的特点
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点
当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块
4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用
控制能源的变换和传输
5、为什么电动汽车需要IGBT?
IGBT的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。
外界充电的时候是交流电，需要通过IGBT转变成直流电然后给电池，同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。
电池放电的时候，把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电，同时起到对交流电机的变频控制，当然变压是必不可少的。
IGBT是功率半导体器件，可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT 的好坏直接影响电动。
IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
IGBT在新能源电动汽车中的应用全面解析
1、IGBT定义
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管
IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品
2、IGBT的用途
IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，应用于直流电压为600V及以上的变流系统如轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。
封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上
3、IGBT模块的特点
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点
当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块
4、用最简单的语言概括IGBT的功能和作用
控制能源的变换和传输
5、为什么电动汽车需要IGBT?
IGBT的作用是交流电和直流电的转换，同时IGBT还承担电压的高低转换的功能。
外界充电的时候是交流电，需要通过IGBT转变成直流电然后给电池，同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。
电池放电的时候，把通过IGBT把直流电转变成交流电机使用的交流电，同时起到对交流电机的变频控制，当然变压是必不可少的。
IGBT是功率半导体器件，可以说是电动车的的核心技术之一,IGBT的好坏直接影响电动。
中国车规级IGBT(新能源汽车用IGBT)市场规模现状及发展潜力分析
中国车规级IGBT（新能源汽车用IGBT）市场规模现状及发展潜力分析一、IGBT概述IGBT是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，可以被认为是由MOSFET和BJT（双极性三极管）混合形成的器件，但比MOSFET制作更困难和复杂，耐压范围更大。
一般MOSFET器件或模块的耐压范围为20-800V，而IGBT可以承受1000V以上的高电压，因此是电力电子领域的理想开关器件。
根据英飞凌的技术，IGBT的发展可划分为三个阶段。
第一阶段是第一代和第二代IGBT所代表的平面栅极型IGBT。
由于功率器件产品不追求制程，所以这类产品仍然畅销，但第一代产品已经基本被淘汰。
第二阶段是第三代和第四代IGBT所代表的沟槽栅极型IGBT。
这种类型的产品通过创新的沟槽设计大大减少了IGBT的体积和功耗，并得到了广泛的应用。
在这个阶段，出现了第五代和第六代IGBT，这属于沟槽格栅类型的改进，结构没有太大变化。
此外，第3阶段过渡产品TrenchStop也出现在这个阶段。
第三阶段是2018年后出现的微凹槽IGBT，大大降低了器件的体积和功耗。
IGBT可以根据工业设备中的信号指令调整电路中的电压、电流、频率和相位，达到精确控制的目的，在电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家电、汽车电子、新能源发电、新能源汽车等领域广泛应用。
根据电压分布，消费电子中使用的IGBT产品主要集中在600V以下，新能源汽车中使用的IGBT产品为600-1200V，动车组中使用的IGBT模块主要为3300V和6500V，轨道交通中使用的IGBT电压在1700V-6500V之间，智能电网中使用的IGBT电压通常为3300V。
二、车规级IGBT在新能源汽车产业的应用车规级IGBT是指用于新能源汽车的IGBT产品，是电动汽车逆变器的核心器件，类似于计算机中的CPU。
IGBT控制和管理新能源汽车驱动电机的性能和效率，在混合动力汽车中，功率和发动机的匹配和效率，使车辆在混合动力模式下达到理想的驾驶状态，由于新能源汽车的内部结构比其他电气产品更复杂，对车辆标准级IGBT 指标的要求高于其他电气产品，例如，车规级IGBT的散热效率标准远高于工业IGBT，逆变器内的温度高达120℃，还应考虑强烈的振动条件，车规级IGBT的性能指标远高于工业级IGBT。
大功率IGBT器件在动车组上的应用
大功率IGBT器件在动车组上的应用摘要：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)是由一组主要由半导体元器件BJT(双极型三极管)和半导体三极管单元MOS(绝缘栅型场效应管)单元共同作用，组成的一类新型的复合半导体全控型电压补偿驱动式的小功率半导体器件。
