高壓大功率IGBT應用于機車變流器工作特性測試研究

2019-04-14 12:56:45 Westpac Electronics
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1 引言
現代電力機車、動車組和城軌列車的牽引變流
器都是以功率半導體器件作為主開關器件。 絕緣柵
雙極型晶體管(
IGBT)已經成為現代軌道交通車輛
牽引變流器和輔助變流器的主流核心器件
[1,2]
牽引變流系統所用的
IGBT 器件較其他工業應
用有著更高的要求,主要體現在: ①功率密度高,
要在機車車輛有限空間內發揮最大的牽引功率; ②
反并聯二極管容量大,要實現列車電制動并回收制
動能量; ③應用環境惡劣,車載變流器在溫度、震
動、沖擊、濕度、灰塵等多方面要求更加嚴格; ④
特殊的載荷性質,機車車輛在速度和力矩控制上考
慮因素較多,運行環境變量較大,變流器載荷特性
比工業變流器有更多特殊要求
[3,4]。世界主要牽引變
流器廠家:西門子、阿爾斯通、通用電氣、三菱、
東芝等, 它們都有緊密的
IGBT 制造企業或部門與
之配套,以此占據高壓大電流
IGBT 器件研發的制
高點。中國
IGBT 器件產業發展迅速,涌現出嘉興
斯達、 華虹
NEC、 無錫鳳凰、 深圳比亞迪、 株洲電
力機車研究所等眾多廠家。多種規格的國產
IGBT
也開始在不同領域得到應用[5,6]
本研究對三個廠家生產的標稱規格一致的
IGBT 進行對比測試分析,從結構工藝、 電氣參數
特性和應用特性方面進行了分析比對。測試了
IGBT
的靜態參數、動態參數和短路特性,對 IGBT 模塊
的芯片布局、 內部聯接和封裝工藝進行了對比。著
重考察了一款
IGBT 的工作特性,并以此款 IGBT
替換 HXD2F 機車原有功率模塊,在實際機車變流
器系統中對
IGBT 的應用特性進行測試,評估該型
IGBT 在機車牽引變流器系統中應用的可能性。
2 IGBT 電氣模型及特性測試
IGBT 應用一般采用等效電氣模型對其特性進
行仿真驗證。
IGBT 靜態特性反映持續導通或關斷
的性能,動態特性反映
IGBT 開關瞬間工作的性能。
通常
IGBT 模塊應用環境與器件廠家的測試環境有
很大不同,測試實際特性參數有利于更好發揮模塊
的效能。
2.1 IGBT 電氣模型
集電極
門極 發射極
門極
發射極
集電極
1 IGBT 結構圖與等效電路
Fig.1 Schematics of IGBT structure and equivalent circuits

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