国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

黄先进， 孙 湖

(北京交通大学电气工程学院， 北京 100044)

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

黄先进， 孙 湖

(北京交通大学电气工程学院， 北京 100044)

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中，其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境，测试并掌握IGBT器件的特性参数，选用合适的驱动保护电路，可以确保IGBT稳定可靠运行，充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性，选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试，测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。

国产化； 高压大功率IGBT； 特性测试； 牵引变流器

1 引言

现代电力机车、动车组和城轨列车的牵引变流器都是以功率半导体器件作为主开关器件。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)已经成为现代轨道交通车辆牵引变流器和辅助变流器的主流核心器件[1,2]。

牵引变流系统所用的IGBT器件较其他工业应用有着更高的要求，主要体现在：①功率密度高，要在机车车辆有限空间内发挥最大的牵引功率；②反并联二极管容量大，要实现列车电制动并回收制动能量；③应用环境恶劣，车载变流器在温度、震动、冲击、湿度、灰尘等多方面要求更加严格；④特殊的载荷性质，机车车辆在速度和力矩控制上考虑因素较多，运行环境变量较大，变流器载荷特性比工业变流器有更多特殊要求[3,4]。世界主要牵引变流器厂家：西门子、阿尔斯通、通用电气、三菱、东芝等，它们都有紧密的IGBT制造企业或部门与之配套，以此占据高压大电流IGBT器件研发的制高点。中国IGBT器件产业发展迅速，涌现出嘉兴斯达、华虹NEC、无锡凤凰、深圳比亚迪、株洲电力机车研究所等众多厂家。多种规格的国产IGBT也开始在不同领域得到应用[5,6]。

本研究对三个厂家生产的标称规格一致的IGBT进行对比测试分析，从结构工艺、电气参数特性和应用特性方面进行了分析比对。测试了IGBT的静态参数、动态参数和短路特性，对IGBT模块的芯片布局、内部联接和封装工艺进行了对比。着重考查了一款IGBT的工作特性，并以此款IGBT替换HXD2F机车原有功率模块，在实际机车变流器系统中对IGBT的应用特性进行测试，评估该型IGBT在机车牵引变流器系统中应用的可能性。

2 IGBT电气模型及特性测试

IGBT应用一般采用等效电气模型对其特性进行仿真验证。IGBT静态特性反映持续导通或关断的性能，动态特性反映IGBT开关瞬间工作的性能。通常IGBT模块应用环境与器件厂家的测试环境有很大不同，测试实际特性参数有利于更好发挥模块的效能。

2.1IGBT电气模型

图1为IGBT结构图及等效电路，其静态输出特性可用下述公式描述。

图1 IGBT结构图与等效电路Fig.1 Schematics of IGBT structure and equivalent circuits

(1)截止区：

ugs

(1)

(2)可变电阻区：

(2)

(3)饱和区：

(3)

内部MOSFET理想电流-电压关系与沟道宽度wch、电子迁移率un、门极氧化电容Cox、沟道长度lth、阈值电压Uth和门极-源极电压ugs、漏集-源极电压uds相关。

IGBT暂态特性可用换流电路中的理想IGBT和寄生参数描述，分析动态特性的电路模型如图2所示。

图2 IGBT动态工作等效电路示意图Fig.2 Schematic diagram of IGBT dynamic equivalent circuits

Lσ为母线和支撑电容的寄生电感；门极电压通过电阻Rg加在IGBT上；Rgi为模块内部电阻；IGBT模块内部的电感Lc在发射极；换流回路的电感Ls=Lσ+Lc定义为杂散电感。

IGBT一个开通过程分为4个阶段：开通延时阶段、MOS导通阶段、门极平台阶段和反向恢复阶段；一个关断过程分为3个阶段：关断延时阶段、MOS关断阶段和二极管续流阶段。

开通过程中，门极电压Vge与集电极电流Ic和集射电压Vce相互关系可表示如下：

(4)

(5)

ic=g(ugs-Uth)2

(6)

(7)

式中，Ugg(on)为正脉冲电压；Ugg(off)为负脉冲电压；τ为时间常数；t为过程时间；Vd为二极管饱和压降。在关断过程中，集射极电压上升率与门极电压及IGBT寄生电容Cgd的关系如下：

(8)

2.2动静态特性测试

IGBT动态特性体现在瞬间的开关状态参数上[7,8]。动态特性参数包括输入输出结电容Cies、Coes，开通关断延迟时间td(on)、td(off)，上升下降时间tr、tf，二极管反向恢复能力trr、Qrr，以及过程中的损耗。IGBT静态特性体现在转移特性与输出特性上。静态特性参数包括饱和导通压降Vce(sat)、集电极漏电流Ices、并联二极管导通压降Vf、门极阈值电压Vge(th)和门极漏电流Iges等。

