黃先進(jìn)， 孫 湖

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

國產(chǎn)高壓大功率IGBT應(yīng)用于機(jī)車變流器工作特性測試研究

黃先進(jìn)， 孫 湖

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

高壓大容量IGBT器件廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力機(jī)車變流器系統(tǒng)中，其工作特性決定了電力機(jī)車的運(yùn)行性能。用于牽引變流器的IGBT模塊在功率密度、反并聯(lián)二極管容量、封裝技術(shù)和工作環(huán)境上要求更加嚴(yán)格。依據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，測試并掌握IGBT器件的特性參數(shù)，選用合適的驅(qū)動保護(hù)電路，可以確保IGBT穩(wěn)定可靠運(yùn)行，充分發(fā)揮變流系統(tǒng)的控制特性。本文重點(diǎn)研究DM型國產(chǎn)大功率IGBT的工作特性，選取兩種國外同規(guī)格IGBT進(jìn)行對比測試分析。將國產(chǎn)DM型IGBT應(yīng)用到HXD2F機(jī)車變流器進(jìn)行了特性測試，測試結(jié)果為此款I(lǐng)GBT以后應(yīng)用于牽引變流器的開發(fā)設(shè)計(jì)選型提供參考。

國產(chǎn)化； 高壓大功率IGBT； 特性測試； 牽引變流器

1 引言

現(xiàn)代電力機(jī)車、動車組和城軌列車的牽引變流器都是以功率半導(dǎo)體器件作為主開關(guān)器件。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)已經(jīng)成為現(xiàn)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(tǒng)所用的IGBT器件較其他工業(yè)應(yīng)用有著更高的要求，主要體現(xiàn)在：①功率密度高，要在機(jī)車車輛有限空間內(nèi)發(fā)揮最大的牽引功率；②反并聯(lián)二極管容量大，要實(shí)現(xiàn)列車電制動并回收制動能量；③應(yīng)用環(huán)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(yán)格；④特殊的載荷性質(zhì)，機(jī)車車輛在速度和力矩控制上考慮因素較多，運(yùn)行環(huán)境變量較大，變流器載荷特性比工業(yè)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(yè)或部門與之配套，以此占據(jù)高壓大電流IGBT器件研發(fā)的制高點(diǎn)。中國IGBT器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出嘉興斯達(dá)、華虹NEC、無錫鳳凰、深圳比亞迪、株洲電力機(jī)車研究所等眾多廠家。多種規(guī)格的國產(chǎn)IGBT也開始在不同領(lǐng)域得到應(yīng)用[5,6]。

本研究對三個廠家生產(chǎn)的標(biāo)稱規(guī)格一致的IGBT進(jìn)行對比測試分析，從結(jié)構(gòu)工藝、電氣參數(shù)特性和應(yīng)用特性方面進(jìn)行了分析比對。測試了IGBT的靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)和短路特性，對IGBT模塊的芯片布局、內(nèi)部聯(lián)接和封裝工藝進(jìn)行了對比。著重考查了一款I(lǐng)GBT的工作特性，并以此款I(lǐng)GBT替換HXD2F機(jī)車原有功率模塊，在實(shí)際機(jī)車變流器系統(tǒng)中對IGBT的應(yīng)用特性進(jìn)行測試，評估該型IGBT在機(jī)車牽引變流器系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性。

2 IGBT電氣模型及特性測試

IGBT應(yīng)用一般采用等效電氣模型對其特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。IGBT靜態(tài)特性反映持續(xù)導(dǎo)通或關(guān)斷的性能，動態(tài)特性反映IGBT開關(guān)瞬間工作的性能。通常IGBT模塊應(yīng)用環(huán)境與器件廠家的測試環(huán)境有很大不同，測試實(shí)際特性參數(shù)有利于更好發(fā)揮模塊的效能。

2.1IGBT電氣模型

圖1為IGBT結(jié)構(gòu)圖及等效電路，其靜態(tài)輸出特性可用下述公式描述。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)圖與等效電路Fig.1 Schematics of IGBT structure and equivalent circuits

