计及电热参数更新的高速列车牵引整流器IGBT模块寿命评估

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为列车变流器的关键部件,其寿命受老化过程中参数变化的影响,为此提出了一种计及电热参数更新的IGBT模块寿命预测方法。首先,利用实车采集到的外部电压、电流数据结合变流器调制策略推导IGBT的驱动信号,进而获得单个IGBT的电压电流;其次,基于数据手册建立Foster热网络模型获取IGBT的结温;之后考虑到实际中IGBT的老化过程,提出一种IGBT结温计算过程中热阻和导通压降的更新策略;最后通过寿命模型对IGBT进行损伤度估算,并通过蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟评估器件寿命计算过程中的不确定性,取得可靠性变化曲线。     

基于热传导模型的IGBT结温计算方法

针对IGBT芯片结温难以直接测量的问题,提出了一种基于热传导模型的IGBT结温计算方法。基于经典的Cauer型RC网络结构,建立了变流器热传导模型;结合传递函数概念和热传导模型结构,完成了变流器热传导模型的参数识别;通过查阅IGBT产品手册以及实际工作工况,计算得到IGBT实时功率损耗;最终通过MATLAB/Simulink进行仿真计算,得到变流器IGBT芯片的实时结温。此方法实现了IGBT芯片结温的快速计算,为IGBT可靠性和寿命评估提供了数据支撑,同时也为功率模块及变流器的设计研发提供了新的科学依据。     

轨道交通用IGBT器件寿命预测技术综述

随着中国轨道交通车辆陆续进入高级修阶段,IGBT器件寿命预测技术成为行业关注的热点,科学的寿命评估方法是实现IGBT变流器全生命周期管理的基础。文章针对轨道交通的应用,介绍了IGBT器件失效机理、寿命预测模型及计算流程;通过概述国内外相关研究现状,归纳了目前IGBT器件寿命预测面临的难题,分析了通过采用智能化驱动、大数据分析及人工智能、状态检测等技术来提高IGBT器件寿命预测的准确性。     

牵引变流器功率器件结温在线监测方法综述

功率器件结温在线监测对牵引变流器安全可靠运行至关重要,准确的结温监测是牵引变流器失效分析、运行状态监测、健康管理和剩余服役寿命预测的基础。因此,面向功率器件结温在线监测开展了大量研究。在此基础上,概述了以热网络模型法和温敏参数法为主的功率器件结温在线监测方法,以此为分类基准梳理了现有功率器件的结温监测方法并讨论了在牵引变流器中在线实现的可能,详细介绍了功率器件结温监测方法针对在线应用及客观因素干扰的发展与改进。最后,总结并对比了现有功率器件结温在线监测方法的演变、联系与差异,在分析现有结温监测方法面临挑战的基础上,展望功率器件结温在线监测在人工智能技术辅助下的前景。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法

实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法,具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性;其次,采用深度神经网络（DNN）,排除关断电压对负载电流的依赖,达到不同工况下保持准确结温预测的目的;最后,通过单相脉宽调制（PWM）进行试验验证。结果显示,该结温监测方法误差在±5℃的范围内,这表明利用DNN优化结温监测是可行的。     

IGBT模块与散热器接触界面气隙对散热的影响研究

IGBT模块与散热器接触界面使用导热硅脂来降低接触热阻,在轨道交通领域,由于运行环境的频繁振动和温度循环,使硅脂可能发生挥发、流失或干涸,从而在接触界面产生气隙,使传热条件恶化。文章通过数值仿真以及热性能试验2种方法,研究界面气隙对IGBT模块结温和壳温的影响。结果表明,在硅脂气隙产生的初期,气隙对IGBT结温的影响较小;随着气隙扩大,则会使结温明显升高,导致IGBT模块寿命降低,甚至使IGBT模块迅速损坏。     

半实物仿真技术在轨道交通用IGBT寿命预测中的应用

IGBT是列车牵引变流器的核心部件,其寿命预测技术是整车故障预测与健康管理的重要依据。采用半实物仿真方式对CRH_5型动车组IGBT电流、电压等参数进行提取,基于这些参数进行与寿命相关的仿真和计算。计算表明:逆变器侧IGBT模块寿命小于脉冲整流器侧IGBT;IGBT的主端子、芯片和DBC焊层会提前出现失效征兆现象。该方法为准确评估轨道交通用IGBT模块寿命预测提供参考。     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

IGBT在轨道交通牵引应用中的可靠性研究

为提高电力机车牵引系统运行可靠性,通过对IGBT失效机理和失效模型的研究,比对多种机车在各运行区段的IGBT失效率数据,分析了失效原因,并且针对性地提出了解决措施,为轨道交通牵引变流器可靠性的深入研究提供了一定的依据。     

牵引用3300V IGBT/FRD芯片组设计与开发

针对轨道交通绝缘栅双极晶体管(IGBT)的应用特点,利用计算机仿真技术对终端结构进行优化,提高耐压特性;采用台面栅结构,提高开关速度;通过控制载流子注入效率,改善Vceon与Eoff的折中关系,降低芯片损耗;采用先进元胞设计技术,提高芯片短路能力,从而提高芯片可靠性;通过超低阳极掺杂控制阳极注入效率,免除局部寿命控制,降低FRD的反向漏电流。研究开发了3300V IGBT及其配套FRD芯片,满足轨道交通的应用要求。     

