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混合動(dòng)力車(chē)和軌道交通IGBT模塊的選擇
日期：2025-06-06 23:31
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摘要：
本文中所指的軌道交通主要是采用電力牽引的火車(chē)和地鐵，其大功率交流傳動(dòng)電力機車(chē)內部構成有有兩個(gè)重要的功率模塊，即主牽引變流器和輔助變流器。主牽引變流器為牽引機車(chē)提供動(dòng)力，功率*高、電壓*大，工作條件*為嚴酷。輔助變流器為其他非動(dòng)力電流供電，如空調、車(chē)燈、后備電源等，電壓、功率相對較低，工作條件也相對較好。
主牽引變流器需要3.3千伏或6.5千伏高壓模塊，輔助變流器所需的電壓則相對比較低，1.7千伏模塊就能滿(mǎn)足。它們均需要選用牽引級IGBT模塊，因為機車(chē)工作環(huán)境非常惡劣。牽引級IGBT是電子應用領(lǐng)域要求等級*高的IGBT，對可靠性和產(chǎn)品生命周期的要求極高。
牽引級IGBT的功率高達1千萬(wàn)瓦，每個(gè)IGBT承受的*高電壓可高達6.5千伏，標稱(chēng)電流高達600安。牽引級高壓大功率IGBT的工作環(huán)境嚴酷，負載劇烈變化，對IGBT模塊的壽命影響很大，這就需要采用特定的技術(shù)來(lái)提高器件的溫度循環(huán)壽命和功率循環(huán)壽命。
一般工業(yè)級IGBT功率模塊的工作溫度為125℃，但英飛凌(Infineon)的IHM/IHV-B系列牽引級IGBT功率模塊的工作溫度比常見(jiàn)工業(yè)級功率模塊的工作溫度高出25℃，達到150℃。提高25℃對于IGBT有兩個(gè)好處：首先，增加了IGBT模塊的輸出功率能力，有利于提高模塊輸出功率的密度，進(jìn)而使整個(gè)變流器的設計更為小巧。其次，提高牽引級IGBT的工作溫度增強了功率循環(huán)能力，從而提高模塊的可靠性和工作壽命。
“提升結溫是我們提升IGBT可用功率的一個(gè)手段，而且它是IGBT模塊封裝技術(shù)提升的結果。”英飛凌科技工業(yè)及多元化電子市場(chǎng)事業(yè)部工業(yè)功率市場(chǎng)總監Vivek Mahajan指出，IGBT的輸出電流主要受結溫限制，芯片的溫度限制了它的功率負荷。如果能夠將結溫提升就意味著(zhù)IGBT可以輸出更大的電流。而實(shí)現結溫提升的方法有兩種：一是降低IGBT的飽和電壓，降低IGBT的損耗；另外一個(gè)手段就是提高模塊的焊線(xiàn)工藝，提升它的可靠性和功率交變能力。提高IGBT的結溫可以使客戶(hù)獲得更大的使用功率，還可以降低損耗，散熱器溫度和模塊殼溫也隨之降低了，允許模塊輸出更大的電流，同時(shí)IGBT的可靠性提升大大延長(cháng)了模塊的使用壽命。”
混合動(dòng)力車(chē)的動(dòng)力來(lái)自?xún)热紮C和電機，一部分行駛動(dòng)力從穩定工作在*佳工作點(diǎn)的內燃機獲得，另一部分電力則從電機獲得。如果實(shí)際需要的動(dòng)力比內燃機的供能小，則用多余的動(dòng)力充電，通過(guò)發(fā)電機存儲在電池；如果需要的功率大于內燃機的功能，馬達可以和內燃機聯(lián)合共同驅動(dòng)機車(chē)前進(jìn)?；旌蟿?dòng)力機車(chē)采用這樣“混合雙打”方式取長(cháng)補短，讓內燃機獲得*佳的能效比。
