1 引言

功率變換器的變革常常與某項技術(shù)突破密切相關(guān)。以往的技術(shù)突破往往是變換器的結(jié)構(gòu)或變換器的有效部件:功率開關(guān)元件。
結(jié)構(gòu)改革主要與電動機(jī)技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，而今牽引驅(qū)動已具備相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化的直流無軌電車結(jié)構(gòu)，具有4象限運行整流器和三相逆變調(diào)速裝置。逆變器有二電平或三電平。
本文將探討建立在功率模塊基礎(chǔ)上的igbt現(xiàn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)，并指出其未來技術(shù)突破的方向。功率模塊是3相變頻及可變電阻斬流器，也是四象限整流裝置。

2 功率模塊igbt

目前的牽引功率模塊源于市場上供應(yīng)的高壓igbt。這些部件含有單個或多個功率開關(guān)元件，允許大范圍的高電壓(1700v，3300v，6500v)及常規(guī)電流(1600a-2400a，1200a，600a)，這種功率模塊是由不同功能的機(jī)械部件組成
·igbt組合件
· 冷卻裝置(熱傳導(dǎo)箱，傳熱管，冷卻水板)
· 大容量線路組成母線
·驅(qū)動器
·低壓線路
·電容器(非聯(lián)結(jié)型或濾波器)
·機(jī)械支撐和聯(lián)結(jié)件
·可組合在功率模塊中的控制板和電流傳感器

圖1 牽引驅(qū)動裝置中igbt的熱管安裝示意圖

圖1顯示組裝在牽引驅(qū)動裝置中功率模塊傳熱管的實際狀況:
軌道運輸牽引功率模塊的設(shè)計主要考慮以下幾方面:
·安全運轉(zhuǎn)方面:電壓和電流必須符合按運輸條件設(shè)定的元部件的額定值
· 絕緣性:高電壓運轉(zhuǎn)要求元部件器材在極小距離內(nèi)保持其絕緣性不受破壞并且不發(fā)生局部泄露
·溫升限定:設(shè)計人員須核實列車運行周期，其溫度絕對不能超過額定值(igbt和二極管為25℃，車體復(fù)合極為95℃，電容器為85℃)，以及igbt內(nèi)的溫升周期不超過額定值(在整個列車服務(wù)期限內(nèi)溫升為35℃時，允許列車剎車裝置工作四百萬次)
此項技術(shù)有以下限制:
(1) igbt部件限定了使用壽命:
a) 多層面間其材質(zhì)不均勻,如圖2所示。

圖2 igbt的安裝示意圖

b) igbt元部件和散熱槽之間的熱潤滑油限制了熱擴(kuò)散而且使溫度均勻性下降。
c) 鋁導(dǎo)線束限制了電流容量并且會出現(xiàn)強(qiáng)電流熔斷
(2) 功率模塊的溫度限制
如上所述，其溫度受igbt部件結(jié)構(gòu)的限制目前功率模塊其硅膠熱擴(kuò)散能力為30~80w/cm2 其電流密度也因此而受到限制。igbt部件外面其功率模塊的動力聯(lián)接，其電流流密度要比igbt部件內(nèi)部的電流密度小10倍。因為其外部的動力聯(lián)接部件未經(jīng)受有效地冷卻。這兩點是導(dǎo)致模塊成本超支的兩個原因:在動力聯(lián)接裝置上需要更多的硅膠和更多的金屬材料。
(3) 功率模塊的功率限制
在實際應(yīng)用中，為了滿足功率的需要，往往采用一系列并聯(lián)的igbt部件。這種并聯(lián)使用的部件增加了模塊性能的局限性。要考慮到在元部件之間出現(xiàn)的電流溫度不平衡和電力特性的紊亂而產(chǎn)生非額定電流。
由于增加功率電路裝置導(dǎo)致出現(xiàn)寄生電感，而且增加了對電容器的需求。igbt技術(shù)具有的功率損耗使頻率的轉(zhuǎn)換受到限制。例如具有igbt元部件的1500v-2000vdc變頻器限定達(dá)1khz的變換頻率而類似永磁電動機(jī)的新型電機(jī)則需要更佳的參數(shù)和增加其頻率變換。
功率動力模塊的尺寸和電氣元器件的布置對驅(qū)動和控制方面則需要較長的低壓電纜，要注意防止這些低壓電纜引起不必要的麻煩。

3 功率變換器的市場需求和影響

一般列車:
·增加車輛載荷但不加大軸向牽引載荷。此項要求則導(dǎo)致牽引驅(qū)動特別是功率變換器的每一個元部件都必須減輕重量。
·降低車廂底板，改進(jìn)其適用性。通常要求電器元器件必須能夠靈活地安裝在車輛的任一部位而不會影響乘客的使用空間。因此要求減小功率更換器的體積，增加其安裝的靈活性，例如可安裝在車廂的地板下面。
·功率轉(zhuǎn)換器的耐用性必須增加，必須達(dá)到150000小時，下一代的使用壽命還要增加一倍。
·使用壽命仍然是關(guān)鍵:根據(jù)目前的實施方案，通常為15~30年，其中有一個重要觀點乃是周期的成本。其目標(biāo)是在整個服務(wù)期限內(nèi)務(wù)必盡量減少維修。預(yù)防性維修也要盡量避免，例如水冷牽引驅(qū)動要比靜態(tài)冷卻系統(tǒng)的維修工作量大，因為后者沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置。這就需要對整個服務(wù)期限的成本加以權(quán)衡。
·電磁兼容性和新型電機(jī)需求改善電流系數(shù)，導(dǎo)致需要增加功率模塊的變換頻率。欲占領(lǐng)市場，則必須降低功率模塊成本才能滿足上述要求。

