不断发展中的IGBT技术概述

概述了自IGBT发明以来其主要结构和相应性能的改进,包括芯片集电结附近(下层)结构的改进(透明集电区),耐压层附近(中层)结构的改进(NPT,FS/SPT等)和近表层(上层)结构的改进(沟槽栅结构,注入增强结构等),以及由它们组合成的NPT-IGBT,Trench IGBT,Trenchstop-IGBT,SPT,SPT+,IEGT,HiGT,CSTBT等。

地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验及热仿真

为快速、准确地计算和分析地铁车辆牵引逆变器的热管散热器性能及其绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块的瞬态温度场分布,在牵引逆变器中相邻的IGBT模块间布置PT100热电阻进行温升试验,得到用于热仿真计算的输入条件和验证仿真结果准确性的试验数据;采用计算流体动力学仿真软件FLUENT对热管散热器和IGBT模块的冷却空气流场、温度场和对流换热系数的分布进行稳态热仿真;将仿真得到的对流换热系数分布插值到有限元粗糙网格模型中,以保持与仿真模型的边界条件一致,并联合采用有限元法和模型降阶法开发能够实现热管散热器和IGBT模块瞬态热仿真的快速计算程序。与试验结果的对比表明:各测温点的仿真结果误差不超过5%,仿真结果的准确性高;在保证仿真模型边界条件一致的条件下,与单纯采用有限元法相比,有限元法与模型降阶法相结合进行仿真计算,可以在保持有限元法计算准确性的基础上,通过模型降阶提升计算效率。

车载牵引变流器关键部件寿命评估综述

牵引变流器被视为轨道交通列车的"心脏",为列车的运行提供强劲动力。但作为变流器实现电能变换的关键执行部件,绝缘栅双极晶体管IGBT (insulate-gate bipolar transistor)模块与电容性能受多变工况影响较大且较为脆弱,对列车安全运行带来极大挑战。现行的维护方案存在维修成本高、维修不及时的缺点,而以寿命评估为核心的更加经济安全的状态修被认为是未来修程修制的改革方向。为此,针对牵引变流器的关键部件—IGBT模块和电容的寿命评估方法进行调研和总结,根据现有寿命评估研究从数理统计出发,趋向于融合失效机理和统计建模,并朝着物理失效建模不断发展的思路,分别从基于故障数据、基于任务剖面、基于性能退化参数3个方面对寿命评估进行分类阐述,给出每种评估方法的流程,并对涉及的环节进行分析。最后,讨论了现有研究工作存在的问题,并展望了未来牵引变流器关键部件寿命评估的发展方向。

基于任务剖面的牵引变流器IGBT模块焊料层疲劳应力与剩余使用寿命的映射方法

牵引变流器中绝缘栅双极型晶体管(insulatedgate bipolar transistor,IGBT)模块的可靠性与列车的安全可靠运行息息相关。针对列车在运行过程中具有牵引、制动、惰行等多任务剖面,使得IGBT模块焊料层承受着变化的热应力而发生老化,进而影响IGBT模块的可靠性的问题,提出一种基于任务剖面的焊料层应力与剩余使用寿命映射的模型。首先,分析牵引变流器的功率损耗,依据牵引特性曲线并结合双机对拖模型建立IGBT和续流二极管的功率损耗数据空间,进而分析不同牵引特性区间的损耗–转矩–转速规律。然后,建立IGBT模块的有限元模型,以限速为80km/h任务剖面的平均损耗为输入条件,分析全新、25%、50%等3种不同老化程度焊料层的温度场和热应力场,讨论直接覆铜板(directbondedcopper,DBC)焊料层和芯片焊料层的热应力与温度、老化程度的关系。最后,引入优化后的疲劳寿命模型,通过求解不同老化程度下DBC焊料层所受热应力对应的弹性应变,拟合得到DBC焊料层热应力和剩余使用寿命的映射关系模型,得到的寿命趋势与分析相吻合。研究内容可为牵引变流器中IGBT模块焊料层的寿命评价提供一定指导意义。

