Использование диодов в системах железнодорожного тягового электропитания

Введение в силовые диоды в железнодорожном тяге

Электрифицированные железные дороги зависят от высоконадежных систем преобразования энергии для преобразования энергии сети в пригодный для использования ток тяги. В то время как современный подвижной состав часто выделяет передовые инверторы IGBT и сложное управление двигателем, передняя стадия преобразования мощности часто полагается на более фундаментальный компонент: силовой диод. Эти полупроводниковые устройства обеспечивают исправление грубой силы, необходимое как в фиксированной инфраструктуре, так и в бортовых системах. В этой статье рассматривается выбор, применение и проектирование силовых диодов в железнодорожных системах тяги, включая выпрямители подстанций, бортовые преобразователи и новые технологии широкополосного доступа.

Основные принципы работы высоковольтных диодов

Диоды мощности значительно отличаются от диодов с низким сигналом. Они предназначены для блокирования сотен или тысяч вольт в обратном смещении при проведении сотен или тысяч ампер в прямом смещении. Большинство высоковольтных силовых диодов, используемых в тяге, используют структуру PIN, где внутренний (I) слой зажат между сильно легированными P+ и N+ областями. Эта внутренняя область позволяет использовать высокое напряжение пробоя, распространяя электрическое поле по более широкой зоне истощения.

Ключевые электрические параметры для тягового долга

Выбор силового диода для железнодорожного применения требует пристального внимания к нескольким конкретным рейтингам:

Soft vs. Abrupt Recovery (неопр.)

Характеристика обратного восстановления является основным фактором выбора диодов. Диоды с «мягкими» характеристиками восстановления постепенно уменьшают обратный ток, сводя к минимуму электромагнитные помехи (ЭМИ) и перерасход напряжения. «резкое» восстановление диодов генерируют резкий ток-срыв, который может производить высоковольтные шипы в присутствии бродячей индуктивности. Для тяговых применений диоды мягкого восстановления обычно предпочтительны для линейно-частотной ректификации, в то время как диоды быстрого восстановления с контролируемой мягкостью необходимы для высокочастотных вспомогательных преобразователей.

Диоды питания в тяговых подстанциях

Системы тяги постоянного тока, работающие на 600 В, 750 В, 1500 В или 3000 В, требуют преобразования переменного тока в постоянный ток на уровне подстанции. Силовой диод является рабочей лошадкой этой стадии преобразования. Наиболее распространенными топологиями являются конфигурации выпрямителя 12 и 24 импульсов, которые уравновешивают стоимость, эффективность и соответствие гармонике сетки.

Топологии 12- и 24-пульсных выпрямителей

Простой 6-импульсный мост впрыскивает в энергосистему значительный гармонический ток (5-я и 7-я гармоники). Для соответствия стандартам качества электроэнергии, таким как IEEE 519, современные тяговые подстанции используют 12-импульсные выпрямители. В этой системе используется фазовый трансформатор с двумя вторичными обмотками (одна дельта-связанная, одна свайная), создающий 30-градусный фазовый сдвиг. Каждая обмотка питает отдельный 6-импульсный диодный мост. Выходы постоянного тока объединяются либо последовательно (для более высокого напряжения), либо параллельно (для более высокого тока). Отмена гармонических токов в трансформаторе первичного значительно снижает потребность в фильтрации.

Для еще более строгих гармонических требований используются 24-импульсные выпрямители. Они объединяют два 12-импульсных блока с 15-градусным фазовым сдвигом между ними, обычно с использованием межфазного трансформатора (IPT) для балансировки распределения тока. Эти системы распространены в системах метрополитена с высоким трафиком и проектах электрификации магистрали, где пропускная способность сети ограничена.