4 產(chǎn)品的更新?lián)Q代

下面將探討可行的方向。
從上述分析可以看出，制造更有效的功率模塊其主要困難在于對溫度的控制和限定。有三條途徑可以克服對溫度的約束。
· 采用更有效降低電流損失的元器件
·改善模塊的冷卻系統(tǒng)
· 最大限度提高溫度限制

4.1 新型低電流損耗元器件
生產(chǎn)廠家?guī)缀趺磕甓贾铝τ谏a(chǎn)新型igbt元器件。生產(chǎn)較高頻率的igbt元器件可以減少電流的動態(tài)損失。這些裝置組裝在同樣的部件中，直接用于現(xiàn)有的功率模塊上。其優(yōu)點明顯，并能獲得較高的電流額定值，但由于仍然保留其外部結(jié)構(gòu)，對溫度的限定則轉(zhuǎn)移到其他分離元件上。
新型元器件將取得突破:sic(碳化硅)以及未來的金剛石基元器件，這些新型的異常特性將奇跡般地降低電流損耗。首先投放市場的產(chǎn)品是低至shottky二極管，它不會象硅二極管那樣，通常出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)。問題在于目前我們何時才能在市場上買到價格合理的sic高壓元器件的取代igbt。

4.2 改善冷卻系統(tǒng)
所有可行的冷卻系統(tǒng):如熱交換榜，散熱管，水冷卻板等。水冷卻板采用水流動方式，其散熱效果最佳，但其主要難點是增加冷卻水的循環(huán)系統(tǒng)，這套設(shè)施完備不泄漏。這套水冷卻系統(tǒng)的水泵要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)。
當(dāng)人們能夠設(shè)計出一套與水冷卻系統(tǒng)同樣有效的無泵冷卻系統(tǒng)時，才能使原有的技術(shù)獲得突破。目前水冷系統(tǒng)在igbt部件中期限散熱系數(shù)可以達(dá)到200w/cm2。

4.3 最高運轉(zhuǎn)溫升限制
另一條解決溫度限制的途徑是增加運轉(zhuǎn)溫升的額定值，硅元件的使用溫度可達(dá)150℃。但是，為了可靠起見，電流功率模塊設(shè)計最高溫度限額是125℃。
新型sic(碳化硅)裝置具有很高的工作溫度，但目前尚未解決能經(jīng)受如此高工作溫度的組合問題。
高溫工作的另一難點是要奇跡般增加列車剎車時的循環(huán)溫升。首先要估計與200℃工作溫度相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)將導(dǎo)致100k的熱循環(huán)。這種高溫運轉(zhuǎn)的組合技術(shù)將必須經(jīng)受100k幅度百萬次熱循環(huán)，除非我們能采用有效的冷卻系統(tǒng)來限制溫度。
如果我們不增加被動元器件的工作溫度，單純增加主動元器件的工作溫度則毫無意義。電容器材的工作溫度目前限制在85℃。
當(dāng)我們能夠在大的溫升循環(huán)和具備耐高溫的小型電容器的條件下解決?？斓慕M合問題，則大幅度提高限定的技術(shù)也將獲得突破。

4.4 動力組合
如上所述，功率模塊的構(gòu)成，主要是一些機(jī)械零件的裝配，其中igbt部件是一個集成部件。例如，在igbt部件內(nèi)，功率線路的平均電流密度比功率模塊母線內(nèi)的電流密度高10倍。動力組合的原理是在一個大型部件中包含最大數(shù)量功率模塊功能。其最終目的是在一個大型部件中具備閉環(huán)控制的全功能變頻器。
圖3所示為組合部件實物圖，組合變換器的第一代產(chǎn)品以及相關(guān)技術(shù)已由alstom公司開發(fā)而成。

圖3 組合部件實物

基于下述概念:
a) igbt和二極管冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)，通過硅元器件層面的數(shù)量限定實現(xiàn)液體冷卻;
·通過元器件內(nèi)部的組合冷卻系統(tǒng)而完成;
·應(yīng)用摻50%乙稀乙醇的水冷卻液，溫升為45k，散熱密度能達(dá)到200w/cm2;
b) 在部件中采用單支或多支元器件，以減少功率線路和低壓線路;
· 通過堆放碎屑和分層是可行的;
·用焊接代替捆綁;
·這種結(jié)構(gòu)奇跡般地減少了電感;
c) 所有部件(開關(guān)，冷卻系統(tǒng)，功率線路低壓線路)均組合在一個多功能部件中。用塑料墊圈使水密閉
·另部件結(jié)構(gòu)緊湊使成本減少
·用塑料代替金屬使重量顯著減少。

參考文獻(xiàn)(略)

作者簡介
pierre lego alstom運輸公司總裁.