閥串結構對IEGT表面壓力分布的影響研究

李駿，王智勇，李德召，王文杰

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

柔性直流輸電相比于常規直流輸電不僅運行控制靈活、智能化程度高，而且具有對交流系統無依賴、運行方式多樣等優點。而這種先進輸電技術的實現，離不開全控型電力電子器件的應用，絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是全控型電力電子器件的代表，是柔性直流輸電系統中對電能進行控制、傳輸與變換的核心部件[1-7]。

目前大功率開斷器件——電子注入增強型柵極晶體管（Injection Enhanced Insulated Gate Bipolar Transistor，IEGT）將GTO和IGBT的優點集于一身，它具有導通壓降低、門極驅動電流小、安全工作區寬等優點，廣泛運用于柔性直流輸電系統中[8-9]。其中壓接式IEGT由于其雙面散熱、高可靠性和失效短路模式等優點，相比于傳統焊接式IEGT 更適合于高壓串聯系統。但是壓接型IEGT器件內部通過多芯片并聯的形式來提高電流等級，而IEGT壓接閥串結構設計不合理會導致IEGT表面壓力分布不均，從而局部接觸壓力小的區域接觸熱阻較大，致使局部溫升過高，甚至超過IEGT的最高允許結溫，導致內部芯片熱燒毀[10-21]。

本文基于柔性直流配網直流斷路器IEGT換流閥組，首先建立了壓接型IEGT閥串的有限元模型，通過仿真分析了IEGT閥串結構對器件工作表面壓力分布的影響，并通過壓力均勻性及開斷試驗驗證了有限元模型及邊界條件的正確性，為后續IEGT閥串的壓接結構設計提供指導。

1 IEGT閥串有限元模型建立

1.1 IEGT閥串結構設計

本文基于IEGT換流閥組進行分析，其中IEGT閥串由閥串框架、壓裝機構、壓接結構件等組成，因換流閥組的IEGT級數需根據實際閥組兩端承受的電壓等級確定，在此采用1級IEGT閥串進行壓力均勻性研究，簡化模型如圖1所示。

圖1 閥串結構示意圖

因IEGT對內部芯片表面壓力分布均勻性要求較高，閥串采用球頭螺桿壓裝機構，此結構通過球窩頂板和球頭螺桿球面接觸，具有自動對中、定心的作用。球頭螺桿壓裝機構由球窩頂板、碟簧軸套、碟簧和球頭螺桿組成，如圖2所示。

圖2 壓裝機構

閥串框架主要由上下壓裝板及拉桿組成，壓接結構件主要包括壓接絕緣墊塊及壓接金屬墊塊。

1.2 IEGT有限元模型建立

本文選用額定電壓為4500 V的壓接型IEGT作為研究對象分析器件表面壓力分布影響因素。因本文主要研究IEGT外部閥串結構對IEGT內部芯片表面壓力分布的影響，且為了節省仿真計算時間，在保證計算準確性的前提下對IEGT模型進行了簡化，主要包括發射極銅板、集電極銅板、IEGT芯片（因FRD芯片尺寸與IEGT芯片一致，為了簡化計算將其等效為IEGT芯片），其模型如圖3所示。

圖3 簡化后的IEGT有限元計算模型

根據IEGT閥串的實際運用工況，本文建立的有限元仿真邊界條件如圖4所示。仿真中固定集電極側壓接墊塊，通過碟簧在發射極側施加載荷，為了獲得芯片表面準確的壓力分布情況，IEGT集電極、發射極與芯片之間設定為摩擦接觸，因摩擦因數對芯片表面壓力分布的影響較小，設置摩擦因數為0.2。IEGT外部壓接結構件之間及結構件與IEGT間設定為綁定接觸。參考IEGT說明書中壓裝力值的范圍施加載荷65 kN。

圖4 有限元仿真邊界條件

2 IEGT表面壓力均勻性研究

2.1 碟簧堆疊方式

長期承受負荷作用的碟簧，隨著時間的推移，會產生蠕變，即在指定負荷時的碟簧工作高度減少ΔH。為了降低碟簧蠕變對閥串壓裝力值的影響，采用兩片相同規格的碟簧對合組合。則有：