大功率直流驱动式高性能IGBT电力逆变器系统是把能源逆变流场处理的技术及其应用基础与多种现代数字能源直流自动传输及其控制技术有效集成结合的又一种高性能核心器件,在中国高铁、智能电网、汽车新能源装备设计研制应用等国内外各相关领域内其应用前景价值也极高广。
本文介绍了大功率 IGBT 器件在动车组牵引传动变流器上的应用。
关键词：IGBT，动车组，应用一、新型电力电子器件的发展与应用电力电子器件广泛地应用在电能传输和变换控制电路中，具有电功率处理范围大（小至几毫瓦大至兆瓦）的特点，相比于处理信息电路信号的电子器件功率等级更高，为减少自身的损耗，一般都工作在开关状态。
实际应用中，常常会用由信息电子器件构成的电路来控制电力电子器件，根据触发或驱动电路对信号的控制程度不同，将其分为半控型、不可控型和全控型三种类型，新型电力电子器件一般为后两种。
（一）第一代电力电子器件从上世纪50年代硅晶闸管的问世至今，派生并制造出了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等多种半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。
但是由于晶闸管本身工作频率较低（<400Hz），加之关断这些新型派生器件需要强迫换相电路，整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。
目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。
（二）第二代电力电子器件70年代后GTO可关断晶闸管、GTR或BJT电力晶体管及其模块进入实用阶段，标志着电力电子器件由半控型器件发展到了第二代全控型器件。
由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。
（三）新一代电力电子器件目前，新一代电力电子器件仍然是在向大功率、易驱动和高频化方向进一步发展。
IGBT的发展与应用
IGBT的发展与应用IGBT是绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）的缩写，是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器件。
IGBT的发展与应用得益于其独特的结构和特性，在高压、大电流、高频等应用场景中获得了广泛的应用。
IGBT的发展可以追溯到20世纪80年代初期。
当时，功率电子器件市场需要一种具有MOS场效应管和双极晶体管的优点的新型器件。
于是，在那个时期，IGBT作为一种全新的功率电子器件被首次提出并制造出来。
与其他传统的功率器件相比，IGBT结合了MOS场效应管的低功耗驱动和双极晶体管的大电流承载能力，具有开关速度快、输入电阻高、输出特性好等优点。
这使得IGBT在工业自动化、电动车辆、电力变换等领域有着广泛的应用前景。
在技术方面，IGBT的发展也经历了几个重要的阶段。
最初的IGBT是一种有源封装的晶体管，然而这种器件在高电压、大电流环境下容易损坏。
为了解决这个问题，研究人员发展了一种非堆叠型IGBT，即动态电阻型IGBT。
这种器件采用了新的结构设计和先进的制造工艺，有效地提高了器件的工作效率和可靠性。
随着IGBT技术的进一步发展，还出现了一些其他的变种，如强耦合IGBT、正温IGBT等。
IGBT的应用场景非常广泛。
首先，IGBT在电力传输和转换中发挥着重要的作用。
大容量的IGBT模块被广泛应用于高压输电、电力变压器和变频器等设备中。
这些设备通过IGBT的开关特性，可以实现高效、精确的电能转换和传输。
其次，IGBT在工业自动化和电机控制中也得到了广泛的应用。
例如，IGBT模块可以用于驱动电机、电动机控制、工频矩阵转换器等方面。
此外，IGBT还广泛应用于电动车辆、太阳能和风能发电系统等领域。
随着科技的不断进步和应用需求的增加，IGBT技术也在不断发展。
例如，近年来，IGBT的集成度和功率密度得到了大幅提高，使得更小型、更高效的IGBT模块得以制造。
此外，新材料、新结构以及模块设计技术的不断突破，也为IGBT的发展提供了更多的可能性。
电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用
电力电子器件在轨道交通车辆牵引中的应用摘要：随着城市的不断发展,城市地铁交通也得到了快速发展,尤其是近几年我国城市扩容日新月异,城市空间不断扩展,地铁交通发展也要紧跟城市发展步伐。
在现代化轨道交通使用的车辆,需要使用牵引技术才能够保证其平稳运行，地铁车辆牵引系统作为地铁车辆的重要组成部分，文章主要分析了电力电子器件的发展、电力电子器件的分类及其基本特点及在轨道交通车辆牵引中的应用。
关键词：电力电子器件；轨道交通；车辆牵引系统；应用发展一、电力电子器件的发展自1957年美国的通用电气(General Electric)公司生成的第一个晶闸管,出现这种技术是电力电子技术的诞生。
从此以后，电子技术向两个方向发展。
一个方向是一种微电子技术，它以集成晶体管电路为核心对形成信息进行处理的。
另一个方向是对电力处理的电力电子技术，主要是以晶闸管为核心，其中晶闸管的派生器件的发展特点是种类越来越多，功率和性能越来越高。
传统的电力电子设备已经发展到一个非常成熟的阶段，但在实践中有两个致命的因素制约着它们的持续发展。
第一，控制功能缺乏，因为通过门极只能控制它的通电状态，而不能控制它的断电状态，属于半控型器件。
其次，该器件采用分立元件结构，开关损耗大，很难提高工作频率，一般难以超过400Hz，应用范围受到很大限制。
所以，半控制器件的发展停滞不前。
在20世纪70年代末，截流技术的晶闸管（GTO）器件的生产技术逐渐成熟，这表明电力电子器件已经从半控制器件发展到全控制器件方向发展。
进入80年代后，随着GTO器件的发展和成熟，MOS器件的开发利用真正开始了。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）占主导地位。