(1)截止區(qū)：

ugs

(1)

(2)可變電阻區(qū)：

(2)

(3)飽和區(qū)：

(3)

內(nèi)部MOSFET理想電流-電壓關(guān)系與溝道寬度wch、電子遷移率un、門極氧化電容Cox、溝道長度lth、閾值電壓Uth和門極-源極電壓ugs、漏集-源極電壓uds相關(guān)。

IGBT暫態(tài)特性可用換流電路中的理想IGBT和寄生參數(shù)描述，分析動態(tài)特性的電路模型如圖2所示。

圖2 IGBT動態(tài)工作等效電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of IGBT dynamic equivalent circuits

Lσ為母線和支撐電容的寄生電感；門極電壓通過電阻Rg加在IGBT上；Rgi為模塊內(nèi)部電阻；IGBT模塊內(nèi)部的電感Lc在發(fā)射極；換流回路的電感Ls=Lσ+Lc定義為雜散電感。

IGBT一個開通過程分為4個階段：開通延時(shí)階段、MOS導(dǎo)通階段、門極平臺階段和反向恢復(fù)階段；一個關(guān)斷過程分為3個階段：關(guān)斷延時(shí)階段、MOS關(guān)斷階段和二極管續(xù)流階段。

開通過程中，門極電壓Vge與集電極電流Ic和集射電壓Vce相互關(guān)系可表示如下：

(4)

(5)

ic=g(ugs-Uth)2

(6)

(7)

式中，Ugg(on)為正脈沖電壓；Ugg(off)為負(fù)脈沖電壓；τ為時(shí)間常數(shù)；t為過程時(shí)間；Vd為二極管飽和壓降。在關(guān)斷過程中，集射極電壓上升率與門極電壓及IGBT寄生電容Cgd的關(guān)系如下：

(8)

2.2動靜態(tài)特性測試

IGBT動態(tài)特性體現(xiàn)在瞬間的開關(guān)狀態(tài)參數(shù)上[7,8]。動態(tài)特性參數(shù)包括輸入輸出結(jié)電容Cies、Coes，開通關(guān)斷延遲時(shí)間td(on)、td(off)，上升下降時(shí)間tr、tf，二極管反向恢復(fù)能力trr、Qrr，以及過程中的損耗。IGBT靜態(tài)特性體現(xiàn)在轉(zhuǎn)移特性與輸出特性上。靜態(tài)特性參數(shù)包括飽和導(dǎo)通壓降Vce(sat)、集電極漏電流Ices、并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降Vf、門極閾值電壓Vge(th)和門極漏電流Iges等。

雙脈沖測試方法是獲取IGBT動態(tài)參數(shù)的有效途徑，可以評估Rgon及Rgoff的選取阻值是否合適，考查IGBT應(yīng)用于變換器中工作時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)，包括二極管的反向恢復(fù)電流、關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰、開關(guān)過程是否有振蕩等[9,10]。雙脈沖斬波試驗(yàn)的第一個脈沖寬度和母線電壓決定負(fù)載電流大小。第一個脈沖關(guān)斷時(shí)刻為下管IGBT關(guān)斷工況測試點(diǎn)，第二個脈沖開通時(shí)刻為下管IGBT開通和上橋反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)工況觀測點(diǎn)。上管IGBT門極加負(fù)壓，保證只有續(xù)流二極管起作用。下管門極控制雙脈沖與電壓電流波形示意如圖3所示。

第一個脈沖工作示意如圖4所示。在t0時(shí)刻，門極脈沖施加下管IGBT飽和導(dǎo)通，母線電壓加在負(fù)載L上，電感電流線性上升，電流表達(dá)式為：

(9)