双脉冲测试方法是获取IGBT动态参数的有效途径，可以评估Rgon及Rgoff的选取阻值是否合适，考查IGBT应用于变换器中工作时的实际表现，包括二极管的反向恢复电流、关断时的电压尖峰、开关过程是否有振荡等[9,10]。双脉冲斩波试验的第一个脉冲宽度和母线电压决定负载电流大小。第一个脉冲关断时刻为下管IGBT关断工况测试点，第二个脉冲开通时刻为下管IGBT开通和上桥反并联二极管反向恢复工况观测点。上管IGBT门极加负压，保证只有续流二极管起作用。下管门极控制双脉冲与电压电流波形示意如图3所示。

第一个脉冲工作示意如图4所示。在t0时刻，门极脉冲施加下管IGBT饱和导通，母线电压加在负载L上，电感电流线性上升，电流表达式为：

(9)

图3 斩波双脉冲Vge、Vce、Ic波形示意图Fig.3 Wave diagram of dual-pulse test

图4 第一个脉冲开通时刻IGBT工作示意图Fig.4 Schematic diagram of turn on at first pulse

改变负载电感量和脉冲宽度可调节最大电流，电流值设定要考虑直流侧电容量，避免母线电压跌落。

在t1时刻，被测IGBT关断，负载L上的电流缓慢衰减，如图5虚线所示。下管电流探头观测到IGBT发射极电流为零。

图5 第一个脉冲关断时刻IGBT工作示意图Fig.5 Schematic diagram of turn off after first pulse

封锁脉冲一段时间T2，在t2时刻，第二个脉冲给定，被测IGBT再次导通，上管反并联二极管由正向导通续流进入截止状态，随后进入反向恢复。二极管反向恢复电流与负载L电流叠加在下管IGBT上，可观测到尖峰电流，如图6所示。

图6 第二个脉冲给定时IGBT工作示意图Fig.6 Schematic diagram of turn off at second pulse

经过T3时间，IGBT再次关断，此时电流较大，由于寄生电感存在，会产生较大的电压尖峰，双脉冲试验要注意Vcep在任何时刻不得超过IGBT的最大标称值Vces。

2.3短路特性测试

电路系统中发生短路故障时，IGBT集电极电流迅速上升超过额定值，瞬时发热会损害IGBT器件。从短路状态开始，到实现保护降电流，直至关断IGBT使电流为零为止，这段过程反映了IGBT的短路耐受能力。IGBT桥式电路发生短路的路径如图7所示。

图7 四种短路路径示意图Fig.7 Schematic of four types short circuit path

根据相对应的短路路径，短路情况及原因大概分为以下四种：①单个IGBT短路，IGBT或者二极管损坏，如图7(a)所示；②桥臂直通短路，控制电路、驱动电路故障或者有干扰造成的误动作，如图7(b)所示；③输出短路，接配线工作等人为失误或者负载绝缘损坏，如图7(c)所示；④接地短路，接配线工作等人为失误或者负载绝缘损坏，如图7(d)所示。

IGBT短路特性测试是保证IGBT变流器正常工作的重要试验，通常涉及功率模块和驱动电路的配合测试。器件厂家没有具体给出IGBT短路特性数据，也无法清楚描述短路行为的细节。综合图7短路故障发生的状态，可以将IGBT短路工况总结为两类：开通短路(HSF)和通态短路(FUL)。HSF发生在门极脉冲给定之前，当脉冲给定后，Vce开始下降，Ic迅速增大，IGBT无法进入饱和工作区或者迅速退出饱和区，之后Vce上升至母线电压。FUL发生在IGBT正常导通期间，当故障发生时，Ic迅速增大，IGBT逐步退出饱和导通，Vce随着电流增加。FUL通态短路的状况一般来说更为恶劣。图8为两种短路状况的波形示意图。

图8 两种情况短路示意图Fig.8 Diagram of two types short circuit

IGBT短路测试前需对杂散电感进行评估，以把握短路时的电压尖峰。短路测试的母线电压不宜过低，1200V规格IGBT，电压500V起；1700V规格IGBT，电压700V起；3300V规格IGBT，电压1000V起。

3 测试数据对比分析

本文测试三个不同厂家的IGBT，电压等级同为3300V，分别命名为IM(1200A)、CM(1200A)和DM(1500A)。

3.1IGBT静特性参数

在125℃和150℃温度下，Vce=1800V时，测试IM、CM和DM三种IGBT模块的漏电流数据，结果见表1。可以看出，在125℃条件下，DM与CM型IGBT漏电流接近，都高于IM型IGBT漏电流10倍以上；在150℃条件下，DM型IGBT漏电流最高，约为最低的IM型IGBT漏电流的3倍。