不断发展中的IGBT技术概述

概述了自IGBT发明以来其主要结构和相应性能的改进,包括芯片集电结附近(下层)结构的改进(透明集电区),耐压层附近(中层)结构的改进(NPT,FS/SPT等)和近表层(上层)结构的改进(沟槽栅结构,注入增强结构等),以及由它们组合成的NPT-IGBT,Trench IGBT,Trenchstop-IGBT,SPT,SPT+,IEGT,HiGT,CSTBT等。

基于任务剖面的牵引逆变器IGBT寿命预测

为提高牵引变流器的可靠性,进一步节省成本,对牵引变流器的关键部件绝缘栅双极性晶体管(IGBT)进行基于任务剖面的寿命预测。首先,构建城市轨道交通牵引传动系统电热模型,分别采用基于电流开环和单电流闭环弱磁控制2种不同的异步电机全速域控制策略,获取相应控制策略下绝缘栅双极性晶体管的结温;然后,采用雨流计数法提取绝缘栅双极性集体管承受的热循环的结温信息(包括结温波动和结温最大值);最后,采用迈纳线性累积损伤理论计算每个热循环对绝缘栅双极性晶体管造成的损伤,预测2种全速域控制策略下绝缘栅双极性晶体管的寿命。仿真结果表明:基于单电流闭环弱磁控制的全速域控制策略,能够有效提高绝缘栅双极性晶体管的寿命,进而提高牵引变流器的可靠性。

基于动态自适应参考值的牵引整流器IGBT键合线老化状态监测方法

为实现高铁牵引整流器中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)键合线老化程度的状态监测,文中提出一种基于集射极饱和导通压降Vce的动态自适应参考值的方法。分析键合线老化脱落根数与Vce的对应关系,并基于动态自适应参考值来消除结温的影响。在离线条件下,采集特定导通电流下多种结温和键合线脱落程度下的Vce,构成参考数据集;对运行中的牵引整流器,监测IGBT在该特定导通电流下的Vce实际值,由参考数据集动态地计算出与该时刻结温相适应的Vce参考值,将实际值与参考值相比较,即可评估IGBT键合线老化状态。文中方法能有效消除结温对监测效果的影响,并能在牵引工况下完成牵引整流器中IGBT键合线老化状态监测。最后,利用实验测试验证所研究的方法的可行性。

基于改进谱峭度与电流均值的牵引整流器开路故障诊断方法

针对动车组牵引整流器IGBT的开路故障诊断问题,以CRH3型动车组的牵引工况为例,提出一种基于改进谱峭度与电流均值的新型诊断方法。分析单个IGBT开路和2个IGBT同时开路故障下牵引整流器的网侧电流突变情况,根据网侧电流的突变特征将其分类;计算网侧电流的改进谱峭度(SK)以检测故障发生类别;结合电流均值法定位故障。所提的改进方法不需要复杂分类器,在实际应用中方便可行,仿真结果表明该方法能有效实现动车组牵引整流器的故障诊断。

牵引用3300V／500ASiC混合模块研制

基于自主绝缘栅双极晶体管(IGBT)芯片和碳化硅(SiC)肖特基势垒二极管(SBD),研制3 300 V/500 A SiC混合模块,完成模块的性能测试及热阻测试,并与Si IGBT模块进行对比。二极管热阻较Si IGBT模块显著降低,增大模块额定电流能力。SiC混合模块反向恢复能量几乎可忽略,减少模块工作过程中对IGBT芯片的电流和电压过冲,利于模块的长期可靠性。利用PLECS仿真得到脉宽调制(PWM)工况下芯片最高结温,SiC混合模块低于IGBT模块。3 300 V/500 A SiC混合模块的研制成功,对SiC材料在机车牵引领域的应用具有推动作用。