圖3 斬波雙脈沖Vge、Vce、Ic波形示意圖Fig.3 Wave diagram of dual-pulse test

圖4 第一個脈沖開通時(shí)刻IGBT工作示意圖Fig.4 Schematic diagram of turn on at first pulse

改變負(fù)載電感量和脈沖寬度可調(diào)節(jié)最大電流，電流值設(shè)定要考慮直流側(cè)電容量，避免母線電壓跌落。

在t1時(shí)刻，被測IGBT關(guān)斷，負(fù)載L上的電流緩慢衰減，如圖5虛線所示。下管電流探頭觀測到IGBT發(fā)射極電流為零。

圖5 第一個脈沖關(guān)斷時(shí)刻IGBT工作示意圖Fig.5 Schematic diagram of turn off after first pulse

封鎖脈沖一段時(shí)間T2，在t2時(shí)刻，第二個脈沖給定，被測IGBT再次導(dǎo)通，上管反并聯(lián)二極管由正向?qū)ɡm(xù)流進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，隨后進(jìn)入反向恢復(fù)。二極管反向恢復(fù)電流與負(fù)載L電流疊加在下管IGBT上，可觀測到尖峰電流，如圖6所示。

圖6 第二個脈沖給定時(shí)IGBT工作示意圖Fig.6 Schematic diagram of turn off at second pulse

經(jīng)過T3時(shí)間，IGBT再次關(guān)斷，此時(shí)電流較大，由于寄生電感存在，會產(chǎn)生較大的電壓尖峰，雙脈沖試驗(yàn)要注意Vcep在任何時(shí)刻不得超過IGBT的最大標(biāo)稱值Vces。

2.3短路特性測試

電路系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電流迅速上升超過額定值，瞬時(shí)發(fā)熱會損害IGBT器件。從短路狀態(tài)開始，到實(shí)現(xiàn)保護(hù)降電流，直至關(guān)斷IGBT使電流為零為止，這段過程反映了IGBT的短路耐受能力。IGBT橋式電路發(fā)生短路的路徑如圖7所示。

圖7 四種短路路徑示意圖Fig.7 Schematic of four types short circuit path

根據(jù)相對應(yīng)的短路路徑，短路情況及原因大概分為以下四種：①單個IGBT短路，IGBT或者二極管損壞，如圖7(a)所示；②橋臂直通短路，控制電路、驅(qū)動電路故障或者有干擾造成的誤動作，如圖7(b)所示；③輸出短路，接配線工作等人為失誤或者負(fù)載絕緣損壞，如圖7(c)所示；④接地短路，接配線工作等人為失誤或者負(fù)載絕緣損壞，如圖7(d)所示。

IGBT短路特性測試是保證IGBT變流器正常工作的重要試驗(yàn)，通常涉及功率模塊和驅(qū)動電路的配合測試。器件廠家沒有具體給出IGBT短路特性數(shù)據(jù)，也無法清楚描述短路行為的細(xì)節(jié)。綜合圖7短路故障發(fā)生的狀態(tài)，可以將IGBT短路工況總結(jié)為兩類：開通短路(HSF)和通態(tài)短路(FUL)。HSF發(fā)生在門極脈沖給定之前，當(dāng)脈沖給定后，Vce開始下降，Ic迅速增大，IGBT無法進(jìn)入飽和工作區(qū)或者迅速退出飽和區(qū)，之后Vce上升至母線電壓。FUL發(fā)生在IGBT正常導(dǎo)通期間，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，Ic迅速增大，IGBT逐步退出飽和導(dǎo)通，Vce隨著電流增加。FUL通態(tài)短路的狀況一般來說更為惡劣。圖8為兩種短路狀況的波形示意圖。

圖8 兩種情況短路示意圖Fig.8 Diagram of two types short circuit

IGBT短路測試前需對雜散電感進(jìn)行評估，以把握短路時(shí)的電壓尖峰。短路測試的母線電壓不宜過低，1200V規(guī)格IGBT，電壓500V起；1700V規(guī)格IGBT，電壓700V起；3300V規(guī)格IGBT，電壓1000V起。