基于大功率全SiC器件的变换器研究

为了适应变流器产品高频化、高功率密度的发展趋势,研究了大功率全SiC MOSFET器件在变换器中的应用,讨论了全SiC MOSFET器件在应用中的杂散参数问题和桥臂串扰问题。通过双脉冲试验,重点研究了驱动电阻和吸收装置对大功率全SiC MOSFET器件关断尖峰电压的影响。结合实际产品研究了基于大功率SiCMOSFET器件在轨道交通Boost变换器中的应用。试验表明,相对于硅基IGBT器件,采用SiCMOSFET器件能给变换器带来轻量化、工作频率、效率的全方位提升。     

城轨列车车载超级电容寿命预测研究

城轨列车运行过程中,会对储能系统进行充放电,储能系统的超级电容组承受着周期性循环的结温波动,结温频繁变化会损伤超级电容,是列车储能系统中最易发生故障的器件之一。为了在线计算超级电容的结温状况,首先建立等效热网络模型;然后将热模型获得的结温曲线通过实时雨流计数法提取结温特征,结合所提寿命预测模型实现超级电容组的寿命预测。另外,以三维图的形式展示各平均温度和温度波动条件下超级电容组的循环寿命,为预测更多工况条件下超级电容组的寿命提供参考,以便进一步提高储能系统的可靠性和安全性。     

城市轨道交通车辆的紧凑型牵引变流器

正0引言在电机驱动的现代轨道交通车辆中,牵引变流器控制车辆的运动并向其提供动力。这种变流器建立在绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体技术基础之上。ABB充分利用其独特的电力电子技术组合,为轨道交通市场研发了能源效率高、性能可靠、结构紧凑、提供友好而周到服务的新型牵引变流器。如果将安装在地铁、有轨电车或机车中的牵引电机比作人的肌肉,那么牵引变流器就相当于人的心脏和小脑。     

IGBT结温的近似计算方法及应用

描述了IGBT的结构及散热原理。介绍了一种IGBT结温近似计算方法,将IGBT的导通损耗和开关损耗的计算大大简化,使结温的计算变得简便易行。通过应用实例验证了近似计算方法的可行性和准确性。     

银烧结技术在压接型IGBT器件中的应用

银烧结技术具有低温连接、低热阻、低应力和高熔点等特点,已成为保证绝缘栅双极型晶体管(IGBT)界面连接的可靠性应用技术。文章分析了银烧结技术工艺和引入银烧结技术的压接型IGBT器件结构组成;利用有限元方法对比分析了银烧结子单元和焊接子单元封装的2种压接型IGBT器件热阻差异;通过压降参数、压力均匀性、热阻特性和长周期功率循环界面可靠性这4个维度对比了银烧结IGBT器件和常规焊接IGBT器件的特性差异。实际应用证明,引入银烧结技术的压接型IGBT器件,其可靠性得到了大幅度提升。     

基于全碳化硅器件的辅助变流器设计及试验验证

辅助变流器是导轨电车上的重要电源设备,为全车提供380 V交流电和24 V直流电源。目前辅助变流器普遍采用基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块进行设计,其体积大、开关频率低、功率密度小,无法满足当前导轨电车辅助变流器小型化、轻量化的设计需求。采用新型SiC(碳化硅)MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)功率器件代替IGBT进行系统设计,以提高系统开关频率,优化设计外围无源器件,同时利用新型箝位电路抑制了高开关频率带来的尖峰电压。通过计算及试验,验证了基于SiC设计的新型导轨电车辅助变流器在体积和性能方面的优势,对SiC MOSFET器件的应用具有积极意义。     

本期导读

<正>IGBT在轨道交通牵引应用中的可靠性研究:IGBT在轨道交通牵引应用中一支独秀,独步市场超过20年,是近似于理想开关器件,其应用在重载机车上故障率相对较高,而在内燃机车、动车及城轨车辆上的应用则比较可靠。城轨车辆低粘着条件下紧急制动减速率研究:车辆的紧急制动减速率与轮轨间的粘着密切相关。在低粘着的轨道上运行时,车辆的紧急制动减速率会明显降低。对于暴露于露天环境     

基于Matlab的IGBT能耗模型及其在热仿真中的应用

提出了一种基于Matlab的IGBT热仿真新方法。基于此方法,利用Simulink和S-Function建立了TIM1500ESM33-TS型IGBT的器件损耗仿真模型,并将其应用在三相两电平SVPWM逆变器的仿真中。仿真结果表明,该方法不仅能获得比较精确的IGBT实时损耗、实时结温等重要指标,而且由于采用了IGBT实时工作电流作为仿真的输入变量,所以可适用于多种工况下的IGBT仿真。     

三电平NPC拓扑结构中功率IGBT器件的应用和分析

讨论了三电平NPC拓扑结构的基本工作原理和相应的换流路径;考虑到IGBT模块对直流电压稳定性的要求,给出在给定故障率条件下允许长期运行的最大直流母线电压;分析了器件芯片技术及封装的特点,给出了在三电平应用中的IGBT解决方案;以4.5k V IGBT为例,研究了三电平拓扑布局应用中杂散电感及结温差异所引起的开关特性问题,并提出一些在三电平设计中关于IGBT模块均流和布局应用方面的建议。