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。     

CRH380A动车组自主牵引变流器三电平功率模块研制

为满足CRH380A动车组牵引变流器三电平功率模块自主设计需求,结合三电平功率模块主电路结构特点,完成了三电平功率模块关键技术(IGBT驱动设计、低感复合母排设计和散热设计)的攻关,研制了满足CRH380A使用的自主三电平功率模块。试验和运行结果表明,该三电平IGBT模块性能良好,满足CRH380A高速动车组使用。     

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。     

IGBT牵引变流器的发展

简述了IGBT牵引变流器的发展沿革,比较了IGBT与GTO等元件的功率要求和工作特性,分析了IGBT牵引变流器的发展前景,介绍了IGBT牵引变流器的应用实例,得出了在各功率等级的牵引变流器中,IGBT将完全取代GTO晶闸管的结论.     

牵引变流器撬棒保护电路研究

针对牵引变流器IGBT器件失效故障导致炸损等严重后果的现状,分析了几种常见的IGBT功率模块失效模式,介绍了撬棒保护电路和原理,从电路分析和能量密度仿真角度定性和定量对比了各种失效模式下有无撬棒保护电路的差别,对于防止由于单管短路进而导致桥臂直通、降低故障IGBT功率模块损伤范围、防止已短路失效IGBT器件炸损,通过试验验证了撬棒保护电路的有效性。     

牵引级1500A/3300V IGBT功率模块的热学设计与仿真

主要针对牵引级1 500 A/3 300 V IGBT模块进行热学分析,建立了基于热节点网络的热阻等效电路模型,从理论上优化了功率模块的稳态热阻分布,通过有限元模型对1 500 A/3 300 V IGBT模块进行热学仿真设计,验证了该热阻模型的有效性。     

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。     

简统化地铁车辆IGBT牵引逆变器

详细介绍了具有完全自主知识产权的简统化地铁车辆IGBT牵引逆变器的主电路、变流器模块、牵引控制单元(DCU)以及总体设计,阐述了该型牵引逆变器的技术特点.通过实际装车考核,表明该简统化地铁车辆IGBT牵引逆变器的设计完全能够满足目前地铁交流牵引传动系统的要求.     

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。     

城轨牵引变流器自主化设计与研制

通过对DC 750V城轨牵引变流器的主电路设计,完成了IGBT及散热功率的参数计算和选型;设计和开发了变流器核心部件牵引控制单元,提出了控制单元硬件设计架构和功能,同时对软件设计及开发平台进行介绍。自主开发研制的牵引变流器在交流传动国家重点试验室完成了地面组合试验,并通过了型式试验。     

基于任务剖面的高速列车牵引变流器IGBT寿命评估

高速列车复杂的工况和恶劣的运行环境,导致牵引变流器中的功率模块具有相对较高的故障率,合理地对其进行寿命评估对保证列车安全运行以及优化现有的维修策略具有重要研究意义。针对现有的基于故障统计不能有效进行可靠性分析的问题,同时运行工况及环境对模块的寿命产生不可忽略影响,文中基于列车任务剖面进行寿命评估,通过对广州南—长沙南线路的某车型动车组加装传感器,采集变流器关键运行信息,然后基于变流器的数学模型推导和仿真获取功率模块的热载荷,结合应力—强度分析,最终使用雨流算法和Norris-Landzberg模型完成IGBT寿命的评估。     

地铁牵引功率模块测试系统设计

地铁牵引系统主要由牵引逆变器提供动力,牵引功率模块是其中的核心主电路部分。介绍了一种地铁牵引系统功率模块测试系统设计思路及参数计算,给出了测试系统的硬件和软件设计方法。通过静态脉冲测试和动态脉冲测试可以看出,设计的测试系统可较为精确地测量到地铁牵引逆变器功率模块每个桥的桥臂IGBT(绝缘栅双极晶体管),且其实测值与理论计算值接近。该测试系统较为适合现场测试和验证功率模块的整体性能。     

一种城轨车辆牵引变流器控制单元的硬件设计

为满足城轨车辆部件轻量化、小型化、集成化的要求,通过对城轨车辆牵引变流器的功能进行分析,明确了牵引变流器控制单元应具备系统级和逆变器级控制、通讯、信号处理和故障诊断等功能,从而提出以控制系统模块、数据处理和监控模块、信号处理模块组成的紧凑型牵引控制单元架构。在硬件设计中,采用微控制单元(MCU)完成系统级控制;采用数字信号处理器(DSP)完成逆变器级控制;采用可编程逻辑器件(FPGA)作为MCU和DSP的协处理器,并负责所有对外部电路的接口;采用开关量处理电路、模拟量采集和处理电路、脉冲输出及反馈处理电路,对牵引变流器的各类型信号进行处理,完成控制系统模块指令的输出和系统状态的采集。通过型式试验和牵引系统地面联调试验,验证了牵引变流器控制单元的性能符合设计要求,适用于集成度较高、空间相对紧张的场合。     

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。     

用于大功率场合的IGBT变流器

ADtranz公司与德国铁路公司(DB AG)商定准备在已开始向DB AG交付的批量为400台的185型双流制机车上,采用与模块式功率变流器(MPC)家族兼容的IGBT牵引变流器取代GTO变流器.     

基于250～350km/h可变编组动车组牵引系统研究

介绍了250～350 km/h可变编组动车组牵引系统的性能指标。参照大西高铁综合试验数据和中国标准动车组互联互通阻力测试结果确定动车组运行总基本阻力计算公式,依据列车运行速度和编组数得出阻力调整因子,对可变编组动车组运行总基本阻力加以修正。根据动车组加速度和牵引力要求,计算出不同速度等级的4～18编组整车功率,并依次计算出牵引电机和变流器的功率。为提升牵引系统的轻量化和集成化技术,主变流器选定3 300 V/500 A SiC混合功率模块器件。根据3个速度等级4～18编组整车的功率比,考虑牵引电机极限值,计算出相应速度列车的动拖比和齿轮箱变速比。在不同的速度等级和编组情况下,分别对3种故障状态下的牵引性能进行验证。计算结果表明:所设计的牵引系统具有可行性,列车牵引、启动和电制动性能良好。     

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。     

HiPak 6.5kV IGBT的开关特性及门极驱动电路对其影响

介绍了ABB对Hi Pak 6500V/750A IGBT模块反向恢复特性的研究,首创性地就di/dt对二极管和与之反向并联的IGBT的正、反向恢复特性的影响进行了研究;并分析了di/dt对IGBT模块的影响,可以确认di/dt在其反向恢复过程中起重要作用,即当di/dt过高时,IGBT和二极管芯片会发生损坏,并有可能随后导致变流器的桥臂间短路。文章指出IGBT和门极驱动之间的优化匹配对确保安全工作十分重要,只有这样Hi Pak模块的鲁棒性才能得以完全体现。     

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。     

高功率密度IGBT模块的研发与特性分析

基于现有标准DMOS设计技术,通过优化高压IGBTFRD芯片及其模块结构,降低芯片功耗、模块寄生电感和模块热阻,改善模块散热,提高最高工作温度。研究开发了高功率密度1 500 A/3 300 V、1 200 A/4 500 V及750 A/6 500 V IGBT模块,满足轨道交通的应用要求。