迄今为止，电力电子设备已经从电流控制发展到电压控制型器件。
在90年代，随着科技的发展，电力电子型器件向智能化和模块化方向发展，试图将具有驱动电路，保护电路，传感电路等的电力设备集成到芯片或模块中，从而使设备更加紧凑和智能。
其中IPM就是其中最典型的一种。
轨道交通车辆中IGBT逆变器的应用与发展
频 牵
的 所 主 要
西 门子所 应用 的第 一个 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ逆变 器是 在Ｄ ７ ０ 单独 斩波 器的集 变频 、 Ｃ５ 变压 为一体 的逆 变器 被应 用 在 Ｖ 供 电 的 轻 轨 电 车 上 。 元 件 的 耐 压 为 Ｄ ７ ０Ｖ的牵引系统中。而对 于Ｄ １５ ０Ｖ 的 牵 引 系 Ｃ５ ｃ ０
偿，
图 ４ ＩＢ Ｇ Ｔ模 块 ３ Ｖ １ Ａ和 １ Ｖ ２ ． ｋ ／ ．ｋ ３ ２ ． ／ ．ｋ ７ｋ ４Ａ
两个直 流输 人 电压 与线 路 电压 的关 系式 ：
维普资讯
—
—
西 门子公 司近期 开发 的逆变 器 ， 它是适 用 于轻轨 障 、热 循 环 周 期 数 量 与 温 度 波 动 振 幅 的互 相 依 赖 车辆 的结构 紧凑 的逆变 器 。 由一 个 电压 源变 频变压 （ Ａ ｓ Ｒ 它 Ｒ Ｐ Ｄ Ａ项 目） 。焊 接 点脱 落 、 部 断 裂和 板 子 的 根
热循 环 周期 （０ ０） １６ １７。其 振 幅 １ ５Ｋ到 ４ （ 值 到 ０Ｋ 峰
韫攉 【 Ｋ＿
图 ６ Ｇ Ｔ模块 的基扳和连接的温度波动最大数值 Ｉ Ｂ
该 关 系可 以用下式 表示 ：
：
鲁
（ ２ ）
（ ３ ）
峰值 ） ，它 是 由较少数 量 的周期 和较 大 的振幅 的叠 加 的结 果 。 ５所 示的 曲线可 转换 成 图 ７中给出的柱 状 图
减少了处于通态电压的 自由度 的 ， 的 热膨 胀 系 数 （Ｔ 与 陶 瓷 的热 膨 胀 系 数 相 体 的决定因素 。因而 ， 它 Ｃ Ｅ）
了大量 的研 究 ： 发现 故 障及故 障指示 器 、 分析 机 械 故 故 障往 往 是 由于 Ａ 陶瓷 和铜 基 板 间 的热 不 兼 容 ｌ
中车自主研发的大功率IGBT模块有什么用途
中车自主研发的大功率IGBT模块有什么用途10月22日中车自主研发的6500V/200A的IGBT大功率模块主要是高铁列车和大功率机车上最神奇和关键的部件之一，直接影响着高铁列车是否能够瞬间起跑、舒适飞驰以及稳定停车。
不同功率等级的电力设备，需要采用IGBT芯片及其封装而成的IGBT模块进行电能的转换和控制。
比如在高铁列车上，电网2.5万伏的高压交流电经过降压、整流、逆变等方式转换成三相交流电，从而驱动列车奔跑。
轨道交通主要是采用电力牵引的火车和地铁，其大功率交流传动电力机车内部构成有有两个重要的功率模块，即主牵引变流器和辅助变流器。
主牵引变流器为牵引机车提供动力，功率最高、电压最大，工作条件最为严酷。
辅助变流器为其他非动力电流供电，如空调、车灯、后备电源等，电压、功率相对较低，工作条件也相对较好。
主牵引变流器需要3.3千伏或6.5千伏高压模块，辅助变流器所需的电压则相对比较低，1.7千伏模块就能满足。
它们均需要选用牵引级IGBT模块，因为机车工作环境非常恶劣。
牵引级IGBT是电子应用领域要求等级最高的IGBT，对可靠性和产品生命周期的要求极高。
牵引级IGBT的功率高达1千万瓦，每个IGBT承受的最高电压可高达6.5千伏，标称电流高达600安。
牵引级高压大功率IGBT的工作环境严酷，负载剧烈变化，对IGBT模块的寿命影响很大，这就需要采用特定的技术来提高器件的温度循环寿命和功率循环寿命。
一般工业级IGBT功率模块的工作温度为125℃，但英飞凌(Infineon)的IHM/IHV-B系列牵引级IGBT功率模块的工作温度比常见工业级功率模块的工作温度高出25℃，达到150℃。
提高25℃对于IGBT有两个好处：首先，增加了IGBT 模块的输出功率能力，有利于提高模块输出功率的密度，进而使整个变流器的设计更为小巧。
其次，提高牵引级IGBT 的工作温度增强了功率循环能力，从而提高模块的可靠性和工作寿命。
IGBT的输出电流主要受结温限制，芯片的温度限制了它的功率负荷。
IGBT模块在列车供电系统中的应用及保护
２ 世纪 ８ Ｏ Ｏ年 代初 发展起 来 的新 型 复合 器 件—— Ｉ Ｔ（ 缘 栅 双 极 晶 体 管 Ｉ ｓ ｌｔｄ Ｇａｅ Ｂｐ ｌｒ ＧＢ 绝 ｎ ｕａｅ ｔ ｉｏａ
外， 穿通 式 Ｐ Ｐ ｎ ｈ Ｔ ｒ ｕ ｈ 结 构 的 Ｉ Ｔ也 得 到 Ｔ（ ｕ ｃ ｈ ｏ ｇ ） ＧＢ 了应 用 ， 最初 的 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ就 是基 于后 者形 成 的 。
直式 Ｉ Ｂ 的结 构 和 功 能 ， 有 非 穿通 式 ＮＰ 结 构 ， Ｇ Ｔ 具 Ｔ
合单 元 与驱 动 、 护及 报 警 电路 共 同构 成 的 智 能功 率 保
模 块 （Ｐ 已成为 Ｉ Ｔ智能 化 的发展 方 向 。 Ｉ Ｍ） ＧＢ
栅极为平面式 。 目前 ， 了 图 １所 示 的非 穿 通 式 结 构 除
Ｉ Ｔ兼 具 了大功 率 晶体管 ＧＴ 和 ＭＯｓ Ｅ 的 ＧＢ Ｒ Ｆ Ｔ
优点 ， 既具 有 ＭＯＳ Ｅ 的高 速 、 输 入 阻抗 、 驱 动 Ｆ Ｔ 高 易
的长 处 ， 又兼 有 ＧＴ 的通 态 压 降低 、 压 高 、 承 受 Ｒ 耐 可 大 电流 的优点 。在大 功率 电力 电子 器件 的应用 中 ，Ｇ Ｉ—
国和 日本 又将 ４ ０Ａ／ ０ ＧＢ ０ １２ ０Ｖ Ｉ Ｔ构 成 的三 点 式逆
变 器 （ 理 如 图 ２所 示 ） 于 ７ ０Ｖ 和 １５ ０ Ｖ 电 网 。 原 用 ５ ０
