大功率IGBT過壓與過熱的分析計算及其對策

1、圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖引言等全控型電力電子器件有許多優(yōu)點(diǎn)，但過去僅過多注意了它的優(yōu)點(diǎn)，而對它的弱點(diǎn)雖有所了解，但總的說來在思想上和技術(shù)上準(zhǔn)備不夠。在研制超導(dǎo)線圈和鋰電池電容組合式高溫超導(dǎo)儲能及無功補(bǔ)償，、有源濾波裝置的過程中，深深體會到對模塊的安裝、過壓和過熱問題的處理得當(dāng)與否直接關(guān)系到所研制裝置的成敗。為此，對過壓、過流、過熱及機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了研究。的演變過程歐洲在大功率器件方面占有優(yōu)勢，主要有和兩大制造商。由于制造不如制造合算，所以美國并未形成規(guī)模生產(chǎn)線。的制造過程主要分為芯片制造和模塊封裝兩個步驟，一般而言，凡是具有大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線的公司都能制造芯片，封裝則需專門的技術(shù)。使用的芯片和自己制造的續(xù)

2、流二極管芯片進(jìn)行封裝，則使用西門子自己的芯片進(jìn)行封裝。無論產(chǎn)品型號如何，的結(jié)構(gòu)，特別是涉及到具體應(yīng)用方面的基本特點(diǎn)是一致的。表給出的演變過程。內(nèi)部結(jié)構(gòu)從模塊的外表看，其魯棒性很強(qiáng)，其實無論是電氣性能，還是機(jī)械性能都要比晶閘管脆弱得多，其致命弱點(diǎn)就是內(nèi)部使用的是集成電路芯片。圖示出某型號的透視圖和芯基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（）；江蘇省高技術(shù)研究項目（）定稿日期：作者簡介：陸廣香（），男，江蘇建湖人，教授，研究方向為繼電保護(hù)、軸系扭振和超導(dǎo)材料等高新技術(shù)及其應(yīng)用方面。大功率過壓與過熱的分析計算及其對策陸廣香，沈國榮，陳泉，陸子見（東南大學(xué)，江蘇南京；國電自動化研究院南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京

3、）摘要：結(jié)合超導(dǎo)線圈和鋰電池電容組合式的研制工作，首先剖析了的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，詳細(xì)討論了雜散電感引起的過電壓以及對容性母線的設(shè)計，最后分析了通態(tài)損耗和開關(guān)損耗引起的過熱問題，給出了計算實例和實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：電力半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極晶體管；半導(dǎo)體特性；超導(dǎo)線圈中圖分類號：，文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（），（，；，）：，：；：（）（）表的演變過程技術(shù)特點(diǎn)芯片面積導(dǎo)通壓降功率損耗出現(xiàn)時間年第一代平面穿通型（）第二代改進(jìn)第三代溝槽型（）第四代非穿通型（）第五代電場截止型（）年月，年月，片布置圖。由圖可了解：堅硬外殼內(nèi)僅有幾片薄薄的集成電路芯片；從和續(xù)流二極管芯片到模塊引出線之間由多股細(xì)鋁絲鍵接而成，有雜散電感

4、。新產(chǎn)品則用鋁片壓接而成，雜散電感稍?。荒K外部的引出線看上去很粗，不易損壞，但由圖可見，引出線根部與底板的連接非常薄弱。適當(dāng)施加正壓力尚可，但承受拉應(yīng)力的能力非常差，一般只需幾公斤的拉力就會損壞內(nèi)部連接。在實際安裝過程中，這種拉力有時很難察覺，某單位在安裝模塊過程中，因用力過大，在試驗時電壓僅升到二十幾伏模塊就擊穿了。雜散電感過電壓及其對策對于強(qiáng)電工程，雜散電感通常不會造成很大麻 煩，所以也就缺乏這方面的研究和經(jīng)驗。雜散電感的影響只有在頻率較高的情況下才會凸現(xiàn)出來。高壓輸電線路高頻保護(hù)中的收發(fā)信機(jī)所用的載波頻率比工頻高得多，電力工程有關(guān)部門曾設(shè)法自己研制高頻收發(fā)信機(jī)，因理論和技術(shù)水平不適應(yīng)，

5、最終還是被淘汰，取而代之的是無線電專業(yè)有關(guān)單位研發(fā)的產(chǎn)品。 圖示出涉及到的雜散電感和雜散電容。其中，減少模塊內(nèi)部的任務(wù)由制造商負(fù)責(zé)；減少模塊外部的任務(wù)由用戶負(fù)責(zé)。模塊外部的主要指直流側(cè)電感?？伤愕脤釉诩潆妷旱挠绊憺椋海ǎ┦街兄绷麟娙蓦妷旱碾娏髯兓剩瑢Υ蠊β嗜匦推骷碚f，該數(shù)值在其開通和關(guān)斷時刻相當(dāng)大雜散電感產(chǎn)生的電壓疊加在上，內(nèi)部是集成電路芯片，耐壓能力非常有限，若產(chǎn)生的電壓較大，即使裝置的輸出功率不大，產(chǎn)生的過電壓也能輕易地將擊穿。一般要求直流母線的，對于大功率器件，則越小越好。圖示出與電流 回路的關(guān)系。通常與電流回路所包圍的面積有關(guān)。若直流側(cè)用短而粗的銅排直接連接，從電力工程觀點(diǎn)來