表1 漏电流对比Tab.1 Comparison of leak current

表2和表3给出了IGBT和反并联二极管的压降数据，Vge=15V，测试温度为25℃和150℃。可以看出，IM型IGBT饱和压降较低，CM型略高于DM型。二极管导通压降在一段区间内与温度负相关，超过一定电流值后与温度正相关。IM和CM型二极管在1000A以下，导通压降与温度负相关，超过1000A，与温度正相关。DM型二极管在1500A范围内都是负温度关系，高温工作时导通压降较低。

表2 IGBT饱和(导通)压降对比Tab.2 Comparison of saturated voltages of IGBT (单位：V)

表3 二极管饱和(导通)压降对比Tab.3 Comparison of saturated voltages of diode (单位：V)

3.2IGBT动态特性参数

母线电压Vdc=1800V，Ic(If)中取5个点，Tj=125℃，分别测得在Rg=1.5Ω,3.3Ω,4.7Ω,6.8Ω条件下，DM型IGBT开通关断的损耗，结果见表4。可以发现：①开通电阻增大，开通损耗会出现明显增加，Rgon=6.8Ω时，Ic为1500A条件下，最大开通损耗达到了6653.33mJ，相比于Rgon=1.5Ω时，损耗增加了5162.87mJ，增加了3.5倍；②关断损耗几乎不随关断电阻变化，同样在Ic=1500A条件下，驱动电阻从1.5Ω增加到6.8Ω，关断损耗仅增加了55.02mJ，增加了1%；③相同驱动电阻作用下，开通损耗和关断损耗均随着Ic的增大而增大。

表4 不同驱动电阻下的开通和关断损耗Tab.4 Turn on and turn off losses under different gate resistors

图9为IM、DM和CM三种型号IGBT在25℃室温、Vce=1800V、Ic=1500A工作条件下，驱动电阻取3.3Ω时开通关断波形。计算得出开通损耗从大到小为： CM>DM>IM，关断损耗从大到小依次为：DM>CM>IM。

图9 IM、DM和CM三种型号IGBT开通关断波形Fig.9 Switch waveforms of IM, DM and CM types IGBT

图10为室温25℃下，Vce=1800V、Ic=1200A、Rg=3.3Ω条件下测得的三种型号IGBT双脉冲波形。表5为上述条件下，三种型号IGBT的开关参数。

图10 不同型号IGBT双脉冲试验波形Fig.10 Waveforms of dual-pulse test for three types IGBT

分析表5中数据可得到如下结论：①相同工作条件下，开通电流尖峰值CM> DM> IM；②关断电压尖峰值IM> CM> DM；③开通关断时间DM> IM> CM。

3.3IGBT短路试验

图11为IM、CM、DM型IGBT在室温25℃、Vce=1800V、相同电压等级下的HSF短路工作状况。观测到IM型IGBT短路时，Ishort=6400A，Vpeak=3100V；CM型IGBT短路时，Ishort=6800A，Vpeak=3100V；DM型IGBT短路时，Ishort=7600A，Vpeak=3100V。

表5 不同型号IGBT开关特性对比Tab.5 Switch characteristics of three types IGBT

图11 25℃时三种IGBT短路工况Fig.11 Short circuit work conditions of 3 types IGBT at 25℃

3.4结构封装工艺对比分析

如图12所示，外观上CM型IGBT工艺精致美观，整体效果好，底部有固定螺丝紧固散热基板和外壳。IM型外观简洁，工艺优良，同样底部有螺丝紧固。DM型缝隙不均，毛边毛刺未处理干净，底部没有紧固螺丝；标签贴在缝隙间，时间久容易进灰脱落；连接端子折弯工艺较差，大电流使用寿命受影响。总体效果CM> IM> DM。

图13为实际模块芯片封装图形。CM和IM型IGBT芯片和二极管芯片纵向排列，E极直接相连。DM型IGBT芯片与二极管芯片横向排列，E极同时引到汇流E端，没有直接相连。IGBT模块内部芯片之间连接都是焊接走线，CM和IM型芯片与端子间连接都是母排，而DM型芯片汇流到端子，端子与母排之间还有飞线和PCB层实现电气连接。DM型IGBT的芯片布局和封装焊接所导致的线路寄生参数对静态特性影响较小，对动态性能影响较大。

