【導(dǎo)讀】在軌道交通中，大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)動(dòng)車，例如火車和地鐵內(nèi)部有兩個(gè)功率模塊，分別是主牽引變流器和輔助變流器。在功率最高、電壓最大、工作條件非常惡劣的情況下，如何選擇IGBT？
主牽引變流器為牽引機(jī)車提供動(dòng)力，功率最高、電壓最大，工作條件最為嚴(yán)酷。輔助變流器為其他非動(dòng)力電流供電，如空調(diào)、車燈、后備電源等，電壓、功率相對(duì)較低，工作條件也相對(duì)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(duì)比較低，1.7千伏模塊就能滿足。它們均需要選用牽引級(jí)IGBT模塊，因?yàn)闄C(jī)車工作環(huán)境非常惡劣。牽引級(jí)IGBT是電子應(yīng)用領(lǐng)域要求等級(jí)最高的IGBT，對(duì)可靠性和產(chǎn)品生命周期的要求極高。
牽引級(jí)IGBT的功率高達(dá)1千萬瓦，每個(gè)IGBT承受的最高電壓可高達(dá)6.5千伏，標(biāo)稱電流高達(dá)600安。牽引級(jí)高壓大功率IGBT的工作環(huán)境嚴(yán)酷，負(fù)載劇烈變化，對(duì)IGBT模塊的壽命影響很大，這就需要采用特定的技術(shù)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(jí)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(jí)IGBT功率模塊的工作溫度比常見工業(yè)級(jí)功率模塊的工作溫度高出25℃，達(dá)到150℃。提高25℃對(duì)于IGBT有兩個(gè)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(jìn)而使整個(gè)變流器的設(shè)計(jì)更為小巧。其次，提高牽引級(jí)IGBT的工作溫度增強(qiáng)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(jié)溫是我們提升IGBT可用功率的一個(gè)手段，而且它是IGBT模塊封裝技術(shù)提升的結(jié)果。”英飛凌科技工業(yè)及多元化電子市場(chǎng)事業(yè)部工業(yè)功率市場(chǎng)總監(jiān)Vivek Mahajan指出，IGBT的輸出電流主要受結(jié)溫限制，芯片的溫度限制了它的功率負(fù)荷。如果能夠?qū)⒔Y(jié)溫提升就意味著IGBT可以輸出更大的電流。而實(shí)現(xiàn)結(jié)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(gè)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(jié)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(shí)IGBT的可靠性提升大大延長(zhǎng)了模塊的使用壽命。”
混合動(dòng)力車的動(dòng)力來自內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，一部分行駛動(dòng)力從穩(wěn)定工作在最佳工作點(diǎn)的內(nèi)燃機(jī)獲得，另一部分電力則從電機(jī)獲得。如果實(shí)際需要的動(dòng)力比內(nèi)燃機(jī)的供能小，則用多余的動(dòng)力充電，通過發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)在電池；如果需要的功率大于內(nèi)燃機(jī)的功能，馬達(dá)可以和內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合共同驅(qū)動(dòng)機(jī)車前進(jìn)?；旌蟿?dòng)力機(jī)車采用這樣“混合雙打”方式取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓內(nèi)燃機(jī)獲得最佳的能效比。
我們都知道，一般來說混合動(dòng)力車的關(guān)鍵組件是發(fā)電機(jī)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，而發(fā)電機(jī)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是IGBT模塊。由于混合動(dòng)力車的工作環(huán)境略優(yōu)于軌道交通，因此可選用等級(jí)稍低的車輛級(jí)IGBT模塊。例如英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其最高結(jié)溫為175℃。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可通過將IGBT的位置更靠近基板螺絲固定點(diǎn)的方法，來有效降低基板與散熱片之間的熱阻效應(yīng)，內(nèi)部雜散電感與同級(jí)產(chǎn)品相比可降低約60%。
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