6、看，已經(jīng)很小，但這對大功率來說，不但不小，甚至是不能容許的。對于導(dǎo)線半徑為、線圈半徑為的單匝圓線圈，其外自感為：（）（）（）（）式中（）（）!（）設(shè)，則，（），（），這樣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾十納亨。直流母線電感與直流母線的布置方式有關(guān)，圖示出組布置方式下的差別。第一組下面布置方式的僅為上面布置方式的；第二組下面布置方式的為上面布置方式的，第三組下面布置方式的為上面布置方式的，綜合這些特點(diǎn)可制作出很小的，即所謂的容性母線。該容性母線正負(fù)極之間的距離也是相當(dāng)敏感的，國外某公司要求其子公司將容性母線正負(fù)極之間的距離嚴(yán)格控制在內(nèi)。過熱分析計算在任一運(yùn)行狀態(tài)下的最大允許結(jié)溫為，殼溫則應(yīng)更低。和新產(chǎn)品的參數(shù)以殼溫

7、為時標(biāo)定，如是指殼溫為時所能通過的最大電流。在各種運(yùn)行工況下的結(jié)溫需結(jié)合模塊總功耗、散熱器尺寸和冷卻風(fēng)機(jī)的類型及流量進(jìn)行周密計算，在試運(yùn)行期間尚需進(jìn)行全面測試，以確保所選散熱器和冷卻風(fēng)機(jī)流量滿足要求。對于輸出正弦電流波形的逆變器的功耗計算較為復(fù)雜。通常的通態(tài)電壓與負(fù)載電流及結(jié)溫的關(guān)系用（）或直接采用線性關(guān)系式并通過參數(shù)擬合來表示。（）的通態(tài)損耗為：#$" $（）式中死區(qū)時間續(xù)流二極管（）的通態(tài)損耗為：圖組布置方式的雜散電感圖與電流回路的關(guān)系圖的和雜散電容" " ! "（）（）的開關(guān)損耗為："（）式中開關(guān)頻率續(xù)流二極管（）的開關(guān)損耗為："

8、;（）的單元額定總功耗為以上。結(jié)溫由功耗和熱抗按熱路歐姆定律計算。熱抗計算涉及到芯片與模塊之間的熱阻（由制造廠說明書提供）、模塊與散熱器之間的熱阻、散熱器自身的熱阻及風(fēng)機(jī)的流量。對于電氣工程科技人員來說，這類計算并不熟悉，所以各主要制造商都配備了專用計算軟件。熱計算軟件極大地減少了計算工作量，這樣對其基本原理的了解和各種熱阻的計算和準(zhǔn)確測量就顯得特別重要。的仿真軟件使用比較方便，該軟件主界面的工具欄中有個按鈕，對逆變器而言，主要使用和兩個按鈕，三相逆變橋使用。所有工具按鈕的使用方法基本相同，以為例，在界面中選擇某種類型的、散熱器數(shù)據(jù)、風(fēng)機(jī)類型及其流量，再填入不同的運(yùn)行條件，最后按按鈕即可得到計

9、算結(jié)果。圖示出某類型在，倍過負(fù)載條件下用進(jìn)行仿真計算得到的結(jié)果。圖與圖的差別在于圖的風(fēng)機(jī)流量為；圖的風(fēng)機(jī)流量為。不難見，由于風(fēng)機(jī)流量選擇得當(dāng)，圖的散熱器溫度，芯片溫度，小于結(jié)溫的極限溫度。相反，由于風(fēng)機(jī)流量選擇不當(dāng)，圖的約高達(dá)，更是高達(dá)?？梢姡捎萌匦碗娏﹄娮悠骷崿F(xiàn)的或，在設(shè)計和研制過程中必須先進(jìn)行慎密的仿真計算，否則注定要失敗。溫升的實際測量仿真計算是必須的，但輸入仿真計算軟件的某些條件或多或少存在一些人為因數(shù)。考慮到有些散熱器廠家不能給出熱阻數(shù)據(jù)，或者有些廠家給出的數(shù)據(jù)不很準(zhǔn)確，有必要在設(shè)計階段進(jìn)行一些實際溫升測量工作，這對于確定導(dǎo)熱膠性能及其厚度也是十分重要的。實際測量溫升的方法很多

10、，本文采用的方法簡單易行。具體做法是將大功率電熨斗放置在散熱器上，結(jié)合面上按方法同樣涂上導(dǎo)熱膠，在不同散熱器尺寸和不同風(fēng)機(jī)流量下，測量電熨斗消耗的功率和散熱器溫升即可求出該系統(tǒng)的熱阻。不同運(yùn)行狀態(tài)的芯片溫度，即所謂的結(jié)溫仍需通過軟件計算確定。在研制超導(dǎo)線圈和鋰電池電容組合式高溫超導(dǎo)儲能及無功補(bǔ)償、有源濾波裝置的過程中，先對散熱器及風(fēng)機(jī)流量進(jìn)行了周密設(shè)計，然后仿真驗算，再進(jìn)行溫升的實際測量，最后確定的散熱器尺寸為××，風(fēng)機(jī)功率為。在環(huán)境溫度為，無功負(fù)荷的條件下，散熱器的穩(wěn)定溫度為。結(jié)語過壓、過流和過熱是電力電子設(shè)備研制過程中的大主要問題，機(jī)械應(yīng)力問題同樣不能忽視。因過電壓而損壞的速度是非?？斓?，必須予以高度重視，大功率模塊應(yīng)無一例外地采用低雜散電感的容性母線。過熱問題雖沒有過壓那樣快，但同樣不得掉以輕心，必須進(jìn)行周密的系統(tǒng)熱平衡設(shè)計和測試。大功率模塊價格較高，處理不當(dāng)不但會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，還會對所在研究組的工作產(chǎn)生很大的消極影響，甚至逐漸淡出電力電子研究領(lǐng)域。希望本文對有志加入電力電子研究領(lǐng)域的有關(guān)人員有所啟示。參考文獻(xiàn)陸廣香，沈國榮，等高溫超導(dǎo)儲能實驗裝置研究電力系統(tǒng)自動化，（