Диодная конструкция и сборка подстанций

Высокомощные выпрямители тяги используют либо пресс-пакет , либо модуль упаковку. Диоды пресс-пакета состоят из керамической оболочки с молибденовыми электродами, применяющими высокое давление к кремниевой пластине. Эта конструкция предлагает отличную возможность термоциклирования, поскольку отсутствие припоев уменьшает усталость. Двустороннее охлаждение возможно, и пресс-пакет может выйти из строя в короткое замыкание, что желательно для последовательно соединенных струн. Диоды на основе модуля (например, в стандартных промышленных упаковках) легче собирать и заменять, но обычно имеют более низкие значения тока перенапряжения и срок службы теплового цикла по сравнению с пресс-пакетами. Производители выпрямителей подстанций часто определяют диодные сборки с избыточными параллельными путями для обеспечения продолжения работы, если один диод выходит из строя.

Защита и снуббер-схемы на подстанциях

Диодный сбой в подстанции является серьезным событием. RC снубберные сети соединены через каждый диод для управления всплеском напряжения, генерируемым во время обратного восстановления. Блуждающая индуктивность шипбаров и реакционное сопротивление трансформатора взаимодействует с током восстановления диода, создавая резонансную цепь. Снуббер вмещает это колебание, сохраняя пиковое напряжение ниже V диода RRM . Кроме того, ультрабыстрые предохранители типа AR помещаются последовательно с каждым диодным путем для изоляции выключенного устройства до того, как ток разлома распространяется на трансформатор или шины. Анализ надежности систем выпрямителя тяги подчеркивает, что тщательная конструкция снуббера является основным фактором в длительном времени безотказной работы подстанции.

Бортовые архитектуры преобразования энергии

Внутри подвижного состава силовые диоды выполняют несколько различных функций в зависимости от архитектуры поезда.

AC Locomotives и DC Link (англ.)русск.

В обычном электровозе переменного тока (электрифицированном при 15 кВ или 25 кВ) пантограф снабжает трансформатор. Вторичная обмотка питает высоковольтный диодный мостовой выпрямитель. Этот мост вырабатывает неконтролируемое напряжение постоянного тока, питающее линию постоянного тока. В старых локомотивах эта линия постоянного тока напрямую питает тяговые двигатели постоянного тока через цепь вертолета. В современных конструкциях линия постоянного тока питает инвертор источника напряжения (VSI), который приводит в действие асинхронные или синхронные двигатели переменного тока.

Диодный мост в классическом локомотиве VSI прост и надежен. Однако он однонаправлен. Регенеративная тормозная энергия не может течь обратно через диодный мост к воздушной линии; она должна рассеиваться в тормозном резисторе или рециркулироваться. Это ограничение привело к разработке линейного 4-квадрантного (4Q) преобразователя, который использует активно переключаемые IGBT для выполнения выпрямления. Несмотря на этот сдвиг, стандартный диодный мост остается предпочтительным решением для недорогих многократных агрегатов, легкорельсовых и маневровых локомотивов, где сложность и стоимость активных фронтальных преобразователей не оправданы.

DC-Supplied Systems и Freewheeling Diodes

Поезда, работающие по сетям постоянного тока (750 В, 1500 В или 3000 В), не требуют понижающего трансформатора для выпрямления. Ток постоянного тока от третьего рельса или верхнего провода фильтруется и подается в тяговый инвертор. В этих системах силовые диоды используются в качестве свободнодвижущихся диодов по тяговому моторному контуру. В старых поездах с управлением вертолетом свободнодвижущийся диод обеспечивал непрерывный путь для тока двигателя при выключении главного тиристора или ГТО. В современных инверторах IGBT каждый свободнодвижущийся диод имеет интегрированный антипараллельный диод. Эти свободнодвижущиеся диоды несут индуктивный ток двигателя во время циклов переключения PWM. Они должны иметь быстрое время восстановления, чтобы минимизировать потери инвертора и предотвратить сквозные неисправности.