式中：Fz為兩片碟簧組合的壓力值；F為單片碟簧的壓力值；fz為兩片碟簧組合的壓縮量值；f為單片碟簧的壓縮量值。

閥串中的壓裝力由碟簧提供，兩片對合組合碟簧堆疊有如下兩種方式：方式一為碟簧大面支撐面貼合，方式二為小面支撐面貼合。碟簧支撐面與軸套的接觸面位置決定了軸套受力點的不同，如圖5所示。碟簧軸套任一截面可近似等效為懸臂梁結構，其受力簡圖如圖6所示。

圖5 碟簧軸套截面示意圖

圖6 碟簧軸套受力簡圖

根據撓度計算公式對碟簧軸套支撐面所受的最大撓度進行計算，其中方式一的最大撓度為

式中,EI為懸臂梁的彎曲剛度。

將a=2.5,l=36代入上述公式計算得方式二的最大撓度約為方式一的140倍，即方式二碟簧軸套形變較大，降低了碟簧力向整個閥串傳遞的效率，故兩片碟簧對合組合采用方式一。

2.2 球窩頂板結構形式

壓裝機構碟簧力通過球窩頂板向IEGT閥串傳遞，因此球窩頂板的結構形式對IEGT芯片表面壓力分布產生一定影響。根據體積恒定原則和最小阻力定律，常規圓柱形頂板受到壓裝力的作用時會變成鼓形，使得IEGT芯片表面壓力呈現中心大邊緣小的分布規律，同時IEGT受到壓裝力的作用會發生一定程度的翹曲，使得IEGT與壓接墊塊的接觸區域主要分布在外側圓周上，即IEGT芯片表面壓力呈現中心小、邊緣大的分布規律。為了更好地反映IEGT芯片表面壓力的分布規律，采用上述建立的有限元仿真模型對IEGT芯片表面壓力進行仿真計算。此外為了改善壓力分布均勻性，綜合考慮球頭螺桿-球窩頂板副由中心向整個IEGT壓接圓面傳遞力的特性及控制閥串整體高度及質量的要求，球窩頂板設計成具有一定錐度的柱形結構，其高度與圓柱形頂板一致，兩種結構的三維模型如圖7所示。對兩種結構形式的球窩頂板進行仿真對比，截取IEGT芯片表面壓應力云圖如圖8所示。

圖7 不同結構球窩頂板模型對比

圖8 IEGT芯片表面壓應力云圖

從仿真結果可以看出，IEGT芯片邊緣處應力集中，最大應力達到了24 MPa（理論計算應力約為6.8 MPa），這說明IEGT內部銅板在受力過程中發生了一定程度的翹曲變形。圓錐形球窩頂板結構的IEGT表面壓力分布較均勻，即錐形結構更利于壓裝力均勻地傳遞到IEGT的整個壓接圓面，而圓柱形結構的IEGT表面壓力呈現中心及外側大、中間區域小的情況，故球窩頂板設計為錐形結構有利于提高IEGT表面的壓力均勻性。

2.3 壓接墊塊材料

換流閥組各級IEGT之間有絕緣要求，故每兩級IEGT之間的壓接墊塊需采用絕緣材料，但IEGT廠家推薦的壓裝作業指導書中對壓接墊塊的硬度有明確要求（維氏硬度100～120 HV），本文中絕緣墊塊的材料為環氧玻璃布層壓板，查閱相關標準及廠家提供的檢測報告中對表面硬度沒有相關要求，其彈性模量約為25 GPa。而壓接閥串常用的6063鋁墊塊表面硬度實測115 HV，滿足IEGT廠家推薦的硬度要求，其彈性模量約為70 GPa，為絕緣材料的2.8倍，即在相同的壓力條件下，鋁墊塊的形變較小，更利于將閥串壓裝力傳遞到IEGT表面。為了不增加閥串的整體高度，設計在環氧墊塊端面內襯鋁墊塊，其結構如圖9所示。并對環氧墊塊內襯鋁墊塊和純環氧墊塊兩種結構形式進行仿真對比（仿真中忽略鋁墊塊與環氧墊塊表面粗糙度及平面度差異）。

