新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

苏双双

株洲中车时代电气股份有限公司青岛检修分公司   山东省青岛市   266111

摘要：随着大功率电子元件和控制技术的发展，利用电子电源转换技术实现电压转换和能量传输的新型变压器-电力电子牵引变压器（powerelectronictractiontransformer，PETT）越来越受到人们的关注。可用于更换重型、体积大的电力牵引频率变压器。牵引设备有限的占地面积和铁路电源的高网络电压使PETT设备难以设计。目前，中国没有PETT应用产品性能的报告，但外国制造商设计和制造的PETT设备仅适用于15kV / 16.67Hz铁路供电线路。中国铁路供电网络采用电压和频率更高的25kV / 50Hz线路，绝缘设计更加复杂，PETT装置的设计也更加复杂。本文主要分析新一代IGBT牵引模块的技术研究和应用。

关键词：牵引；IGBT；模块；大功率；变流器

引言

电力开关设备从早期电力二极管、晶闸管和关机晶闸管逐渐发展为集成开关栅晶闸管和绝缘栅双极晶体管，以及碳化硅莫尔斯晶体管和高移动性氮化镓电子移动晶体管等宽带隙设备。新型电力开关设备的各项技术进步将为电力电子产业带来新的发展趋势。随着电力铁路在铁路运输领域的普及和直流调速到交流传动的电力牵引发展，IGBT关机功能的提高和通过电流的增加，西门子自1992年将IGBT应用于法兰克福的低层电车以来，牵引变换器已完全进入IGBT应用阶段。IGBT牵引模块具有高可靠性、阻塞电压和对高通断电流的高电阻特性，也是现代轨道交通牵引转换器中实现电能和电力输出转换的主要电源设备。

1、牵引级IGBT应用要求

IGBT类牵引模块广泛应用于干线铁路、高速/城市间电力列车和城市轨道交通列车的电力机车。与工业IGBT模块相比，IGBT牵引模块需要应对更复杂的运行和应用条件，包括电源网络的电压波动、频繁和突然的负载变化、高冷的气候、振动和冲击环境等。这种条件对动态和静态特性、高温和低温特性提出了更高的要求。安全的工作区、工作接头温度和功率损失、IGBT牵引模块的使用寿命和可靠性。我国铁路运输中电力牵引的使用以高速和重型负荷为特点。中国标准复兴动车组的速度达到350公里/ h，强大的和声电力机车可以牵引1万吨货物列车。在“高速”和“高负载”运行条件下，牵引电机必须发挥更快的速度和扭矩，这对牵引变换器提出了更高的功率输出要求。牵引变换器一般在高电压和大电流环境下工作，IGBT模块在开/关状态下工作，因此需要切断高电压和大电流的功能。特别是在高纬度和高海拔地区使用的冷电力机车和EMU列车，IGBT耐低温性和抗辐射性测试更为严格，IGBT必须在整个温度范围内对高阻塞电压保持稳定可靠的容量。为了适应大功率牵引应用条件和铁路运输环境，IGBT牵引模块正在向更高的功率密度和一体化、更高的接合温度、更好的性能、更长的使用寿命和更高的可靠性发展。

2、模块结构设计

模块的内部变频移动包括高压模块的主电路、控制电路、高压电收获电路、电流和电压采集电路、水冷散热组件以及形成完整单相转换器的其他组件。变频机构是以可从绝缘壳中取出以进行维护的开合安装结构的形式制成的。模块的水冷散热器垂直安装在模块后半部分的中间，将模块分为左右区域。水冷散热器由弯曲的不锈钢钢板金属零件支持。水冷散热器接受双向散热，级联侧的4个高压igbt和逆变器侧的4个高压igbt分别安装在散热器的左右两侧，大大减少了电源设备的占地空间，使模块的设计变得非常紧凑。水冷装置的左右侧依次向外定位为动力元件层、低电感母线层和高压IGBT驱动层，模块的左右结构主要是镜子图像。级联端和逆变器端的高压IGBT通过电感较低的U形叠层总线连接到主电路，同时连接到模块的直流电容器。电感低的U形叠层母线大大减少了IGBT变换器电路的循环面积，有效地减少了电路的流浪电感，对电力元件切换过程中的过电压有很好的抑制作用。模块的两个脉冲研磨测试表明，在3600V的恒压下，第二个脉冲的开关电流为430A，关机电流为480A，8 IGBT的VDM的峰值电压在3940 ~ 4140V范围内，最大过电压为540V。理想情况下，设计具有低电感的模块的主电路。模块的外部接口设计为与水和电集成，可以快速连接和分离。级联整流器的主电路和逆变器的主电路分别位于水冷板的两侧，相应的级联输入总线和逆变器的输出总线集成到模块后面的一个高速插件电气连接器中。水电电气快速连接器集成了模块的主电路和冷却接口，大大简化了模块的外部接口设计，提高了模块的安装和更换效率。水冷及相关高速插件接口是模块主电路的高压部分，主要分布在模块的后半部分。模块前半部分主要安装弱电流组件，包括印刷控制板、电源、收集电路和直流电容器。模块的高压和低压区的位置有利于减少高压主干电路对控制电路的切换动作干扰。PCB控制模块设计在变频移动的前端，光纤接口的位置对应于外部绝缘壳体的光纤通道端口。

