牵引逆变器IGBT风冷散热试验及仿真平台搭建

IGBT散热性能是影响高速动车组在行驶过程中安全性、可靠性及动力性的重要因素。本文以某出口铰接车牵引变流器箱为试验研究载体,研制了专用风冷散热试验台;同时运用仿真软件Flotherm进行了仿真计算,通过实物试验与仿真计算的对比研究,验证了仿真计算的可行性。     

Fast power cycling protocols implemented in an automated test bench dedicated to IGBT module ageing

This paper presents fast test protocols for ageing IGBT modules in power cycling conditions, and a monitoring device that tracks the on-state voltage V_CE and junction temperature T_J of IGBTs during ageing test operations. This device is implemented in an ageing test bench described in previous papers, but which has since been modified to perform fast power cycling tests.The fast test protocols described here use the thermal variations imposed on IGBT modules by a test bench operating under Pulse Width Modulation conditions. This test bench reaches the maximal values of power cycling frequencies attainable with a given module packaging in order to optimize test duration.The measurement device monitors V_CE throughout the ageing test that is needed to detect possible degradations of wire bonds and/or emitter metallization. This requires identifying small V_CE variations (a few dozen mV). In addition, the thermal swing amplitude of power cycling must be adjusted to achieve a given ageing protocol. This requires measuring junction temperature evolution on a power cycle, which is carried out by means of V_CE measurement at a low current level (100 mA).Experimental results demonstrate the flexibility of this test bench with respect to various power cycling conditions, as well as the feasibility of the proposed on-line monitoring methods.     

基于门极阻容补偿网络的IGBT串联均压方法

针对IGBT串联应用中关断过程均压问题,对IGBT的关断过程进行了详细分析,总结出影响IGBT关断过程的核心等效电路和计算公式。在此基础上提出一种基于门极补偿阻容网络的IGBT串联均压方法,推导出增加门极阻容补偿网络后串联IGBT动态电压不均衡度和关断时间影响的计算公式,并提出门极阻容网络参数的选取原则。建立基于Lumped Charge方法的IGBT半物理数值模型,对IGBT门极阻容补偿网络进行仿真验证。给出了实际测试工况下的补偿网络参数,建立IGBT串联均压实验系统,进行多种电压、电流工况下的实验验证。仿真和实验表明:该方法可以有效控制串联IGBT的延迟时间和动态电压上升速率的差异,在母线电压为2 000V和关断峰值电流为1 500A时,采用该控制方法可将串联IGBT的动态尖峰电压不均衡度由14.4%降至6.3%。     

基于键合线等效电阻的IGBT模块老化失效研究

已有研究表明,键合线老化脱落失效是影响绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的主要因素之一。以此为研究背景,首先根据IGBT模块内部键合线的结构布局与物理特性,分析键合线等效电阻与关断暂态波形的关系,建立键合线等效电阻与关断过程中密勒平台电压以及集电极电流的数学关系式,通过实验测量获得键合线等效电阻,最后分别对键合线等效电阻与键合线断裂数的关系进行定性与定量的分析,得出键合线等效电阻会随键合线断裂数的增加同方向变化,这也证明了本文所提方法的可行性和正确性。     

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

为进一步优化模块化多电平换流器(MMC)子模块控制策略,尤其是能够兼顾子模块电容电压波动、桥臂环流二次谐波含量、子模块绝缘栅双极型晶体管(IGBT)投切次数和算法计算量四方面的性能,提出一种基于线性最优解的MMC子模块电容电压均衡控制策略。首先,阐述了子模块电容电压波动和子模块IGBT投切次数之间的相悖性,通过理论分析证明子模块电容电压波动与桥臂环流二次谐波含量之间也存在非线性关系,需寻找适当算法使其三者同时达到最优情况。然后,针对此目标,对传统算法进行优化,增加附加调节子模块功能,并结合子模块电容电压均衡控制策略,详细阐述了所述算法的控制流程及其优越性。最后,通过动模试验对传统控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、所提控制策略及其他采用不同数量的附加调节子模块的控制策略进行对比。试验数据表明,所提策略可以在子模块电压波动、桥臂环流中的二次谐波含量和子模块IGBT投切次数三方面达到线性最优。     