3 測試數(shù)據(jù)對比分析

本文測試三個不同廠家的IGBT，電壓等級同為3300V，分別命名為IM(1200A)、CM(1200A)和DM(1500A)。

3.1IGBT靜特性參數(shù)

在125℃和150℃溫度下，Vce=1800V時(shí)，測試IM、CM和DM三種IGBT模塊的漏電流數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，在125℃條件下，DM與CM型IGBT漏電流接近，都高于IM型IGBT漏電流10倍以上；在150℃條件下，DM型IGBT漏電流最高，約為最低的IM型IGBT漏電流的3倍。

表1 漏電流對比Tab.1 Comparison of leak current

表2和表3給出了IGBT和反并聯(lián)二極管的壓降數(shù)據(jù)，Vge=15V，測試溫度為25℃和150℃。可以看出，IM型IGBT飽和壓降較低，CM型略高于DM型。二極管導(dǎo)通壓降在一段區(qū)間內(nèi)與溫度負(fù)相關(guān)，超過一定電流值后與溫度正相關(guān)。IM和CM型二極管在1000A以下，導(dǎo)通壓降與溫度負(fù)相關(guān)，超過1000A，與溫度正相關(guān)。DM型二極管在1500A范圍內(nèi)都是負(fù)溫度關(guān)系，高溫工作時(shí)導(dǎo)通壓降較低。

表2 IGBT飽和(導(dǎo)通)壓降對比Tab.2 Comparison of saturated voltages of IGBT (單位：V)

表3 二極管飽和(導(dǎo)通)壓降對比Tab.3 Comparison of saturated voltages of diode (單位：V)

3.2IGBT動態(tài)特性參數(shù)

母線電壓Vdc=1800V，Ic(If)中取5個點(diǎn)，Tj=125℃，分別測得在Rg=1.5Ω,3.3Ω,4.7Ω,6.8Ω條件下，DM型IGBT開通關(guān)斷的損耗，結(jié)果見表4。可以發(fā)現(xiàn)：①開通電阻增大，開通損耗會出現(xiàn)明顯增加，Rgon=6.8Ω時(shí)，Ic為1500A條件下，最大開通損耗達(dá)到了6653.33mJ，相比于Rgon=1.5Ω時(shí)，損耗增加了5162.87mJ，增加了3.5倍；②關(guān)斷損耗幾乎不隨關(guān)斷電阻變化，同樣在Ic=1500A條件下，驅(qū)動電阻從1.5Ω增加到6.8Ω，關(guān)斷損耗僅增加了55.02mJ，增加了1%；③相同驅(qū)動電阻作用下，開通損耗和關(guān)斷損耗均隨著Ic的增大而增大。

表4 不同驅(qū)動電阻下的開通和關(guān)斷損耗Tab.4 Turn on and turn off losses under different gate resistors

圖9為IM、DM和CM三種型號IGBT在25℃室溫、Vce=1800V、Ic=1500A工作條件下，驅(qū)動電阻取3.3Ω時(shí)開通關(guān)斷波形。計(jì)算得出開通損耗從大到小為： CM>DM>IM，關(guān)斷損耗從大到小依次為：DM>CM>IM。

圖9 IM、DM和CM三種型號IGBT開通關(guān)斷波形Fig.9 Switch waveforms of IM, DM and CM types IGBT

圖10為室溫25℃下，Vce=1800V、Ic=1200A、Rg=3.3Ω條件下測得的三種型號IGBT雙脈沖波形。表5為上述條件下，三種型號IGBT的開關(guān)參數(shù)。

圖10 不同型號IGBT雙脈沖試驗(yàn)波形Fig.10 Waveforms of dual-pulse test for three types IGBT

分析表5中數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論：①相同工作條件下，開通電流尖峰值CM> DM> IM；②關(guān)斷電壓尖峰值IM> CM> DM；③開通關(guān)斷時(shí)間DM> IM> CM。