在 中期 阶段 ， 对牵 引 需要 开 发 了适 用 于 ７ ０Ｖ 电 网 针 ５ 的 １ ７ｋ ＧＢ 和 用 于 １５ ０Ｖ 电网 的 ３ ３ｋ Ｇ— ． Ｖ Ｉ Ｔ ０ ． Ｖ Ｉ Ｂ Ｔ模块 ， 称其 为 高压 Ｉ Ｔ，这 简化 了牵 引 逆 变器 也 ＧＢ 主 电路 的结 构 ， 可采 用 二 点 式 逆 变 器 。在 近 期 交 流 仍
汽车应用中的IGBT功率模块
汽车应用中的IGBT功率模块诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBTIGBT 功率模块功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。
本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。
各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管（IGBT），设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。
图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。
商用电动车（EV）和混合动力电动车（HEVHEV）的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。
EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。
根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件（振动和冲击）的考验。
为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。
热循环和热冲击试验在热循环（TC）期间，待测器件（DUT）交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差（ΔTC）达到80K到100K。
DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡（即2到6分钟）。
此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。
通过更严格的试验，还可以研究其它部分（如模块的框架）所存在的弱点。
热冲击试验（TST），也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40-C 到+150+C，其典型的存储时间为1小时。
图1：包括基板在内的IGBT模块构架示意图。
功率循环在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环（PC）期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。
电力电子技术在轨道交通中的应用
电力电子技术在轨道交通中的应用电力电子技术是一种将电力转换、调节或控制的技术，被广泛应用于轨道交通领域。
本文将详细介绍电力电子技术在轨道交通中的应用，包括磁悬浮列车、地铁、有轨电车等。
一、磁悬浮列车磁悬浮列车是一种通过磁力悬浮的方式来运行的高速列车，具有速度快、运行平稳等优点。
在磁悬浮列车中，电力电子技术被广泛应用。
其中最重要的是磁浮低压直流输电系统和磁浮牵引逆变器。
磁浮低压直流输电系统是通过交流电转化为低压直流电来提供磁浮列车所需的电能。
该系统的主要组成部分包括变流器、滤波器、断路器等。
其中变流器是电力电子技术的核心部分，可以将输入的交流电转化为低压直流电，并提供给磁浮列车的牵引逆变器使用。
磁浮牵引逆变器是磁浮列车牵引装置的核心部分，用于将直流电转换为交流电，提供给磁浮列车的电机使用。
逆变器一般采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为开关元件，实现从直流到交流电的转换。
此外，逆变器还具有保护和控制等功能，使得磁浮列车的运行更加安全和可靠。
二、地铁地铁是一种城市轨道交通工具，具有速度快、承载能力大等优点，被广泛应用于大中城市交通运输。
在地铁系统中，电力电子技术是不可或缺的一部分。
其中最重要的是地铁供电和地铁牵引系统。
地铁供电系统是为地铁车辆提供电能的系统，其主要组成部分包括电网接触器、整流变电站、和牵引变电所等。
在地铁供电系统中，电力电子技术被应用于整流变电站和牵引变电所。
整流变电站的作用是将交流电转换为直流电，以便提供给地铁车辆使用。
牵引变电所则是将直流电转换为交流电，供给地铁车辆的电机使用。
地铁牵引系统是指为地铁车辆提供牵引力的系统，其主要组成部分包括牵引逆变器、电机、和再生制动装置等。
在地铁牵引系统中，电力电子技术被应用于牵引逆变器。
牵引逆变器可以将直流电转换为交流电，以便提供给电机使用，同时还可以实现制动能量的回收和再利用。
三、有轨电车有轨电车是一种以电为动力，行驶在铁轨上的城市公共交通工具。
IGBT在制动系统中的应用原理
IGBT在制动系统中的应用原理1. 引言制动系统是车辆的重要安全系统，用于控制车辆的速度和停车。
随着科技的进步和电子元器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）逐渐在制动系统中得到应用。
本文将介绍IGBT在制动系统中的应用原理。
2. IGBT概述IGBT是一种高性能的功率开关器件，具有MOSFET和普通双极型晶体管的优点。
它结合了MOSFET的高速开关特性和双极型晶体管的低导通电压特性，被广泛应用于电力电子设备中。
3. IGBT在制动系统中的应用IGBT在制动系统中的应用主要涉及到电机的控制和刹车能量的回收。
3.1 电机控制制动系统中常使用电机来实现制动功能，IGBT可用于控制电机的速度和扭矩。
IGBT通过控制电流的导通和截止，实现对电机的控制。
IGBT具有快速开关的特性，可以在很短的时间内改变电流的大小和方向。
这使得电机的响应速度更高，能够实现更加精准的制动控制。
