进口大功率IGCT模块改进及国产化研究应用

进口大功率IGCT模块改进及国产化研究应用
王 宏1，彭 飞2，李 岩1
（１．邯钢设备运行保障公司，河北　邯郸　０５６０００；２．邯钢设备动力部，河北　邯郸　０５６０００）
摘 要：通过对压接技术研究、平衡参数匹配设计以及功率模组再优化设计研究，在原有的基础上对绝缘片材料结构、电气隔离、导热三方面进行改进优化，同时攻克了ＩＧＣＴ箝位及保护技术。

并增加和改进了多项测试项目，包括ＩＧＣＴ、二极管、吸收电阻、放电电阻、箝位电阻、水冷空心电抗器、吸收电容、驱动变压器以及各种压力测试分析。

最终广泛用于现场国产化应用。

关键词：压接技术研究；平衡参数匹配设计；测试分析
中图分类号：ＴＭ３０７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）１６－０２１６－２
Research and application of imported high power IGCT module improvement and localization
WANG Hong1, PENG Fei2, LI Yan1
（１．Ｈａｎｇａｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｄａｎ　０５６０００，Ｃｈｉｎａ，　２．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈａｎｇａｎｇ，Ｈａｎｄａｎ　０５６０００，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｂａｌａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ　
ｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｓｈｅｅｔ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＩＧＣＴ　ａｒｅ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ．　Ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｅｓｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｄｄｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ＩＧＣＴ，　ｄｉｏｄｅｓ，　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ，　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ，　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ，　ｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ａｉｒ－ｃｏｒｅ　ｒｅａｃｔｏｒｓ，　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ，　ｄｒｉｖｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ，　ａｎｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｅｓｔ　ａｎａｌｙｓｅｓ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｉｔ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｆｉｅｌｄ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Keywords: ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；　Ｂａｌａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ；　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ
1 中压三电平IGCT变频器核心模组特性
西门子ML2和SM150变频器使用压接型的IGCT和二极管作为主功率器件，通过将四只IGCT器件、八只二极管、以及其它辅件（水冷电阻、脉冲变压器、等电位计、电容、水冷电感、联接母排、水冷电阻联接电缆、配水管路）等器件集成设计，作为整体模组接入变频器内。

该模组为变频器的最核心部分。

大功率IGCT模组是中压三电平变频器的关键所在，通过外部蝶形弹簧将IGCT、二极管和导电型水冷散热器压接成一串，水冷散热器通过水路将热量带走，通过连接铜排进行电气联通。

2 压接技术、平衡参数匹配设计以及功率模组研究
2.1 压接技术研究
①大功率IGCT功率模组的功率串需要保证40kN±10%的压力范围，如果压接力过大会导致半导体器件被压坏，如果压接力太小会导致散热器和半导体器件贴合不够紧密，不仅导电性能差，并且散热效果更差，从而引起器件发热严重而损坏。

所有功率模组修复时，如何保障合理的压力范围，是一个难点。

②大功率IGCT模组中含有3个功率串，如果不同的功率串之间压力不同，也会造成端部支撑板的变形不一致。

功率串之间的耦合又会造成相邻的功率串压力变化。

除了压接力需要满足半导体器件的应用要求外，功率串之间的压接均匀性也要满足器件应用要求。

2.2 平衡参数匹配设计
大功率IGCT模组中含有4只IGCT，8只Diode，还包含有空心电抗器、水冷电阻、箝位电阻、吸收电容的器件，整体组成三电平半桥拓扑。

任何半导体器件在长时间运行后都会出现老化现象。

三电平功率模组的调制分为上半周波调制和下半周波调制，以上半周波调制为例，当D3、D4导通时，T1和T2承受全母线电压。

如果IGCT的断态阻断参数全部匹配的话，T1和T2承担Vdc/2的电压。

①当T1的阻抗大于T2的阻抗，则b点的电位低于c点，D5导通，使得b点电位箝位到母线中点；②当T1的阻抗小于T2时，T2会承受较大的电压，T1比T2的阻抗偏差比例越大，T2承受越高的电压，容易被击穿。

引入先进的半导体检测设备和检测技术，对替换下来的备件功率模组中的所有半导体器件和辅助器件进行全面的检测和核算，保障功率模组内的器件参数一致，满足整机的运行要求，完全消除主功率器件隐患。

2.3 功率模组再优化设计
（1）现场调研：随着国内电力电子技术的发展，以及具备了大功率IGCT模块的中压变频器的国产化维护及再优化设计的能力。

以检测修复大功率IGCT模块为切入点，研究掌握关键技术先实现修复IGCT模块的突破，进而实现中压变频器整机国产化。

由于IGCT大功率模块涉及的电容、二极管、等电器件老化问题，引发相应的电气传动设备故障频发。

关键是改进IGCT大功率模块在使用过程中易发绝缘降低产生的相间短路放电问题。

（2）技术方案的制定及实施：由于原装IGCT模块陶瓷绝缘片间隙小，现场粉尘和温度影响造成二极之间的绝缘电压降低，产生爬电电压。

因此在充分考虑了该绝缘片的功能及结构后，决定采用FR4材质的环氧板及改良的铜板来做替代方案。

以下将从材料结构、电气隔离、导热3方面对比二者间的性能。

①结构强度：介电强度，陶瓷>=5kV/ mm，FR4>=10.2kV/mm；绝缘电阻，陶瓷>1012Ω/cm，FR4>1012Ω/cm；抗压强度，陶瓷2141kg/cm2，FR4 1100~1300kg/cm2；熔点，陶瓷2200℃；FR4 2030℃。