3.3IGBT短路試驗(yàn)

圖11為IM、CM、DM型IGBT在室溫25℃、Vce=1800V、相同電壓等級下的HSF短路工作狀況。觀測到IM型IGBT短路時(shí)，Ishort=6400A，Vpeak=3100V；CM型IGBT短路時(shí)，Ishort=6800A，Vpeak=3100V；DM型IGBT短路時(shí)，Ishort=7600A，Vpeak=3100V。

表5 不同型號IGBT開關(guān)特性對比Tab.5 Switch characteristics of three types IGBT

圖11 25℃時(shí)三種IGBT短路工況Fig.11 Short circuit work conditions of 3 types IGBT at 25℃

3.4結(jié)構(gòu)封裝工藝對比分析

如圖12所示，外觀上CM型IGBT工藝精致美觀，整體效果好，底部有固定螺絲緊固散熱基板和外殼。IM型外觀簡潔，工藝優(yōu)良，同樣底部有螺絲緊固。DM型縫隙不均，毛邊毛刺未處理干凈，底部沒有緊固螺絲；標(biāo)簽貼在縫隙間，時(shí)間久容易進(jìn)灰脫落；連接端子折彎工藝較差，大電流使用壽命受影響。總體效果CM> IM> DM。

圖13為實(shí)際模塊芯片封裝圖形。CM和IM型IGBT芯片和二極管芯片縱向排列，E極直接相連。DM型IGBT芯片與二極管芯片橫向排列，E極同時(shí)引到匯流E端，沒有直接相連。IGBT模塊內(nèi)部芯片之間連接都是焊接走線，CM和IM型芯片與端子間連接都是母排，而DM型芯片匯流到端子，端子與母排之間還有飛線和PCB層實(shí)現(xiàn)電氣連接。DM型IGBT的芯片布局和封裝焊接所導(dǎo)致的線路寄生參數(shù)對靜態(tài)特性影響較小，對動態(tài)性能影響較大。

圖12 三種型號IGBT模塊外觀Fig.12 Apearance of three types IGBT

圖13 CM和DM模塊內(nèi)部芯片布局Fig.13 Chips structure of CM and DM module

4 應(yīng)用于牽引變流器單元的測試

實(shí)測功率單元為HXD2F機(jī)車主變流器單元。單相牽引整流器橋臂由上下各兩只DM型并聯(lián)IGBT模塊構(gòu)成，兩個IGBT并聯(lián)構(gòu)成一組開關(guān)，用一組驅(qū)動電路從門極并聯(lián)輸出兩路接入兩個IGBT模塊。

回流短路試驗(yàn)的電路結(jié)構(gòu)和門極脈沖時(shí)序如圖14所示。破壞模擬試驗(yàn)時(shí)，下管QXa單元的驅(qū)動電阻為Rgon=0Ω，Vge=20V，上管兩個IGBT為開通狀態(tài)。

雙脈沖試驗(yàn)時(shí)，所測電流為流過兩個IGBT電流值。在25℃和70℃環(huán)境溫度進(jìn)行，采用HXD2F機(jī)車所用的驅(qū)動電路，驅(qū)動電阻為：Rgon=3.3Ω，Rgoff=3.0Ω。開通關(guān)斷測試結(jié)果如圖15所示。圖15為IGBT集射極電壓Vce、電感電流IL、對管二極管的反向恢復(fù)電壓Vcer和反向恢復(fù)電流Icer。其中母線電壓1890V，峰值電流3750A。圖15(a)為25℃工況下的開通波形，圖15(b)為25℃工況下的關(guān)斷波形，關(guān)斷峰值電壓Vcep=2350V。圖15(c)為70℃時(shí)的開通波形，圖15(d)為70℃時(shí)的關(guān)斷波形，關(guān)斷峰值電壓Vcep=2050V。

圖14 短路試驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)與脈沖時(shí)序示意圖Fig.14 Schematics of short test and pulse sequence