3.2 刹车能量回收在传统的制动系统中，制动时产生的能量将被浪费掉，通过使用IGBT，可以将刹车时产生的能量回收。
IGBT可以将电能转换为其他形式的能量，如电池储存电能或通过逆变器送回电网，实现能量的回收和再利用。
3.3 优势和挑战IGBT在制动系统中的应用具有以下优势：- 高效：IGBT具有高效能转换特性，能够提高系统的能量利用率。
- 精确性：IGBT能够实现精准的电机控制，提高制动系统的响应速度和准确性。
- 节能：IGBT可将制动时产生的能量回收，减少能源浪费。
然而，IGBT在制动系统中的应用也面临一些挑战： - 成本：IGBT是比较昂贵的器件，因此在大规模应用中成本可能成为限制因素。
- 可靠性：IGBT的可靠性对于制动系统的安全性至关重要，需要进行严格的质量检测和可靠性评估。
4. 结论IGBT在制动系统中的应用能够提高制动系统的性能和能量利用率。
通过控制电机和回收刹车能量，IGBT实现了制动系统的精准控制和能量回收。
然而，IGBT 的成本和可靠性依然是制动系统应用中需要考虑的重要因素。
IGBT在中国轨道交通车辆中的应用-20100821-第四讲-2
西门子在机车及动车组中 应用的模块化功率单元（水冷） SIBAC@BB Sx-1500 SIBAC@BB Sx-3000
应用于DC电压1.2kv～3.6kv （max4.3kv） 相电流300A ～ 2000A 最高开关频率可达800 ～ 1000Hz
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
ALSTOM6500V-600A
CHR2动车组、 HXD1大功率机车
4500V
900A
TOSHIBA WESTCODE
中间电压为DC2500V的机 车、动车领域
HXD3大功率机车
6500V
600A
ABB、Infineon
5SNA 0600G650100
中间电压为DC3500V的机 车、动车领域
HXD2大功率机车、 CRH3动车组
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
IGBT器件在中国轨道交通运输中的应用 一．中国轨道交通的发展 二．IGBT在轨道牵引中的应用 三． IGBT的研究与规模化制造 四．IGBT功率模块配套技术的开发
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
动车组牵引动力配置
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
1、 铁路市场中的需求 交流传动技术是现代轨道交通技术装备的 核心技术之一。在交流传动系统中，牵引变流 器是关键部件，而电力电子器件又是牵引变流 器最核心的器件之一。 “一代器件带动一代应 用”。目前，IGBT（绝缘栅级双极型晶体管） 器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅 助变流器的主流电力电子器件。
一、中国轨道交通的发展
2、城市轨道交通 据有关资料介绍，到2015年，将有超过30个 城市建设85条城市轨道线路，总长2700公里以上， 需车辆20000辆，预计未来五年内主要城轨车辆的 需求约为5000-6000辆；到2020年，北京、上海、 广州、南京、天津、深圳、成都、沈阳、哈尔滨、 青岛等城市将建成、通车的线路总计40多条，约 6000km，总投资在7000亿元以上。
IGBT轨道车辆在供电系统中的应用
IGBT轨道车辆在供电系统中的应用--------------------------------------------------------------------------------IGBT轨道车辆在供电系统中的应用轨道车辆中广泛采用IGBT模块构成牵引变流器以及辅助电源系统的恒压恒频(CVCF)逆变器。
国外的地铁或轻轨车辆辅助系统都采用方案多样的IGBT器件。
德国针对机车牵引需开发适用于750V电网的1．7kVIGBT和用于1500V电网的3．3kVIGBT模块，简化了牵引逆变器主电路的结构。
日本的700系电动车组的三点式主变流器．采用大功率平板型IGBT(2500V／1800A)，整流器和逆变器的每个桥臂可用1个IGBT元件，从而使IGBT组件在得到简化的同时，功率单元总体结构也变得紧凑。
我国引进法国Alstom公司的200km／h动车组中，主变流器的开关使用耐压高达6500V／600A的IGBT器件，辅助变流器采用开关频率为1950Hz的PWM技术，由3台双IGBT和反并联二极管组成，每台双IGBT组成三相中的一相。
上海轨道交通3号线车辆是其辅助系统由电压等级为330V的IGBT构成2点式逆变器直接逆变；广州地铁1号线车辆上的辅助系统采用IGBT双重直-直变换器带高频变压器实现电气隔离；深圳地铁一期采用6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用于制动斩波器的IGBT 模块完成牵引逆变功能：天津滨海动车组主电路采用IGBT电压型三相直一交逆变器，辅助电源的逆变器采用IGBT元件的逆变器，开关容量为3300V／800A。
IGBT在DC600V中的应用DC600V客车供电系统简介DC600V空调客车供电系统采用机车集中整流，客车分散逆变方式，构成了整个列车的交一直一交变流供电系统。
工作过程为：电力机车将25kV电网单相交流电降压、整流、滤波成DC600V后给客车供电，客车根据用电设备的需要，将机车提供的DC600V变换成单、三相交流电及DC110V。
国产化IGBT在地铁列车的应用
国产化IGBT在地铁列车的应用
黄永松
【期刊名称】《今日制造与升级》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】文章介绍牵引系统国产化绝缘栅双极型晶体管的应用,阐述国产化IGBT 的研究意义、选型对比、装车调试验证、装车过程中遇到的问题及故障分析处置,使国产化绝缘栅双极型晶体管具有可靠性、安全性、稳定性,促使国产化IGBT能够落地应用。
