進口大功率IGCT模塊改進及國產化研究應用

王 宏，彭 飛，李 巖

（1.邯鋼設備運行保障公司，河北 邯鄲 056000；2.邯鋼設備動力部，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、聯接母排、水冷電阻聯接電纜、配水管路）等器件集成設計，作為整體模組接入變頻器內。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鍵所在，通過外部蝶形彈簧將IGCT、二極管和導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通。

2 壓接技術、平衡參數匹配設計以及功率模組研究

2.1 壓接技術研究

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致半導體器件被壓壞，如果壓接力太小會導致散熱器和半導體器件貼合不夠緊密，不僅導電性能差，并且散熱效果更差，從而引起器件發熱嚴重而損壞。所有功率模組修復時，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體器件的應用要求外，功率串之間的壓接均勻性也要滿足器件應用要求。

2.2 平衡參數匹配設計

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。任何半導體器件在長時間運行后都會出現老化現象。

三電平功率模組的調制分為上半周波調制和下半周波調制，以上半周波調制為例，當D3、D4導通時，T1和T2承受全母線電壓。如果IGCT的斷態阻斷參數全部匹配的話，T1和T2承擔Vdc/2的電壓。①當T1的阻抗大于T2的阻抗，則b點的電位低于c點，D5導通，使得b點電位箝位到母線中點；②當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。引入先進的半導體檢測設備和檢測技術，對替換下來的備件功率模組中的所有半導體器件和輔助器件進行全面的檢測和核算，保障功率模組內的器件參數一致，滿足整機的運行要求，完全消除主功率器件隱患。

2.3 功率模組再優化設計

（1）現場調研：隨著國內電力電子技術的發展，以及具備了大功率IGCT模塊的中壓變頻器的國產化維護及再優化設計的能力。以檢測修復大功率IGCT模塊為切入點，研究掌握關鍵技術先實現修復IGCT模塊的突破，進而實現中壓變頻器整機國產化。由于IGCT大功率模塊涉及的電容、二極管、等電器件老化問題，引發相應的電氣傳動設備故障頻發。關鍵是改進IGCT大功率模塊在使用過程中易發絕緣降低產生的相間短路放電問題。

（2）技術方案的制定及實施：由于原裝IGCT模塊陶瓷絕緣片間隙小，現場粉塵和溫度影響造成二極之間的絕緣電壓降低，產生爬電電壓。因此在充分考慮了該絕緣片的功能及結構后，決定采用FR4材質的環氧板及改良的銅板來做替代方案。以下將從材料結構、電氣隔離、導熱3方面對比二者間的性能。①結構強度：介電強度，陶瓷＞=5kV/mm，FR4＞=10.2kV/mm；絕緣電阻，陶瓷＞1012Ω/cm，FR4＞1012Ω/cm；抗 壓 強 度，陶 瓷2141kg/cm2，FR4 1100～1300kg/cm2；熔點，陶瓷2200℃；FR4 2030℃。②電氣隔離：結構對比，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，起到熱傳導的作用。因為緩沖吸收二極管在工作中處于零電流關斷，所以損耗極小。而嵌位二極管發熱較為嚴重，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。因此可考慮二極管單面散熱時工況，計算其結溫是否滿足要求。

圖1 實物圖

圖2 等效圖

當機組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殼熱阻為17.2K/kW，散熱器熱阻8.35K/kW，水溫按照40℃考慮，則結溫計算如下。

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

3 通過各種檢測試驗目前已廣泛應用于現場，實現了完整的國產化應用

3.1 IGCT檢測項目

測試指標，壓接面表面無電蝕；GCT外觀無碰破損；阻斷特性VD=4500V，IDM≤50mA；通態壓降≤2.7V；二極管檢測項目：測試指標，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，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，受力面無空心現象；壓力要求，器件受壓應在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，受力面無空心現象；壓力要求，器件受壓應在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；水冷電阻是否出現漏水，滲水，變形；水冷電感是否出現漏水，滲水

4 項目實施效果

4.1 IGCT模塊電壓、電流參數檢測結論

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

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

吸收電阻、放電電阻及嵌位電阻檢驗結論。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用可靠性和壽命的關鍵因素，為了保證IGCT承受壓力均勻,IGCT功率模塊完成測試修復重新組裝恢復后，按照相關工藝流程對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象，受壓在36～52kN之間,達到了國際標準要求。并對相關水路進行嚴格的保壓測試,投入現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

通過在試驗臺對修復的大功率IGCT模塊進行檢測后，替換到在線設備上，經過一年的運行考核，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,實現了國產修復的完整替代。