圖15 雙脈沖試驗(yàn)HXD2F功率模塊IGBT開關(guān)波形Fig.15 Switch waveforms of HXD2F IGBT power module

雙脈沖測試對反向恢復(fù)二極管電流電壓也進(jìn)行了觀測，波形如圖16所示。其中上圖的測試條件為25℃，對應(yīng)電壓電流為2200V、750A；下圖的測試條件為70℃，對應(yīng)電壓電流為2200V、850A。

圖16 雙脈沖試驗(yàn)HXD2F功率模塊二極管恢復(fù)波形Fig.16 Waveforms of HXD2F power module diode recovery

對應(yīng)在Vdc=1500V時(shí)進(jìn)行了短路試驗(yàn)，保護(hù)正常，但是上管兩個并聯(lián)IGBT(a管和b管)的電流波形差異大，體現(xiàn)了IGBT特性的不一致性和主回路的參數(shù)差異。圖17為測試波形。

圖17 Vdc=1500V時(shí)短路保護(hù)波形Fig.17 Waveforms of short circuit under Vdc=1500V for HXD2F traction converter

5 結(jié)論

本文主要研究DM型國產(chǎn)高壓大功率IGBT器件應(yīng)用于機(jī)車牽引變流器的可行性，分析測試DM型IGBT模塊靜態(tài)特性、開關(guān)特性及短路特性。以HXD2F機(jī)車主變流器為試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了相應(yīng)的例行試驗(yàn)。將DM型IGBT與兩種同規(guī)格國外廠家IGBT進(jìn)行了工作特性對比，通過三種IGBT橫向?qū)Ρ?，可以更加直觀地了解DM型IGBT的工作特性。

本文比較了DM、IM和CM三種型號IGBT的靜態(tài)特性參數(shù)，利用斬波雙脈沖測試電路進(jìn)行了動態(tài)電氣性能的測試，包括開關(guān)損耗、關(guān)斷電壓尖峰、反向恢復(fù)電流峰值、短路保護(hù)狀態(tài)等。對兩種IGBT模塊進(jìn)行了拆解，從芯片工藝、布局架構(gòu)等方面對比了IGBT制程工藝和加工特點(diǎn)。

最后將DM型IGBT應(yīng)用在HXD2F機(jī)車主變流功率模塊上，進(jìn)行了雙脈沖試驗(yàn)和短路回流試驗(yàn)。通過試驗(yàn)分析得出結(jié)論：DM型IGBT在動靜態(tài)特性參數(shù)上滿足應(yīng)用于牽引變流器的應(yīng)用，但在不改變驅(qū)動電路或驅(qū)動電路參數(shù)的前提下，DM型IGBT不能直接替換原有型號IGBT。

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HUANG Xian-jin, SUN Hu

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Bejing 100044, China)

High power high voltage IGBT devices are widely used in converter system for modern electrical locomotives, which determine the operating performance of rail transit vehicles. IGBT power modules applied for traction converter have much stringent requirements in power density, anti-paralleled diode’s capacity, packaging technology and working circumstance. The accurate parameters of working characteristics, the suitable driver and protection circuits, and the compatible application circumstances could help IGBTs working stably and reliably. In this paper, one type of home-made IGBT named DM is studied for comparing with two other imported IGBT modules in working characteristics. Operating tests are carried out on the platform based DM series IGBT converter in HXD2F electrical locomotive, and the results provide a reference for the design and application of home-made IGBT for traction converter in the next.

made in China; high voltage high power IGBT; characteristics test; traction converter

2016-11-09

黃先進(jìn)(1980-)， 男， 湖北籍， 講師， 博士， 研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具動力系統(tǒng)、 電力電子變流與控制技術(shù)；

孫 湖(1970-)， 男， 山西籍， 高級工程師， 碩士， 研究方向?yàn)闋恳齻鲃酉到y(tǒng)可靠性。

10.12067/ATEEE1611021

1003-3076(2017)11-0071-08

TM46