圖9 環氧墊塊內襯鋁墊塊結構

從兩種結構形式的應力仿真云圖看出IEGT芯片表面壓力分布都較均勻，為了進一步分析兩者壓力均勻性的差異，對IEGT芯片進行編號（因IEGT的對稱性，此處只對1/4圓面積內的芯片進行編號，且忽略最外側應力較集中的芯片）以分析每個芯片的應力值，芯片編號順序如圖10所示，兩種結構的應力仿真云圖如圖11所示。

圖10 IEGT芯片編號順序

圖11 不同墊塊結構的芯片表面壓應力云圖

按照芯片編號順序提取芯片中心區域的應力值，得到如圖12所示的IEGT芯片表面壓力值曲線。從曲線可看出兩種結構形式的壓接墊塊仿真得到的IEGT芯片表面應力值都為5.6 MPa左右，但是純環氧墊塊結構的最大、最小應力差值為1.29 MPa，而環氧墊塊內襯鋁墊塊結構的差值只有0.19 MPa，較大的壓力差值會導致芯片內部電流分配不均，增加了芯片老化和損壞的可能性，因此IEGT閥串壓接墊塊宜采用環氧墊塊內襯鋁墊塊的方案。

圖12 不同墊塊結構的芯片表面應力值曲線

3 IEGT表面壓力分布均勻性試驗

采用壓力測試工裝、富士壓力試紙和IEGT器件對閥串結構優化前后的IEGT表面壓力分布均勻性進行試驗，以驗證IEGT有限元模型及閥串邊界條件的正確性。根據壓力試紙顯色的深淺可以判斷IEGT芯片表面的壓力分布情況，并與仿真結果進行對比。根據IEGT的壓接面積及壓裝力值選取低壓測試試紙，測量范圍為2.5～10 MPa。在IEGT的發射極、集電極分別放置壓力試紙，并對結構優化前后的IEGT閥串分別進行試驗，試驗結果如圖13所示。

圖13 試驗結果

從壓力試驗結果可看出，閥串結構優化后IEGT表面壓力均勻性提升明顯，壓力試紙整體顯色較為均勻，但是發射極側壓力試紙的外圓周顯色較深，而集電極側外圓周顯色存在部分缺失，這是因為IEGT受壓后發生了一定程度的翹曲變形，使得發射極側外圓周應力較集中，而集電極側外圓周應力較小。閥串結構優化前壓力試紙顯色不均勻，試紙外圓周部分顯色較深，而中心區域內顯色較淺，即IEGT表面壓力分布均勻性較差。

閥串結構優化前的壓力試驗結果與仿真存在較大差異，而上述仿真中忽略了鋁墊塊與環氧墊塊表面質量的差異，所以利用三坐標測量儀對鋁墊塊和環氧墊塊的平面度進行測量，結果如圖14所示。

圖14 兩種墊塊平面度測試結果

從測量結果看出環氧墊塊的平面度為0.047 mm和0.03 mm，而鋁墊塊的平面度為0.009 mm和0.01 mm，滿足IEGT廠家推薦的壓接墊塊平面度≤0.02 mm的要求。基于平面度測試結果，進一步研究閥串結構優化前IEGT表面中心區域壓力缺失的原因。采用三坐標測量儀沿環氧墊塊的直徑方向取點測量其坐標值（坐標原點在墊塊測量面上方，坐標值為原點到測量點的距離值），對IEGT兩側環氧墊塊壓接面分別進行測量，每個面取3個方向的數據，每個方向包含內圈、中圈及外圈3個取點位置，測量點位置示意及坐標值測量結果如圖15所示。

圖15 環氧墊塊壓接面測量點及坐標值曲線

根據測量結果可看出，兩個環氧墊塊壓接面測量的3個方向坐標值曲線趨勢一致，即從外圈到內圈逐漸增大，表明環氧墊塊壓接面呈現內凹的趨勢，從而導致了IEGT壓接面中心區域壓力缺失。

