進口大功率IGCT模塊改進及國產(chǎn)化研究應(yīng)用

王 宏，彭 飛，李 巖

（1.邯鋼設(shè)備運行保障公司，河北 邯鄲 056000；2.邯鋼設(shè)備動力部，河北 邯鄲 056000）

1 中壓三電平IGCT變頻器核心模組特性

西門子ML2和SM150變頻器使用壓接型的IGCT和二極管作為主功率器件，通過將四只IGCT器件、八只二極管、以及其它輔件（水冷電阻、脈沖變壓器、等電位計、電容、水冷電感、聯(lián)接母排、水冷電阻聯(lián)接電纜、配水管路）等器件集成設(shè)計，作為整體模組接入變頻器內(nèi)。該模組為變頻器的最核心部分。大功率IGCT模組是中壓三電平變頻器的關(guān)鍵所在，通過外部蝶形彈簧將IGCT、二極管和導(dǎo)電型水冷散熱器壓接成一串，水冷散熱器通過水路將熱量帶走，通過連接銅排進行電氣聯(lián)通。

2 壓接技術(shù)、平衡參數(shù)匹配設(shè)計以及功率模組研究

2.1 壓接技術(shù)研究

①大功率IGCT功率模組的功率串需要保證40kN±10%的壓力范圍，如果壓接力過大會導(dǎo)致半導(dǎo)體器件被壓壞，如果壓接力太小會導(dǎo)致散熱器和半導(dǎo)體器件貼合不夠緊密，不僅導(dǎo)電性能差，并且散熱效果更差，從而引起器件發(fā)熱嚴(yán)重而損壞。所有功率模組修復(fù)時，如何保障合理的壓力范圍，是一個難點。②大功率IGCT模組中含有3個功率串，如果不同的功率串之間壓力不同，也會造成端部支撐板的變形不一致。功率串之間的耦合又會造成相鄰的功率串壓力變化。除了壓接力需要滿足半導(dǎo)體器件的應(yīng)用要求外，功率串之間的壓接均勻性也要滿足器件應(yīng)用要求。

2.2 平衡參數(shù)匹配設(shè)計

大功率IGCT模組中含有4只IGCT，8只Diode，還包含有空心電抗器、水冷電阻、箝位電阻、吸收電容的器件，整體組成三電平半橋拓撲。任何半導(dǎo)體器件在長時間運行后都會出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

三電平功率模組的調(diào)制分為上半周波調(diào)制和下半周波調(diào)制，以上半周波調(diào)制為例，當(dāng)D3、D4導(dǎo)通時，T1和T2承受全母線電壓。如果IGCT的斷態(tài)阻斷參數(shù)全部匹配的話，T1和T2承擔(dān)Vdc/2的電壓。①當(dāng)T1的阻抗大于T2的阻抗，則b點的電位低于c點，D5導(dǎo)通，使得b點電位箝位到母線中點；②當(dāng)T1的阻抗小于T2時，T2會承受較大的電壓，T1比T2的阻抗偏差比例越大，T2承受越高的電壓，容易被擊穿。引入先進的半導(dǎo)體檢測設(shè)備和檢測技術(shù)，對替換下來的備件功率模組中的所有半導(dǎo)體器件和輔助器件進行全面的檢測和核算，保障功率模組內(nèi)的器件參數(shù)一致，滿足整機的運行要求，完全消除主功率器件隱患。

2.3 功率模組再優(yōu)化設(shè)計

（1）現(xiàn)場調(diào)研：隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及具備了大功率IGCT模塊的中壓變頻器的國產(chǎn)化維護及再優(yōu)化設(shè)計的能力。以檢測修復(fù)大功率IGCT模塊為切入點，研究掌握關(guān)鍵技術(shù)先實現(xiàn)修復(fù)IGCT模塊的突破，進而實現(xiàn)中壓變頻器整機國產(chǎn)化。由于IGCT大功率模塊涉及的電容、二極管、等電器件老化問題，引發(fā)相應(yīng)的電氣傳動設(shè)備故障頻發(fā)。關(guān)鍵是改進IGCT大功率模塊在使用過程中易發(fā)絕緣降低產(chǎn)生的相間短路放電問題。

（2）技術(shù)方案的制定及實施：由于原裝IGCT模塊陶瓷絕緣片間隙小，現(xiàn)場粉塵和溫度影響造成二極之間的絕緣電壓降低，產(chǎn)生爬電電壓。因此在充分考慮了該絕緣片的功能及結(jié)構(gòu)后，決定采用FR4材質(zhì)的環(huán)氧板及改良的銅板來做替代方案。以下將從材料結(jié)構(gòu)、電氣隔離、導(dǎo)熱3方面對比二者間的性能。①結(jié)構(gòu)強度：介電強度，陶瓷＞=5kV/mm，F(xiàn)R4＞=10.2kV/mm；絕緣電阻，陶瓷＞1012Ω/cm，F(xiàn)R4＞1012Ω/cm；抗 壓 強 度，陶 瓷2141kg/cm2，F(xiàn)R4 1100～1300kg/cm2；熔點，陶瓷2200℃；FR4 2030℃。②電氣隔離：結(jié)構(gòu)對比，原方案：銅板雙面平整；陶瓷絕緣片，正面中心及背面均為鍍銀處理。正面處有兩道溝槽，增加爬電距離。替代方案：銅板雙面中心處均有凸起的平臺，增加爬電距離；陶瓷絕緣片：雙面平整，表面無溝槽。爬電對比，原方案為26mm,替代方案為46mm。③溫度：原陶瓷絕緣片位于緩沖吸收二極管與嵌位二極管中間，起到熱傳導(dǎo)的作用。因為緩沖吸收二極管在工作中處于零電流關(guān)斷，所以損耗極小。而嵌位二極管發(fā)熱較為嚴(yán)重，但因為中間間隔銅排與銅柱，熱阻較大，因此大部分熱量被散熱器帶走，僅有小部分通過陶瓷絕緣片傳遞過去。