Вспомогательные силовые установки (APU)

Каждый поезд требует низковольтного постоянного тока (24 В или 110 В) для систем управления, освещения, сжатия и зарядки аккумулятора. Это область вспомогательного преобразователя мощности . Ввод в APU обычно берется из высоковольтного постоянного тока. Высоковольтный преобразователь постоянного тока или небольшой инвертор питает трансформатор, и выход выпрямляется диодами быстрого восстановления. Эти диоды должны обрабатывать частоты переключения в диапазоне от 10 кГц до 50 кГц, что делает диоды SiC Schottky очень привлекательным вариантом для новых конструкций из-за их незначительных потерь переключения.

Регенеративное торможение и однонаправленный предел

Неспособность стандартного диодного выпрямителя обратить поток тока является ключевым фактором проектирования системы. Когда торможение поезда с помощью рекуперативного торможения, тяговые двигатели становятся генераторами. Инвертор загоняет эту мощность обратно в линию постоянного тока. Если напряжение линии поднимается слишком высоко, тормозной вертолет активируется, чтобы сбросить избыточную энергию в банк резистора. В системах переменного тока с диодными передними концами регенерация к верхней линии невозможна. Для захвата этой энергии поезд должен использовать активный фронтальный преобразователь, заменяя диодный мост IGBTs. Регенеративное управление энергией в системах постоянного тока иногда требует обратимых подстанций, где активный инвертор в подстанции позволяет энергии течь обратно в сеть коммунальных услуг.

Термический стресс и защитные схемы

Термическая среда для тяговых диодов сурова. Высокие температуры окружающей среды, ограниченные помещения оборудования и высокие токовые скачки выталкивают температуры соединения к их пределам. Управление теплом является основным инженерным направлением.

Охлаждающие стратегии

Для маломощных вспомогательных преобразователей могут быть достаточными естественные конвекционные тепловые выпрямители. Для мощных тяговых выпрямителей обычно применяется принудительное охлаждение воздуха с использованием высокоскоростных вентиляторов. В выпрямителях подстанции и магистральных локомотивах используется жидкое охлаждение (часто деионизированная вода, смешанная с гликолем). Требование к теплоотводу определяет тепловой импеданс (R]thJC) от перехода к корпусу. Типичный силовой диод в тяговом преобразователе может иметь тепловой импеданс 0,02 К/Вт. При 200 А ток вперед и падении напряжения вперед на 1,5 В теплоотдача составляет 300 Вт. Даже при умеренном температурном средоточии 50°С для поддержания температуры перехода ниже 125°С требуется теплоотвод с очень низким термическим сопротивлением окружающей среде.

Снижение стресса: снубберы и мягкое восстановление

Как обсуждалось в разделе подстанции, снубберы необходимы. Однако размещение снуббера имеет решающее значение. Стержни шины низкой индуктивности и близкое физическое размещение снуббер-конденсатора к диодным терминалам уменьшают индуктивность петли. Использование диодов мягкого восстановления по своей сути снижает скачок напряжения при выключении, потому что ток отключается постепенно. Смешанные инструменты моделирования позволяют инженерам силовой электроники оптимизировать значения резистора снуббера и конденсатора, чтобы минимизировать потери при сохранении безопасного предела скачка напряжения.

Слияние стратегий и координации

Диодный сбой часто приводит к короткому замыканию. Получающийся ток разлома от линии постоянного тока или источника переменного тока должен быть быстро очищен. Полупроводниковые предохранители (тип AR) разработаны специально для этой задачи. Они имеют очень высокую частоту прерывания (обычно более 100 кА при 690 В) и чрезвычайно короткое время плавления (обычно более 100 кА при 690 В) 2 [FLT: 1] выдерживают способность. Если предохранитель дует слишком медленно, диод разорвется. Если он дует слишком быстро, могут возникнуть неприятные поездки во время нормального запуска двигателя или всплесков линии.

Сравнительный анализ: надежность диодов и будущие тенденции

В то время как фундаментальная физика диода PN-перехода не изменилась, упаковка и материалы быстро развиваются.

