HXD3型电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)集场效应管(MOSFET)和大功率晶体管(GTR)的优点十一体,因此,在变流领域中得到了广泛的应用.文中介绍了 IGBT的工作原理和其在HXD3型电力机车主牵引变流器(CI)中的应用,并分析IGBT模块的损坏机理、失效原因,给出了防止故障的技术措施.     

轨道交通用750A/6500V高功率密度IGBT模块

通态损耗及开关损耗的降低是高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计与制造的关键。基于"U"形增强型双扩散金属氧化物半导体(DMOS~+)元胞结构、增强型受控缓冲层(CPT~+)及横向变掺杂集电极(VLDC)技术、横向变掺杂(VLD)终端结构等关键技术,研发了具有低通态损耗的6 500 V平面栅IGBT芯片及其配套快恢复二极管(FRD)芯片。将IGBT及FRD芯片封装成750 A/6 500 V IGBT模块并对其进行测试、试验,其动、静态特性与安全工作区(SOA)性能优良,满足我国高速动车组、大功率机车等轨道交通牵引的应用要求。     

大功率IGBT产业化基地在湖南株洲奠基

2011年5月25日,由南车株洲电力机车研究所有限公司负责具体实施的中国南车大功率IGBT(绝缘栅双极晶体管)产业化基地在湖南省株洲市田心高科技工业园奠基,我国首条8英寸IGBT芯片生产线项目随之启动。这标志着该公司将成为国内唯一掌握IGBT从芯片设计至模块封装到系统应用整套技术并形成完整产业链的企业,也标志着我国IGBT关键技术长期受制于国外公司的局面将由此改变。     

用于低压和高压器件的IGBT的额定过载特性

具有薄n基区和低掺杂场截止层新结构的非穿通绝缘栅双极型晶体管NPT IGBT明显降低了总损耗.特别是场截止概念与挖槽晶体管单元的结合能产生通态电压最小、开关损耗最低、载流子浓度近乎理想的器件.这种概念在600V～6.5 kV以上的IGBT和二极管中得到了发展.当折衷性能和总耐量与电压和电流额定值无关时,低压器件的开关特性与高压晶体管(VBr＞2 kV)的处理方法不同.采用HE-EMCON二极管和高达1 700 V的新型场截止NPT IGBT,几乎不受开关性能的限制,不过,需考虑的是外部栅极电阻必须取确定值.相比低压晶体管,高压器件的电流密度较低,因而高压二极管和IGBT中的"动态"电场强度更临界.     

大功率IGBT驱动技术的研究

介绍了IGBT的开关特性及自行设计的大功率IGBT驱动电路,经试验表明该电路达到了设计要求,并应用在大功率IGBT逆变器中取得了良好的效果.     

TGA6型主辅一体化IGBT变流器

详细阐述了一种采用主辅一体化全新设计理念的大功率水冷IGBT变流器的系统原理、主电路、主要参数和总体结构,重点分析了该变流器的一体化集成设计、IGBT并联、水冷及保护等关键技术。通过系统联调试验表明,该变流器的技术性能能满足大功率电力机车交流传动牵引和辅助供电的要求。     

超结IGBT的结构特点及研究进展

随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)技术的发展,目前主流的场截止型结构越来越接近其理论极限。超结被誉为"功率MOS的里程碑",近年来也被引入IGBT以进一步提升器件性能。超结IGBT结合了场截止型IGBT和超结结构的优点,可在更短漂移区长度下实现高耐压和低损耗。然而,作为一种双极型器件,超结IGBT具有与超结MOSFET不同的工作原理。文章从超结原理出发,揭示了超结IGBT的结构特点和工作原理,并对超结IGBT的最新研究进展进行了梳理和概括。     

大功率IGBT直接并联应用技术研究

介绍了工程中大功率IGBT常用的几种并联方式,并详细介绍了大功率IGBT直接并联应用的技术要点。通过对直接并联应用技术的研究和工程设计开发,包括理论分析、研究性试验以及装车运行考核,表明采用该种大功率IGBT直接并联技术的产品具有更加优良的均流效果和更高的可靠性,有着广阔的市场前景。     

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。     

轨道交通用高压IGBT技术特点及其发展趋势

针对轨道交通用高压绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的应用特点,从芯片和模块两方面对轨道交通用IGBT的技术特点进行了分析。随着IGBT芯片及模块的设计与工艺技术发展,未来轨道交通用IGBT将朝更高功率密度、更高工作温度、更智能及更可靠的方向发展。     

大功率IGBT短路能量的分析研究

针对大功率IGBT短路保护技术,详细介绍了IGBT短路及其保护原理,通过不同工作电压下短路试验波形验证了IGBT短路时间与其工作电压密切相关,得出了IGBT工作电压越高短路时间越短的反比关系,最后通过短路试验数据拟合曲线分析证明了不同工作电压下IGBT的短路能量相同。     

结构上胜过传统IGBT的CSTBT

采用薄穿通(LPT)垂直结构的载流子贮存挖槽栅双极型晶体管(CSTBT)是一种新型的功率器件.与IGBT相比,其结构得到了改进,具有功耗更低、更耐用等优点,是工业功率变流应用最佳的功率器件.     

上海地铁车辆AC03型辅助逆变器的国产化替代研究

分析了AC03型IPM(智能功率模块)辅助逆变器的结构与原理,阐述了采用高压IGBT(绝缘栅双极型晶体管)来替代IPM的必要性,并对SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制方法进行MATLAB软件建模与仿真分析.在此基础上,进行了高压IGBT替代IPM的研究工作,装车试验取得成功并进入运行考核.     

高速动车组变流器大功率IGBT驱动器保护电路设计

国内高速动车组牵引变流器、辅助变流器均采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关器件。理想的IGBT驱动器除了提供适当的栅极正偏压和负偏压,使高压IGBT模块可靠地开通和关断,还应具有完善的保护功能。本文提出了IGBT栅极电压保护、短路保护、di/dt保护、集电极-发射极过电压保护的方法,并利用IGBT双脉冲试验台,进行试验验证。试验结果验证了保护方法的有效性。     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

大功率变流器模块主电路杂散电感分析

基于IGBT逆变电路建立了主电路中带杂散电感的拓扑图,分析了杂散电感在电路换流过程中产生的影响,经对比计算,验证了大功率变流器模块使用叠层母排的可靠性,并通过有限元仿真分析了影响叠层母排电感值的一些因素,为IGBT大功率变流器模块的电路结构设计及其后期优化设计提供参考。     

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。     

补偿装置在高速磁浮系统中的应用研究

由于高速磁浮牵引采用大功率变流装置,供电系统必须对系统运行时的谐波进行滤波,对无功分量进行调节。系统运行时对电网的无功和谐波进行补偿与滤波是电网安全和系统正常运行的重要部分。分析了补偿系统的构建和控制原理。使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)无功调节装置将有利于补偿系统满足牵引系统补偿的快速性要求。该补偿系统运行后能够满足电网质量要求,但系统损耗和动态响应尚需进一步优化。     

一种大功率变流器模块在小电流下的失效研究

详述了一种大功率变流器模块在小电流下的工作特点,并进行了理论分析和研究性试验,归纳了在小电流下导致IGBT元件失效的因素,为大功率变流器的可靠性研究提供了参考。     

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。