用于工业牵引的软穿通IGBT技术大功率模块

随着1.7kVSPT(软穿通)IGBTLoPak密集型封装结构模块类型的引入,为进一步开发利用新的1.7kVSPTIGBT和二极管芯片的特性,研发了电压为1.7kV,电流额定值为2.4kA新封装类型的模块,该模块采用了E1和E2工业标准模块封装形式。在长期高可靠性应用的经验基础上,设计了新的封装类型,其特性适用于牵引市场。讨论了1.7kVSPTIGBT(E1/E2)模块范围的特性,尤其论述了改进的静态和动态特性。

IGBT内部热电耦合分析方法

铁路以牵引动力大、重量轻、体积小、可靠性高、运行成本低及速度快等特点为发展方向,决定了机车传动系统采用先进的交流传动系统已成为必然。随着IGBT功率等级和开关频率的提高,IGBT的工作性能和寿命的受热影响会越来越大。将IGBT细胞元的边界条件与半导体的基本方程结合起来求解出其内部的温度场,知道在芯片内部温度比较高的区域,并且找出影响温度分布的因素,从而找出降低温度的办法。

基于布尔矩阵的列车牵引变流器故障诊断

为及时准确地在线诊断列车牵引变流器故障,针对列车独特的并联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变电路结构,提出一种牵引变流器IGBT开路故障诊断方法。该方法采集三相电压和并联IGBT电压降,分别与各自阈值对比后存入各自的布尔矩阵;对比两个矩阵是否匹配;将矩阵转化为十进制序列,与故障序列对比,诊断故障位置。该算法不依赖复杂的数学变换,时间复杂度低;采用布尔矩阵解决了矩阵存储空间大的问题,能有效提高诊断速度。

HXD3 型电力机车牵引变流器IGBT炸裂原因分析及对策

为解决HXD3型电力机车牵引变流器IGBT出现的炸裂故障,在分析HXD3型电力机车牵引变流器原理的基础上,结合济南西机务段管内的典型IGBT炸裂案例,从电气、热应力、机械角度,分析HXD3型电力机车牵引变流器IGBT炸裂的原因,提出针对性整改措施。经生产实践运用证明,整改措施有效,保障了HXD3型电力机车运用的安全稳定。

沈阳地铁1号线牵引变流器功率模块国产化设计与开发

沈阳地铁1号线电客车使用的牵引变流器功率模块故障比较严重。文章针对沈阳地铁1号线牵引系统功率模块进行国产化开发,从牵引系统功率模块的工作原理进行分析,运用大功率IGBT驱动技术进行重新设计,从而优化系统方案、降低制造成本、缩短采购周期,以满足电客车运营要求。

具有统一封装的NX系列IGBT模块的开发

利用包含统一外壳、基板、螺孔端子盒以及针脚的新封装设计,开发了一系列包含各种电流等级的IGBT模块。通过使用统一封装,可以覆盖不同的电路拓扑结构,例如单管、双管、七管、整流、逆变、制动(CIB)等等。这种封装能够降低模块的制造成本,缩短开发周期,并且能够满足多种电流等级设计的需求。

基于碳化硅及永磁电机技术的新型城轨车辆牵引系统研究

文章以西安地铁永磁同步牵引系统为例,对适用于我国地铁车辆的新型牵引系统技术进行研究。西安地铁永磁牵引系统应用了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率器件、永磁电机和新型轴控牵引控制等新技术,具备一定的节能性、可靠性、低噪声、高可用性优势,为地铁牵引应用带来巨大的效益。同时,对下一代碳化硅器件应用于城轨车辆牵引系统进行了研究与展望。

730E矿用自卸卡车牵引系统优化改进

730E矿用自卸卡车牵引回路由GF、P1、MFC 3个机械式接触器控制工作,为了杜绝机械式接触器频繁吸合引起的触点磨损、异物掉入接触器内部卡死接触器等故障,提出了使用性能稳定、具有更快开关速度、故障率低的绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)取代原车机械式接触器的方案,以解决730E矿用自卸卡车因接触器故障而引起的其它关联电气故障。通过查阅730E矿用自卸卡车维修手册及其它电气书籍,结果表明IGBT作为一种静态开关取代接触器实施方案可行。