混合動(dòng)力車(chē)的關(guān)鍵組件是發(fā)電機和馬達驅動(dòng)，而發(fā)電機和馬達驅動(dòng)的關(guān)鍵是IGBT模塊。由于混合動(dòng)力車(chē)的工作環(huán)境略?xún)?yōu)于軌道交通，因此可選用等級稍低的車(chē)輛級IGBT模塊。例如英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其*高結溫為175℃。實(shí)際應用時(shí)，可通過(guò)將IGBT的位置更靠近基板螺絲固定點(diǎn)的方法，來(lái)有效降低基板與散熱片之間的熱阻效應，內部雜散電感與同級產(chǎn)品相比可降低約60%。
主牽引變流器需要3.3千伏或6.5千伏高壓模塊，輔助變流器所需的電壓則相對比較低，1.7千伏模塊就能滿(mǎn)足。它們均需要選用牽引級IGBT模塊，因為機車(chē)工作環(huán)境非常惡劣。牽引級IGBT是電子應用領(lǐng)域要求等級*高的IGBT，對可靠性和產(chǎn)品生命周期的要求極高。
牽引級IGBT的功率高達1千萬(wàn)瓦，每個(gè)IGBT承受的*高電壓可高達6.5千伏，標稱(chēng)電流高達600安。牽引級高壓大功率IGBT的工作環(huán)境嚴酷，負載劇烈變化，對IGBT模塊的壽命影響很大，這就需要采用特定的技術(shù)來(lái)提高器件的溫度循環(huán)壽命和功率循環(huán)壽命。
一般工業(yè)級IGBT功率模塊的工作溫度為125℃，但英飛凌(Infineon)的IHM/IHV-B系列牽引級IGBT功率模塊的工作溫度比常見(jiàn)工業(yè)級功率模塊的工作溫度高出25℃，達到150℃。提高25℃對于IGBT有兩個(gè)好處：首先，增加了IGBT模塊的輸出功率能力，有利于提高模塊輸出功率的密度，進(jìn)而使整個(gè)變流器的設計更為小巧。其次，提高牽引級IGBT的工作溫度增強了功率循環(huán)能力，從而提高模塊的可靠性和工作壽命。
“提升結溫是我們提升IGBT可用功率的一個(gè)手段，而且它是IGBT模塊封裝技術(shù)提升的結果。”英飛凌科技工業(yè)及多元化電子市場(chǎng)事業(yè)部工業(yè)功率市場(chǎng)總監Vivek Mahajan指出，IGBT的輸出電流主要受結溫限制，芯片的溫度限制了它的功率負荷。如果能夠將結溫提升就意味著(zhù)IGBT可以輸出更大的電流。而實(shí)現結溫提升的方法有兩種：一是降低IGBT的飽和電壓，降低IGBT的損耗；另外一個(gè)手段就是提高模塊的焊線(xiàn)工藝，提升它的可靠性和功率交變能力。提高IGBT的結溫可以使客戶(hù)獲得更大的使用功率，還可以降低損耗，散熱器溫度和模塊殼溫也隨之降低了，允許模塊輸出更大的電流，同時(shí)IGBT的可靠性提升大大延長(cháng)了模塊的使用壽命。”
混合動(dòng)力車(chē)的動(dòng)力來(lái)自?xún)热紮C和電機，一部分行駛動(dòng)力從穩定工作在*佳工作點(diǎn)的內燃機獲得，另一部分電力則從電機獲得。如果實(shí)際需要的動(dòng)力比內燃機的供能小，則用多余的動(dòng)力充電，通過(guò)發(fā)電機存儲在電池；如果需要的功率大于內燃機的功能，馬達可以和內燃機聯(lián)合共同驅動(dòng)機車(chē)前進(jìn)?；旌蟿?dòng)力機車(chē)采用這樣“混合雙打”方式取長(cháng)補短，讓內燃機獲得*佳的能效比。
混合動(dòng)力車(chē)的關(guān)鍵組件是發(fā)電機和馬達驅動(dòng)，而發(fā)電機和馬達驅動(dòng)的關(guān)鍵是IGBT模塊。由于混合動(dòng)力車(chē)的工作環(huán)境略?xún)?yōu)于軌道交通，因此可選用等級稍低的車(chē)輛級IGBT模塊。例如英飛凌的PrimePACK第四代IGBT，其*高結溫為175℃。實(shí)際應用時(shí)，可通過(guò)將IGBT的位置更靠近基板螺絲固定點(diǎn)的方法，來(lái)有效降低基板與散熱片之間的熱阻效應，內部雜散電感與同級產(chǎn)品相比可降低約60%。
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