②电气隔离：结构对比，原方案：铜板双面平整；陶瓷绝缘
收稿日期：２０２０－０８
作者简介：王宏，男，生于１９７４年，汉族，河北唐山人，本科，高级工程师。

研究方向：电气自动化以及冶金设备等。

世界有色金属 2020年 8月下
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2020年 8月下 世界有色金属217
片，正面中心及背面均为镀银处理。

正面处有两道沟槽，增加爬电距离。

替代方案：铜板双面中心处均有凸起的平台，增加爬电距离；陶瓷绝缘片：双面平整，表面无沟槽。

爬电对比，原方案为26mm,替代方案为46mm。

③温度：原陶瓷绝缘片位于缓冲吸收二极管与嵌位二极管中间，起到热传导的作用。

因为缓冲吸收二极管在工作中处于零电流关断，所以损耗极小。

而嵌位二极管发热较为严重，但因为中间间隔铜排与铜柱，热阻较大，因此大部分热量被散热器带走，仅有小部分通过陶瓷绝缘片传递过去。

用环氧绝缘片代替陶瓷绝缘片，可以认为嵌位二极管的损耗热量全部通过散热器散发。

因此可考虑二极管单面散热时工况，
计算其结温是否满足要求。

图1 实物图
图2 等效图
当机组10MW 满功率输出时，模组中嵌位二极管的损耗最大为2.18kW，考虑嵌位二极管阴极单面散热结壳热阻为17.2K/kW，散热器热阻8.35K/kW，水温按照40℃考虑，则结温计算如下。

而IGCT 的最高允许结温为125℃，按照IGCT 降额规范要求A 区降额20℃使用，则10MW 满功率运行最高允许结温为105℃。

显然IGCT 实际结温95.7℃可以满足降额要求规范。

因此采用环氧绝缘板替代陶瓷绝缘板可以满足器件散热需求。

3 通过各种检测试验目前已广泛应用于现场，实现了完整的国产化应用
3.1 IGCT 检测项目
测试指标，压接面表面无电蚀；GCT 外观无碰破损；阻断特性V D =4500V，I DM ≤50mA ；通态压降≤2.7V ；二极管检测项目：测试指标，压接面表面无电蚀；二极管外观无磕碰破损；阻断特性V D =4500V，I DM ≤10mA ；通态压降≤3.6V ；吸收电阻、放电电阻及嵌位电阻检测项目：测试指标，电阻外壳整洁无变形；吸收电阻=1Ω，放电电
阻=4MΩ，箝位电阻=11kΩ；绝缘阻抗>10MΩ；水冷空
心电抗器检测项目：测试条件，电感外观整洁无变形；电感3uH ；绝缘V ISO =10kVac ；吸收电容检测项目：测试条件，外观整洁无变形；电容量20uF±2uF ；损耗正切角Tanθ<0.5%；绝缘电阻V ISO =10kVac 3.2 驱动变压器测试项目
测试条件，外观整洁无变；绝V ISO =10kVac，I iso ≤10mA ；原边电感/电阻<2mH ；副边电感/电阻<2mH ；IGCT压力测试项目：检测项目，压力均匀性，受力面无倾斜；压接无空心，受力面无空心现象；压力要求，器件受压应在36kN~44kN 之间；二极管压力测试项目：检测项目，压力均匀性，受力面无倾斜；压接无空心，受力面无空心现象；压力要求，器件受压应在36kN~52kN 之间；保压测试平台项目：检测项目，接头是否出线漏水渗水；水管是否出线变形弯曲；水冷电阻是否出现漏水，渗水，变形；水冷电感是否出现漏水，渗水
4 项目实施效果
4.1 IGCT 模块电压、电流参数检测结论
①通过示波器对IGCT 电流、电压波形录波，电流有效值=1750A，大电流持续时间11分钟，超过了原装IGCT 的5分钟考核指标；②电压应力测试IGCT 关断电压尖峰值<3825V，达到了IGCT 的管压要求。

二极管、GCT、驱动单元检测结论。

①二极管：阻断特性VD=4500，VIDM ≤10mA。

通态压降≤3.6V ；②GCT ：阻断特性VD=4500V，IDM ≤50mA。

通态压降≤2.7V ；③驱动单元：驱动板整流桥≥30V，驱动板Buck=20±2V。

吸收电阻、放电电阻及嵌位电阻检验结论。

①三种电阻绝缘阻抗>10MΩ。

②值吸收电阻=1Ω；③放电电阻=4MΩ；④箝位电阻=11kΩ。

4.4 缓冲电感、吸收电容的检测结论
①缓冲电感：二个电感值2.85uH 和3.16uH。

绝缘VISO=10kVac ；②吸收电容:二个电容量20uF±2uF.。

损耗正切角Tanθ<0.5%。

绝缘电阻VISO=10kVac。

压力和保压测试：压接型器件承压均匀是器件应用可靠性和寿命的关键因素，为了保证IGCT 承受压力均匀,IGCT 功率模块完成测试修复重新组装恢复后，按照相关工艺流程对IGCT 功率模块中的各二极管进行完整的压力测试。

压接受力面无空心现象，受压在36~52kN 之间,达到了国际标准要求。

并对相关水路进行严格的保压测试,投入现场使用工作近一年中水冷电阻、水冷电感和水管线变形弯曲正常，接头无漏水渗水。

5 总结
通过在试验台对修复的大功率IGCT 模块进行检测后，替换到在线设备上，经过一年的运行考核，每个器件的性能均达到了国外原装进口IGCT 模块电器元件的要求,实现了国产修复的完整替代。

[1] 张婵，童亦斌，金新民.IGCT 的驱动技术与应用研究，变频器世
界.2007.
[2] 吴煜东.中国IGCT 的发展状况.中国电力电子产业发展高峰论
坛.2017.。