延长大功率电气系统的使用寿命.pdf
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2021-02-22
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传输经过火车机车的高电流
及电压浪涌会给其中的大功率电气
系统造成巨大的应力冲击，这些电
气系统必须要能够承受这些冲击的
考验。绝缘栅双极型晶体管
（IGBT） 是这些电气系统的核
心，它是一种支持快速切换的高效
电子开关，主要负责向机车系统传
输能量。当火车从一个站开向下一
个站时，IGBT 电源模块将经历反
复的电、热以及机械疲劳，这会降
低模块的性能，最终使其失效。
“典型情况下，设计负责驱
动机车的牵引电机时，目标是要保
证设备能承受 30 年极端条件下的
考验。”位于瑞士伦茨堡的 ABB
半导体的首席研发工程师 Samuel
Hartmann 解释说。如果 IGBT 模块
在牵引电机的使用期内发生磨损，
就必须更换。Hartmann 和他的同
事们希望能满足牵引电机较长使用
寿命的要求，提升系统的可靠性，
他们正借助计算机仿真来更好地理
解如何提升 IGBT 模块的电力循环
性能。
延长大功率电气系统的使用寿命
结合实验测试与多物理场仿真，ABB 半导体的研究人员重新设计了用于大功率电气组件的绝缘
栅双极型晶体管（ IGBT ）模块以延长该设备的使用寿命。
作者：DEXTER JOHNSON
图 1：ABB HiPak 电源模块，额定阻断电
压 6500 V，额定电流 750 A。
图 2：
上：参考焊线布线的 COMSOL
®
软件模型及网格剖分。下：参考发射器
照片。
“我们的团队正在寻找能够提升
ABB HiPak 电源模块性能的方法。”
Hartmann 说（见图 1），“这些模块
由多个并联的 IGBT 芯片构成，当模块
处于‘开’状态时，会传输较大的电
流，当处于‘关’状态时，将承受非常
高的电压。”这些模块也可以应用于诸
如工业传动和可再生能源等领域。
“当用于机车时，IGBT 电源模块
会暴露在高温环境中，因此，不同零
件之间的连结点会由于热机械应力的
影响而变弱。”Hartmann 介绍说，
2015年9月
功率晶体管
“在最薄弱的结点失效后，导线会从
发射器上脱落，造成电接触断开，半
导体元件及其封装间剩余的互联导线
将传输更高的电流。最终，剩余结点
中热机械应力的增加，会造成连锁故
障。如果我们可以强化最弱的结点，
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