【总页数】3页(P130-132)
【作者】黄永松
【作者单位】无锡地铁运营有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN322.8
【相关文献】
1.北京地铁13号线列车制动系统国产化应用性研究
2.大功率IGBT在广州地铁三号线列车牵引系统的应用
3.SiC混合IGBT在下一代地铁列车中的应用研究
4.北京地铁国产化列车IGBT牵引逆变器
5.国产化GTO器件在上海地铁列车上获得成功应用
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关于地铁列车用单极性电源IGBT栅极驱动器的研究
关于地铁列车用单极性电源IGBT栅极驱动器的研究发布时间：2021-03-25T04:43:36.124Z 来源：《现代电信科技》2020年第16期作者：李宝军[导读] 目前地铁列车上多采用双极型IGBT栅极驱动器，正极性电源用于驱动IGBT导通，负极性电源为IGBT关断提供反向偏置电压。
（南京轨道交通系统工程有限公司江苏南京 210000）摘要：目前地铁列车上多采用双极型IGBT栅极驱动器，正极性电源用于驱动IGBT导通，负极性电源为IGBT关断提供反向偏置电压。
由于IGBT自身的寄生电容，以及IGBT关断时发射极产生的振荡，易导致IGBT误动作。
因此IGBT关断时需要栅极施加反向偏置电压，以使IGBT迅速关断，并且防止IGBT误动作。
采用双极性电源的IGBT栅极驱动器，结构复杂，元器件多，进而导致驱动器成本较高和体积庞大。
为解决以上问题，本文阐述一种基于单极性电源的地铁列车用IGBT栅极驱动器，以满足目前大功率逆变器小型化趋势的要求。
本文阐述的IGBT栅极驱动器采用单电源模拟电路控制IGBT栅极，输出波形连续平滑，能够根据具体的控制要求，灵活调整输出波形曲线，能够满足不同应用案例，具有广泛的适用范围。
关键词：IGBT；缘栅双极型晶体管；单极性电源；模拟驱动器；牵引系统；地铁列车1.引言脉宽调制变压变频技术（即PWM-VVVF）始于上个世纪60年代，但晶闸管调速性能有限，无法满足变频器的调速要求。
随着微处理技术的发展和功率半导体产品的日趋成熟，PWM调制技术也得到了突破。
20世纪80年代，欧美发达国家已广泛采用脉宽调制变压变频技术（PWM-VVVF）进行电能变换。
脉宽调制变压变频技术（PWM-VVVF）经过近半个世纪的发展与完善，目前已在电力传动行业得到了广泛应用。
电力半导体器件也从早期的半控型可控硅（SCR，晶闸管）整流，发展到如今的性能各异的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极关断晶闸管（GTO）、场控晶闸管（MCT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、双极型晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。
(国内标准)IGBT基础与运用
（国内标准）IGBT基础与运用筹备了壹段时间，也找了不少的资料将准备开始整理和学习IGBT的材料。
IGBT的资料有很多，如果想找，能够于baidu文档里面找中文的资料，也能够于google找pdf的英文资料。
粗略见起来较为详细的有：富士IGBT应用手册，三菱第五代IGBT应用手册。
而英飞凌的网站上的资料也较为齐整，均是英文的兄弟们可参详。
IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的壹种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz 频率范围内。
理想等效电路和实际等效电路如图所示：IGBT的静态特性壹般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。
动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT的开通过程IGBT于开通过程中，分为几段时间1.和MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是于漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了壹段延迟时间。
于上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i除了这俩个时间以外，仍有壹个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT于关断过程IGBT于关断过程中，漏极电流的波形变为俩段。
第壹段是按照MOS管关断的特性的第二段是于MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。
于上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i除了表格中以外，仍定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。
漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)俩段组成，而总的关断时间能够称为toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又称为存储时间。
IGBT的应用
IGBT的应用引言IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。
IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。
但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。