图12 三种型号IGBT模块外观Fig.12 Apearance of three types IGBT

图13 CM和DM模块内部芯片布局Fig.13 Chips structure of CM and DM module

4 应用于牵引变流器单元的测试

实测功率单元为HXD2F机车主变流器单元。单相牵引整流器桥臂由上下各两只DM型并联IGBT模块构成，两个IGBT并联构成一组开关，用一组驱动电路从门极并联输出两路接入两个IGBT模块。

回流短路试验的电路结构和门极脉冲时序如图14所示。破坏模拟试验时，下管QXa单元的驱动电阻为Rgon=0Ω，Vge=20V，上管两个IGBT为开通状态。

双脉冲试验时，所测电流为流过两个IGBT电流值。在25℃和70℃环境温度进行，采用HXD2F机车所用的驱动电路，驱动电阻为：Rgon=3.3Ω，Rgoff=3.0Ω。开通关断测试结果如图15所示。图15为IGBT集射极电压Vce、电感电流IL、对管二极管的反向恢复电压Vcer和反向恢复电流Icer。其中母线电压1890V，峰值电流3750A。图15(a)为25℃工况下的开通波形，图15(b)为25℃工况下的关断波形，关断峰值电压Vcep=2350V。图15(c)为70℃时的开通波形，图15(d)为70℃时的关断波形，关断峰值电压Vcep=2050V。

图14 短路试验电路结构与脉冲时序示意图Fig.14 Schematics of short test and pulse sequence

图15 双脉冲试验HXD2F功率模块IGBT开关波形Fig.15 Switch waveforms of HXD2F IGBT power module

双脉冲测试对反向恢复二极管电流电压也进行了观测，波形如图16所示。其中上图的测试条件为25℃，对应电压电流为2200V、750A；下图的测试条件为70℃，对应电压电流为2200V、850A。

图16 双脉冲试验HXD2F功率模块二极管恢复波形Fig.16 Waveforms of HXD2F power module diode recovery

对应在Vdc=1500V时进行了短路试验，保护正常，但是上管两个并联IGBT(a管和b管)的电流波形差异大，体现了IGBT特性的不一致性和主回路的参数差异。图17为测试波形。

图17 Vdc=1500V时短路保护波形Fig.17 Waveforms of short circuit under Vdc=1500V for HXD2F traction converter

5 结论

本文主要研究DM型国产高压大功率IGBT器件应用于机车牵引变流器的可行性，分析测试DM型IGBT模块静态特性、开关特性及短路特性。以HXD2F机车主变流器为试验平台，进行了相应的例行试验。将DM型IGBT与两种同规格国外厂家IGBT进行了工作特性对比，通过三种IGBT横向对比，可以更加直观地了解DM型IGBT的工作特性。

本文比较了DM、IM和CM三种型号IGBT的静态特性参数，利用斩波双脉冲测试电路进行了动态电气性能的测试，包括开关损耗、关断电压尖峰、反向恢复电流峰值、短路保护状态等。对两种IGBT模块进行了拆解，从芯片工艺、布局架构等方面对比了IGBT制程工艺和加工特点。

最后将DM型IGBT应用在HXD2F机车主变流功率模块上，进行了双脉冲试验和短路回流试验。通过试验分析得出结论：DM型IGBT在动静态特性参数上满足应用于牵引变流器的应用，但在不改变驱动电路或驱动电路参数的前提下，DM型IGBT不能直接替换原有型号IGBT。

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Home-madehighvoltagehighpowerIGBToperationcharacteristicsusedintractionconverter

HUANG Xian-jin, SUN Hu

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Bejing 100044, China)

High power high voltage IGBT devices are widely used in converter system for modern electrical locomotives, which determine the operating performance of rail transit vehicles. IGBT power modules applied for traction converter have much stringent requirements in power density, anti-paralleled diode’s capacity, packaging technology and working circumstance. The accurate parameters of working characteristics, the suitable driver and protection circuits, and the compatible application circumstances could help IGBTs working stably and reliably. In this paper, one type of home-made IGBT named DM is studied for comparing with two other imported IGBT modules in working characteristics. Operating tests are carried out on the platform based DM series IGBT converter in HXD2F electrical locomotive, and the results provide a reference for the design and application of home-made IGBT for traction converter in the next.

made in China; high voltage high power IGBT; characteristics test; traction converter

2016-11-09

黄先进(1980-)， 男， 湖北籍， 讲师， 博士， 研究方向为载运工具动力系统、 电力电子变流与控制技术；

孙 湖(1970-)， 男， 山西籍， 高级工程师， 硕士， 研究方向为牵引传动系统可靠性。

10.12067/ATEEE1611021

1003-3076(2017)11-0071-08

TM46