封装键合点对IGBT UIS失效的影响研究

为了解决绝缘栅双极型晶体管在实际应用当中的典型关断失效问题,对其在电感无钳位开关条件下的电压应力、电流应力、雪崩能力以及失效模式进行了研究。基于电感无钳位开关测试电路,着重探讨了UIS条件下IGBT的击穿机理。封装打线时将铝线分别键合于多个IGBT芯片发射极的不同部位,并基于自主搭建的测试平台,对该批初步封装的IGBT芯片进行了电感无钳位开关条件下的应力测试。最后提出了封装改进建议,避免封装键合点对于IGBT UIS失效的影响。实验结果表明:封装焊线在IGBT发射极金属所引入的横向电阻会导致IGBT芯片的并联元胞等效电阻不均匀,并使电流更易集中于封装键合点附近,最终导致IGBT芯片在UIS条件下的失效点均位于铝线键合点附近。     

电压互感器谐波特性测量用可控谐波电压源的构建

谐波电压源的构建是开展电压互感器(Voltage Transformer,VT)谐波特性测量所需要解决的关键问题之一。为解决电压互感器谐波特性测量中要求谐波电压源容量大、谐波成分丰富且可控等问题,构建了以IGBT单相逆变器为核心的可控谐波电压源。分析了其工作原理、设计了系统参数并分析了控制器特性,仿真验证了所提方案的可行性。以此为基础构建了VT谐波特性测量平台并开展了输出性能测试,其输出结果进一步验证了所提方案的有效性,为VT谐波特性的测量及试验研究奠定了基础。     

基于PWM交交变频器的分频风电系统研究

传统相控式交交变频器由于采用电网换相方式,电源侧功率因数较低,在实际应用中需要加装各种无功补偿装置。应用IGBT全控型器件和PWM技术并利用Matlab的Simulink环境搭建了一种新型的交交变频器——PWM交交变频器,该变频器使工频电源侧电压与电流的位移因数提高到接近1,因而大大提高了电源侧的功率因数。同时把该变频器应用于柔性分频输电系统中,并模拟了一回200 km/110 k V输电线路。仿真表明其输送容量大于90 MW,相对于工频交流输电系统容量大大提高;变频器的位移因数提高到1,网侧的功率因数得到了大大改善,达到了0.9以上。因此PWM交交变频器大大改善了系统性能,尤其是工频侧的功率因数。     

翅柱式IGBT水冷散热器的热仿真与实验

为分析翅柱式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)水冷散热器的换热性能,利用Hyper Mesh软件对IGBT元件和完整散热器建立高质量的网格,通过FLUENT软件计算得到了水冷散热器内部槽道的流速分布、IGBT元件与水冷散热器的温度场分布。为验证仿真方法的可行性,建立了水冷测试系统进行温升实验。考虑到IGBT元件不能长时间工作在极限工况,损耗特性与结温互相影响以及内部芯片结温不便测量等问题,实验中采用了自制的模拟热源代替IGBT元件。以实验条件作为输入参数,建立模拟热源与水冷散热器的网格模型并求解计算,对比分析表明水冷散热器安装面上测温点仿真结果与实验数据的相对误差在4%以内。     

基于开关管阻抗特性的调制组件检测方法

介绍了全固态调制器采用IGBT 管等固态器件进行串并联组合应用的典型工作模式,分析了固态调制器传统开关组件的检测和保护技术,提出基于开关管阻抗特性的调制组件检测方法,阐述了设计思想及工作原理,给出了工程实现方案和检测方法原理框图,并分析比较了传统的在线检测方法和基于开关管阻抗特性的调制组件检测方法,基于PLC 编程软件平台,根据采样电压的数值及其变化量,实现精确判定IGBT 管损坏数量和百分比的计算。工程应用验证了检测结果的准确可靠。