Непрерывные преимущества стандартного диода

Силовой диод остается в эксплуатации, потому что он по своей сути прост и прочен. Диод не требует шлюза, изолированного источника питания или сложной петли управления. Его перепад напряжения относительно низок (от 0,7 В до 1,5 В) по сравнению с напряжением насыщения высоковольтного IGBT (2,0 В до 3,5 В). Это делает его более эффективным в линейно-частотных приложениях. Кроме того, способность тока перенапряжения стандартного диода исключительно высока, часто достигая 10-15 раз его номинального среднего тока. Эта устойчивость к перегрузкам не имеет себе равных ни в одном активно переключаемом устройстве и является основной причиной его продолжающегося доминирования в выпрямителях подстанций.

Карбид кремния (SiC) Schottky Diodes

Диоды SiC Schottky представляют собой самый большой технологический сдвиг в ректификации мощности. Это однополярные устройства, то есть они не имеют хранилища с миноритарным носителем. Это полностью исключает заряд обратного восстановления. Потери отключения в диоде SiC Schottky почти равны нулю. Это позволяет вспомогательным преобразователям работать на гораздо более высоких частотах переключения (100 кГц до 500 кГц), значительно уменьшая размер и вес компонентов трансформатора и фильтра. Диоды SiC для вспомогательных источников питания с тягой уже находятся в коммерческой эксплуатации, и их принятие ускоряется из-за их превосходных тепловых характеристик (Tj до 200°C. Основным барьером остается стоимость за ампер по сравнению со стандартными кремниевыми диодами.

Режимы отказа и мониторинг состояния

Понимание того, как выходят из строя силовые диоды, помогает инженерам проектировать более надежные системы. Наиболее распространенным режимом отказа является термическая усталость от циклов . Несоответствие коэффициента теплового расширения (CTE) между кремниевой пластиной, молибденовым электродом и керамическим корпусом вызывает механическое напряжение во время перепадов температуры. Со временем это напряжение приводит к отмыванию провода связи или растрескиванию припоя. В конструкциях пресс-пакета деградация проявляется как увеличение теплового сопротивления, приводящее к тепловому бегству, если его не обнаружить.

Космическое излучение является другим значительным механизмом отказа, особенно для высоковольтных диодов (выше 3,3 кВ). Высокоэнергетические нейтроны из космических лучей могут поражать кремниевую решетку, создавая плотный ионизирующий трек, который запускает локализованное короткое замыкание (Выгорание одного события).Примечания производителя по блокированию дерации напряжения рекомендуют работать высоковольтными тяговыми диодами при значительно сниженном напряжении (часто 60-80% VRRM) для достижения приемлемых скоростей отказа (FIT) на стандартных железнодорожных высотах.

Системы мониторинга состояния разрабатываются для отслеживания перепада напряжения (V]F] при определенном токе. Увеличение VF указывает на деградацию провода связи. Увеличение тока утечки указывает на загрязнение соединения или попадание влаги. Внедрение этой диагностики позволяет прогнозировать техническое обслуживание, уменьшая незапланированные простои для флота.

Заключение

Силовые диоды остаются основополагающей технологией для систем тяговой мощности железных дорог. Они обеспечивают существенную функцию ректификации в высоковольтных преобразователях подстанций, бортовых линиях постоянного тока и вспомогательных источниках питания. Их присущая надежность, мощность обработки перенапряжения и простота затрудняют их полную замену, даже с появлением передовых активных выпрямителей. Продолжающийся переход на диоды Silicon Carbide Schottky повышает эффективность и плотность мощности современных тяговых преобразователей, позволяя более легкие поезда и более компактные подстанции. Для инженера энергетических систем глубокое понимание выбора диодов, управления температурой, конструкции подводного плавания и режимов отказа имеет важное значение для обеспечения надежности и производительности, которые требуют современные железнодорожные системы. По мере того, как отрасль движется к более высокой эффективности и более сложным условиям переключения, скромный силовой диод будет продолжать развиваться, адаптируясь к строгим потребностям глобального железнодорожного транспорта.