4 IEGT換流閥組開斷試驗

基于上述研究對直流斷路器IEGT換流閥組結構進行優化，并通過開斷試驗測試換流閥組承受開斷電流及過電壓的能力，同時驗證結構優化的可行性。搭建直流斷路器開斷試驗系統，包括直流電壓源、充電開關、脈沖電容、電抗器、試驗開關和直流斷路器試品。

直流斷路器主通流支路快速機械開關處于合位時，直流電壓源開始給脈沖電容充電，達到預定電壓后充電開關斷開；試驗系統開關閉合，主通流支路電流逐漸上升，斷路器控制裝置檢測到放電電流超過保護動作門檻值后，換流閥組IEGT導通，主通流支路機械開關迅速關斷，產生換流電壓，迫使電流向換流閥組支路轉移，期間主通流支路電流迅速減小，換流閥組支路電流逐漸上升；當主通流支路電流降為0且快速機械開關分斷到額定開距后，閉鎖換流閥組IEGT，電流轉移至耗能支路MOV消耗，總電流開始下降，降至0時完成整個開斷過程。對結構優化前后的IEGT換流閥組分別進行開斷試驗。IEGT換流閥組結構優化前在開斷2 kA短路電流時試驗波形異常，斷路器兩端過電壓減小，經檢查第2級IEGT的C、E級短路，進一步解剖后發現芯片熔焊點如圖16所示。即閥串結構優化前IEGT表面壓力分布不均，局部接觸壓力小的區域接觸熱阻較大，在開斷大電流時局部溫升過高，超過IEGT的最高允許結溫后致使內部芯片燒毀短路。

圖16 IEGT內部芯片燒毀點

閥串結構優化后進行開斷試驗的電壓、電流波形如圖17所示，開斷電流達到10 kA，開斷期間直流斷路器兩端的暫態過電壓約17 kV，從直流斷路器接收到開斷指令至系統總電流開始下降的時間約2.5 ms，滿足柔性直流配網直流斷路器的電氣參數要求。

圖17 直流斷路器開斷試驗電壓和電流波形

5 結論

本文基于直流斷路器IEGT換流閥組及閥串有限元仿真模型，重點研究了壓裝機構、壓接墊塊對IEGT表面壓力分布均勻性的影響，并通過壓力均勻性及開斷試驗驗證了有限元模型及邊界條件的正確性。基于上述有限元仿真及試驗結果，可初步得到以下結論：

1）在采用多片碟簧對合組合堆疊時，不同的堆疊方式導致碟簧軸套形變及碟簧力傳遞效率的差異，根據軸套等效懸臂梁結構及最大撓度計算結果多片碟簧堆疊推薦采用方式一。

2）IEGT受到壓裝力的作用會發生一定程度的翹曲，使得IEGT芯片邊緣處應力集中；球頭螺桿和球窩頂板壓裝機構通過球面接觸起到自動對中的作用，而球頭螺桿傳遞壓裝力集中在圓心區域，球窩頂板設計成具有一定錐度的柱形結構以利于壓裝力的分布傳遞。

3）IEGT廠家對壓接墊塊的平面度和表面硬度有嚴格要求，對于各級IEGT之間有絕緣要求的閥串，壓接墊塊采用環氧墊塊內襯鋁墊塊的結構有利于提高IEGT表面壓力分布均勻性；墊塊壓接面的平面度較差或壓接面內凹（內凸）導致IEGT表面壓力局部缺失，壓接接觸區域的應力過于集中，增加了芯片老化和損壞的風險，所以提高壓接墊塊的表面加工精度，保證其平面度及減小墊塊壓接面的徑向厚度差是提高IEGT表面壓力分布均勻性的關鍵。

4）IEGT表面壓力分布不均將削弱其電氣性能，嚴重時導致內部芯片擊穿燒毀，所以提高IEGT表面壓力分布均勻性是提升柔性直流配網直流斷路器可靠性的重要條件。