用環(huán)氧絕緣片代替陶瓷絕緣片，可以認為嵌位二極管的損耗熱量全部通過散熱器散發(fā)。因此可考慮二極管單面散熱時工況，計算其結(jié)溫是否滿足要求。

圖1 實物圖

圖2 等效圖

當(dāng)機組10MW滿功率輸出時，模組中嵌位二極管的損耗最大為2.18kW，考慮嵌位二極管陰極單面散熱結(jié)殼熱阻為17.2K/kW，散熱器熱阻8.35K/kW，水溫按照40℃考慮，則結(jié)溫計算如下。

而IGCT的最高允許結(jié)溫為125℃，按照IGCT降額規(guī)范要求A區(qū)降額20℃使用，則10MW滿功率運行最高允許結(jié)溫為105℃。顯然IGCT實際結(jié)溫95.7℃可以滿足降額要求規(guī)范。因此采用環(huán)氧絕緣板替代陶瓷絕緣板可以滿足器件散熱需求。

3 通過各種檢測試驗?zāi)壳耙褟V泛應(yīng)用于現(xiàn)場，實現(xiàn)了完整的國產(chǎn)化應(yīng)用

3.1 IGCT檢測項目

測試指標(biāo)，壓接面表面無電蝕；GCT外觀無碰破損；阻斷特性VD=4500V，IDM≤50mA；通態(tài)壓降≤2.7V；二極管檢測項目：測試指標(biāo)，壓接面表面無電蝕；二極管外觀無磕碰破損；阻斷特性VD=4500V，IDM≤10mA；通態(tài)壓降≤3.6V；吸收電阻、放電電阻及嵌位電阻檢測項目：測試指標(biāo)，電阻外殼整潔無變形；吸收電阻=1Ω，放電電阻=4MΩ，箝位電阻=11kΩ；絕緣阻抗＞10MΩ；水冷空心電抗器檢測項目：測試條件，電感外觀整潔無變形；電感3uH；絕緣VISO=10kVac；吸收電容檢測項目：測試條件，外觀整潔無變形；電容量20uF±2uF；損耗正切角Tanθ＜0.5%；絕緣電阻VISO=10kVac

3.2 驅(qū)動變壓器測試項目

測試條件，外觀整潔無變；絕VISO=10kVac，Iiso≤10mA；原邊電感/電阻＜2mH；副邊電感/電阻＜2mH；IGCT壓力測試項目：檢測項目，壓力均勻性，受力面無傾斜；壓接無空心，受力面無空心現(xiàn)象；壓力要求，器件受壓應(yīng)在36kN～44kN之間；二極管壓力測試項目：檢測項目，壓力均勻性，受力面無傾斜；壓接無空心，受力面無空心現(xiàn)象；壓力要求，器件受壓應(yīng)在36kN～52kN之間；保壓測試平臺項目：檢測項目，接頭是否出線漏水滲水；水管是否出線變形彎曲；水冷電阻是否出現(xiàn)漏水，滲水，變形；水冷電感是否出現(xiàn)漏水，滲水

4 項目實施效果

4.1 IGCT模塊電壓、電流參數(shù)檢測結(jié)論

①通過示波器對IGCT電流、電壓波形錄波，電流有效值=1750A，大電流持續(xù)時間11分鐘，超過了原裝IGCT的5分鐘考核指標(biāo)；②電壓應(yīng)力測試IGCT關(guān)斷電壓尖峰值＜3825V，達到了IGCT的管壓要求。

二極管、GCT、驅(qū)動單元檢測結(jié)論。①二極管：阻斷特性VD=4500，VIDM≤10mA。通態(tài)壓降≤3.6V；②GCT：阻斷特性VD=4500V，IDM≤50mA。通態(tài)壓降≤2.7V；③驅(qū)動單元：驅(qū)動板整流橋≥30V，驅(qū)動板Buck=20±2V。

吸收電阻、放電電阻及嵌位電阻檢驗結(jié)論。①三種電阻絕緣阻抗＞10MΩ。②值吸收電阻=1Ω；③放電電阻=4MΩ；④箝位電阻=11kΩ。

4.4 緩沖電感、吸收電容的檢測結(jié)論

①緩沖電感：二個電感值2.85uH和3.16uH。絕緣VISO=10kVac；②吸收電容:二個電容量20uF±2uF.。損耗正切角Tanθ＜0.5%。絕緣電阻VISO=10kVac。壓力和保壓測試：壓接型器件承壓均勻是器件應(yīng)用可靠性和壽命的關(guān)鍵因素，為了保證IGCT承受壓力均勻,IGCT功率模塊完成測試修復(fù)重新組裝恢復(fù)后，按照相關(guān)工藝流程對IGCT功率模塊中的各二極管進行完整的壓力測試。壓接受力面無空心現(xiàn)象，受壓在36～52kN之間,達到了國際標(biāo)準(zhǔn)要求。并對相關(guān)水路進行嚴(yán)格的保壓測試,投入現(xiàn)場使用工作近一年中水冷電阻、水冷電感和水管線變形彎曲正常，接頭無漏水滲水。

5 總結(jié)

通過在試驗臺對修復(fù)的大功率IGCT模塊進行檢測后，替換到在線設(shè)備上，經(jīng)過一年的運行考核，每個器件的性能均達到了國外原裝進口IGCT模塊電器元件的要求,實現(xiàn)了國產(chǎn)修復(fù)的完整替代。