因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。
为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。
但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300A IGBT的驱动和保护电路。
1 IGBT的工作特性IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。
IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。
IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。
在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。
2 IGBT驱动电路要求在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。
1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。
当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。
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IGBT器件在中国轨道交通运输中的应用 一．中国轨道交通的发展 二．IGBT在轨道牵引中的应用 三． IGBT的研究与规模化制造 四．IGBT功率模块配套技术的开发
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
动车组牵引动力配置
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
1、 铁路市场中的需求 交流传动技术是现代轨道交通技术装备的 核心技术之一。在交流传动系统中，牵引变流 器是关键部件，而电力电子器件又是牵引变流 器最核心的器件之一。 “一代器件带动一代应 用”。目前，IGBT（绝缘栅级双极型晶体管） 器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅 助变流器的主流电力电子器件。
80
150
128
100
动车组数量（列）
100
100
80
235
100
IGBT总量（个）
8000
8000
12000
30080
10000
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
从以上两表可以看出，3300V/1200A、4500V/900A、 6500V/600A等级为IGBT器件的主流产品，分别占总量的33 ％、33％、28％，合计占总量的94％。
IGBT器件 在轨道交通车俩中的应用
2015年4月23日
IGBT器件在轨道交通运输中的应用 一．中国轨道交通的发展 二．IGBT在轨道交通中的应用市场 三．IGBT的研制与规模化制造 四．IGBT功率模块配套技术的开发
一、中国轨道交通的发展
1、铁路运输 2004年1月，国务院批准了中国铁路历史 上第一个《中长期铁路网规划》。在“十一 五”期间，将建成7000公里客运专线。2008 年11月颁布了《中长期铁路网规划（调 整）》，到2020年，全国铁路营业里程将达 到12万公里以上，复线率和电气化率均分别 达到50%和60%，建成高速铁路16000公里， 在十个煤炭外运基地及新疆地区建成大能力 的煤运通道，开行10000t～20000t重载单元 组合列车。
一、中国轨道交通的发展
为实现上述规划目标，铁道部按照“引进先进技术， 联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求和“先进、成 熟、经济、适用、可靠”的技术引进方针，坚持自主创新， 联合设计制造出运营时速200-250公里和运营时速300-350 公里的高速动车组、货运大功率交流传动电力及内燃机车。 2007年，国产运营时速200-250公里高速动车组首次批量 下线，HXD1型、HXD2型、HXD3型和谐号大功率交流传动电 力机车首次投入运营，成功运用于铁路第六次大面积提速。 2008年，国产运营时速300-350公里高速动车组成功下线， 并于北京奥运会期间在京津城际铁路投入运营。
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
电压 定额 电流 定额 制造厂家 ABB 型号 5SNS 0300U120100 BSM300GA120DN2S 5SNA 1600N170100 CM1600HC-34H FZ1600R17KE3_B2 5SNA 2400E170100 CM2400HC-34N FZ2400R17KE3_B2 5SNA 0800N330100 CM800HC-66H FZ800R33KL2C_B5 MG800FXF1US53 5SNA 1200E330100 CM1200HG-66H 应用领域 应用实例
上海地铁等
3300V
ABB MITSUBISHI 1200A
Infineon
TOSHIBA MITSUBISHI
FZ1200R33KL2C_B5
ST1200FXF22 CM900HB-90H MG900GXH1US53 T0900EA45A
DC1500供电的地铁、轻 轨及中间电压为DC1800V 机车、动车领域
中间回路电压 2800V 牵引变流器 输出电压 牵引变流器 输出电流 开关器件 2150 V 380 A IGBT 4.5kV /900A
IGBT IGBT IPM/IGBT 3.3kV 3.3kV IGBT 3300V /1.2kA /1.2kA 6.5kV/600A /1.2kA