3、环境适应性

中国拥有巨大的领土，南北之间的气候条件完全不同。根据相关国家标准，主要铁路机车应能在-40 ~ 45℃的环境温度下正常运行，并能满足湿度要求。随着我国高速铁路网络的建设和发展，高速电气列车和城市间电气列车在全国各地区得到了广泛的应用。电动列车的大多数牵引设备安装在汽车底部，在受风、霜、雨、雪和环境温度和湿度影响的室外工作。所有这些都是为了使IGBT模块能够适应环境而测试的，因此环境适应性是IGBT模块可靠性研究的重要课题。湿度对IGBT模块的影响表现为材料的物理化学变化，包括绝缘故障和电气特性下降。IGBT装置由金属和非金属材料组成。芯片连接端子的设计和技术决定电场的分布，水分侵蚀将导致隔热层的破坏。研究表明，破坏芯片表面的水分有三种主要机制:第一种是电化学移动(EUM)，湿气通过袋子和硅胶到达芯片表面，形成连接导体与其他电位的封闭含水层，从而引起电化学腐蚀。失败的第二个机制是铝的腐蚀，被认为是IGBT模块的主要劣化因素。铝金属化层水分腐蚀过程中，泄漏电流逐渐增加，IGBT切断电压的标称能力降低。铝腐蚀形成的铝离子会移动到芯片的边缘，在终端表面定居，从而增加失真和电场损失，最终导致设备故障。第三，芯片周围的高分子材料(如聚酰亚胺)和填充物包括移动离子和杂质。这些离子在聚合物中运动，在芯片表面高电场的区域收集，形成宇宙电荷的带电平面。结果电场影响芯片的子结构，甚至反转端子硅材料的转移，导致泄漏电流的增加。温度位移(THB)是检查湿度引起的腐蚀和芯片变质的标准加速寿命测试。一般来说，THB测试在环境温度85℃、相对湿度85 %下进行1000个小时，相当于模拟25年的操作对湿度的影响。位移应力用于引发水解过程，如水解和腐蚀，应避免过度的偏转应力造成的宇宙射线破坏。

4、IGBT芯片短路特性分析

在阻塞状态下，IGBT内电场的分布与基板的衰减浓度有关，电场的峰值值位于发射极一端靠近过渡P-N的位置。对于短路状态下具有软穿透结构的高压IGBT，由于漂移区内移动的电子和空穴的浓度远高于基板的合金化浓度，因此短路状态下的穿透电压也明显低于阻塞状态。由于载体注入的影响，电子漂移的速度比孔的速度快得多，因此在收集器一端附近的区域中，载体的总浓度为负，因此短路状态下电场的峰值值从发射器区域的一端移动到拦截状态下收集器区域的一侧。在载体电场的作用下形成电流浓度，影响IGBT的短路能力。改善精孔注入的效率，可以提高收集器一端附近区域中载体的总浓度，降低电场的峰值值，从而提高短路能力。精孔注入的效率由收集器的结构和缓冲层的结构决定。光是优化收集器区域的合金浓度和连接深度就可以提高孔注入效率，但同时也会增加关机损失，因此在实际应用中不建议这样做。因此，有必要同时优化缓冲层的结构，以提高短路能力，并得到直接传导电压的下降与脱离损耗和应力电阻特性之间的折衷。

结束语

新一代IGBT牵引模块采用IGBT4和EC4芯片的先进技术，将设备的工作过渡温度提高到150℃，有效降低设备的热阻，具有良好的电气特性和工作区的安全性能。介绍了新的IHV-B包装技术，优化了电源端子和超声波焊接技术的结构设计，提高了电源端子的电流导电能力、振动阻力和冲击阻力，对环境的适应性强。利用优化的技术粘合连接导线和系统的连接层，使设备的电源循环功能增加了一倍。新一代IGBT牵引模块可以提高牵引变流器设计的一体化和功率密度，同时根据牵引条件和现代轨道交通应用环境的特点，可以大大提高牵引变流器应用产品的可靠性和使用寿命。

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