淺析軌道交通和混合動力車IGBT模塊的選擇

時間:2010-05-28

來源:網(wǎng)絡轉載

導語:火車和地鐵中牽引級IGBT是電子應用領域要求等級最高的IGBT,對可靠性和產(chǎn)品生命周期的要求極高。

      本文中所指的軌道交通主要是采用電力牽引的火車和地鐵,其大功率交流傳動電力機車內(nèi)部構成有有兩個重要的功率模塊,即主牽引變流器和輔助變流器。主牽引變流器為牽引機車提供動力,功率最高、電壓最大,工作條件最為嚴酷。輔助變流器為其他非動力電流供電,如空調(diào)、車燈、后備電源等,電壓、功率相對較低,工作條件也相對較好。
      主牽引變流器需要3.3千伏或6.5千伏高壓模塊,輔助變流器所需的電壓則相對比較低,1.7千伏模塊就能滿足。它們均需要選用牽引級IGBT模塊,因為機車工作環(huán)境非常惡劣。牽引級IGBT是電子應用領域要求等級最高的IGBT,對可靠性和產(chǎn)品生命周期的要求極高。
      牽引級IGBT的功率高達1千萬瓦,每個IGBT承受的最高電壓可高達6.5千伏,標稱電流高達600安。牽引級高壓大功率IGBT的工作環(huán)境嚴酷,負載劇烈變化,對IGBT模塊的壽命影響很大,這就需要采用特定的技術來提高器件的溫度循環(huán)壽命和功率循環(huán)壽命。
      一般工業(yè)級IGBT功率模塊的工作溫度為125℃,但英飛凌(Infineon)的IHM/IHV-B系列牽引級IGBT功率模塊的工作溫度比常見工業(yè)級功率模塊的工作溫度高出25℃,達到150℃。提高25℃對于IGBT有兩個好處:首先,增加了IGBT模塊的輸出功率能力,有利于提高模塊輸出功率的密度,進而使整個變流器的設計更為小巧。其次,提高牽引級IGBT的工作溫度增強了功率循環(huán)能力,從而提高模塊的可靠性和工作壽命。
      “提升結溫是我們提升IGBT可用功率的一個手段,而且它是IGBT模塊封裝技術提升的結果?!庇w凌科技工業(yè)及多元化電子市場事業(yè)部工業(yè)功率市場總監(jiān)Vivek Mahajan指出,IGBT的輸出電流主要受結溫限制,芯片的溫度限制了它的功率負荷。如果能夠?qū)⒔Y溫提升就意味著IGBT可以輸出更大的電流。而實現(xiàn)結溫提升的方法有兩種:一是降低IGBT的飽和電壓,降低IGBT的損耗;另外一個手段就是提高模塊的焊線工藝,提升它的可靠性和功率交變能力。提高IGBT的結溫可以使客戶獲得更大的使用功率,還可以降低損耗,散熱器溫度和模塊殼溫也隨之降低了,允許模塊輸出更大的電流,同時IGBT的可靠性提升大大延長了模塊的使用壽命。”
      混合動力車的動力來自內(nèi)燃機和電機,一部分行駛動力從穩(wěn)定工作在最佳工作點的內(nèi)燃機獲得,另一部分電力則從電機獲得。如果實際需要的動力比內(nèi)燃機的供能小,則用多余的動力充電,通過發(fā)電機存儲在電池;如果需要的功率大于內(nèi)燃機的功能,馬達可以和內(nèi)燃機聯(lián)合共同驅(qū)動機車前進?;旌蟿恿C車采用這樣“混合雙打”方式取長補短,讓內(nèi)燃機獲得最佳的能效比。
      混合動力車的關鍵組件是發(fā)電機和馬達驅(qū)動,而發(fā)電機和馬達驅(qū)動的關鍵是IGBT模塊。由于混合動力車的工作環(huán)境略優(yōu)于軌道交通,因此可選用等級稍低的車輛級IGBT模塊。例如英飛凌的PrimePACK第四代IGBT,其最高結溫為175℃。實際應用時,可通過將IGBT的位置更靠近基板螺絲固定點的方法,來有效降低基板與散熱片之間的熱阻效應,內(nèi)部雜散電感與同級產(chǎn)品相比可降低約60%。

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