二、 IGBT在轨道牵引中的应用 铁路和城市轨道车辆用牵引变流器所需的 IGBT器件较其他工业变流器用IGBT器件具有更 高的要求，具体有如下几方面：(1)功率要求 更高，因需要在有限的空间发挥很大的牵引功 率，要求更高的功率密度；(2)要实现制动能 量的回馈，IGBT内反并联二极管要求更大的容 量；(3)车载运行环境相对地面静止环境在温 度、振动、冲击、灰尘等诸多方面更加严格； (4)牵引系统特殊的负荷特性。
CHR2动车组、 HXD1大功率机车
4500V
900A
TOSHIBA WESTCODE
中间电压为DC2500V的机 车、动车领域
HXD3大功率机车
6500V
600A
ABB、Infineon
5SNA 0600G650100
中间电压为DC3500V的机 车、动车领域
HXD2大功率机车、 CRH3动车组
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
随着应用的发展，IGBT技术的发展重点转到 模块技术上来。IGBT模块多以超大功率IGBT模块 与IGBT-IPM智能功率模块为主。IGBT-IPM是以 IGBT芯片为基体，内含接口、传感、保护和功率 控制等功能电路的智能功率模块。在轨道交通牵 引应用领域中，经过市场的磨合，IGBT模块的主 要厂商集中到Infineon、MITSUBISHI、ABB与 TOSHIBA上。下表为几种常用轨道交通牵引IGBT 模块的应用情况。
一、中国轨道交通的发展
2、城市轨道交通 据有关资料介绍，到2015年，将有超过30个 城市建设85条城市轨道线路，总长2700公里以上， 需车辆20000辆，预计未来五年内主要城轨车辆的 需求约为5000-6000辆；到2020年，北京、上海、 广州、南京、天津、深圳、成都、沈阳、哈尔滨、 青岛等城市将建成、通车的线路总计40多条，约 6000km，总投资在7000亿元以上。
二、 IGBT在轨道牵引中的应用 2、城市轨道交通市场需求 北京、上海、广州、深圳、南京等 多个城市计划在“十一五”期间新建城 市轨道交通线路1400多公里，总投资达 五千多亿元人民币。
二、 IGBT在轨道牵引中的应用 以北京城铁13号线为例，该线路全长 40.85公里，共配备52列，每列目前编组 为2M2T，远期将改造为3M3T。该车采用 架控方式，即一个变流器控制一个转向 架上的两台电机，每个动车有两个变流 器。变流器开关器件采用1700V/1200A等 级的IGBT，由于是车载限压斩波器，所 以每个主变流器共有7个IGBT。
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
动车组牵引系统组成
CCU WTB MVB
牵引变流器 TCU
牵引变压器 牵引电机 齿轮箱
辅助变流器 ACU
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
交流传动机车及动车组变流器参数
HXD3 牵引变流器 输入电压 牵引变流器 输入电流 1450 V 927 A HXD1 970V 1510A 1800V 1285 V 1628 A IGBT 3.3kV /1.2kA HXD2 900V 1660A 1800V 1390V 620A CRH2 1500V 857A 3000V 1475V 857A CRH1 900V 650A 1650V 1287V 650A CRH5 1770V 540A 27000－ 3600V 2808V 459.4A CRH3 1550V 910A 2700－3600V 1700V 880A IGBT 6.5kV/600A
2015年4月23日
一般情况下牵引变流器的
开关频率最高约600Hz
ft / fb
异步调制 同步调制
方波调制
460Hz
×15 ×13 ×11 ×9
×7
×5
×3
×1
fb
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二、 IGBT在轨道牵引中的应用
面临当前铁路运输能力严重不足和技术装备 水平差的现状，铁道部本着采用“先进、成熟、 经济、适用、可靠”的技术方针，按照“标准化、 系列化、模块化、信息化”的要求，立足国产化， 引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌， 加强对引进技术的消化吸收和再创新，增强自主 创新能力，加快推进技术装备现代化。当前引进 的大功率交流传动机车和高速动车组中，牵引变 流器主要采用大功率IGBT，据不完全统计如下表：
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
交流传动机车IGBT器件等级及数量
机车型
号
HXD1 （HXD1C）
HXD2
HXD3/ D3C
六轴9600kW货运机车 HXN3 HXN5 大连 厂 4500V /900A 90 500 4500 大同 厂 6500V /600A 90 500 61200 株洲厂 6500V/ 600A 88 500 44000
模块化的功率单元，开 关频率可达1000Hz。
二、 IGBT在轨道牵引中的应用
列车启动时，调制比小、脉 宽很窄，采用更低开关频率 150Hz。加速至6.2km/h时， 开始增加开关频率。当车速 9km/h、同步频率为5.8Hz时， 进入异步调制区，开关频率 固定保持为460Hz。 当加速至49km/h，同步频率 26Hz时，进入同步调制区域， 载频比从15开始，依次变化 为13/11/9/7/5/3。当车速为 222km/h，同步频率120Hz时， 由3脉波切换为方波调制方式。 列车最高运行速度350km/h时 同步频率190Hz。
1200V
300A
Infineon ABB
辅助变流器
1600A 1700V 2400A
MITSUBISHI Infineon ABB MITSUBISHI Infineon ABB
DC750供电的地铁、轻轨
北京地铁
800A
MITSUBISHI Infineon TOSHIBA