【机车上IGBT发热引起的故障现象和故障分析5900字（论文）】

机车上IGBT发热引起的故障现象和故障分析目录TOC\o"1-2"\h\u23318第1章IGBT模块传热机理分析 1265081.1IGBT简介 2157231.2IGBT模块热传导分析 2303321.3IGBT在电力机车中的应用 321995第二章IGBT的发热原因和现象 5101492.1机车IGBT发热原因分析 5293332.2机车IGBT发热时可能发生的现象 624798第三章IGBT发热故障分析与处理 7149523.1GBT工作原理(N沟道和P沟道) 7193383.2IGBT故障分析 7240903.3IGBT的失效 8140723.4机车上IGBT发热处理方法 84962第四章机车IGBT发热导致的后果与防范措施 916133第五章结束语 1222439参考文献： 13第1章IGBT模块传热机理分析IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是20世纪80年代出现的一种新型电力电子器件"，它把MOSFET和GTR的优点结合在一起，一经发明就在电力电子领域中得到了广泛的应用。在轨道交通领域尤其是交流电力机车上，IGBT作为轨道交通领域大功率转换电路的关键器件，它常常工作在开关状态，关断和导通大电流、大电压，本身会产生大量的热量，加之在电力机车.上经常遇到各种工作状况使IGBT产生的热量剧增或无法及时散发，会导致IGBT性能下降甚至烧损，严重影响行车安全。目前广泛应用于轨道交通领域的IGBT是机车主变流装置的核心功率器件，其稳定性和可靠性对车辆的安全稳定运行至关重要。IGBT芯片的结温直接影响到IGBT承载电流的能力，IGBT结温一方面决定于自身的功率损耗，另一方面受外部散热方式和冷却条件的影响。了解和分析IGBT过热导致的故障，可以预防此类事故的发生。当前，因发热而造成器件的失效占整体的55%以.上，所谓器件的热失效归根结底就是器件在运行过程中由于热堆积使其温度达到极限值的非安全区间，从而导致器件发生永久性损伤，所以研究IGBT模块内部热传导过程及散热有着十分重要的意义。IGBT模块的整个传热过程包含了导热、对流和辐射三种热量传递方式。1.1IGBT简介IGBT按照封装设计理念分为标准模块、压接模块和智能功率模块(IPM)三种:标准IGBT模块是按标准设计，采用现代焊接技术，也叫焊接式IGBT,结构内部采用电气连接技术以及引线键合技术，如以芯片焊接、超声焊接、锡焊、真空焊接等为主导的互连工艺;而压接式封装结构，类似于大功率二极管或晶闸管的设计理论，采用陶瓷封装为标准，其特点是压接封装的顶部和底部同时也是器件的电源端子和冷却表面，优点是方便串并联;IPM的功能结构中，除了标准的IGBT驱动外，集成了控制、驱动和保护电路，如半桥或全桥模块、驱动电路、过流测量与保护、温度测量电路、供电电压检测等，目前还没有被业界广泛接受的IPM标准。机车上用IGBT为高压大功率模块，一般采用焊接式封装，因此本文只针对标准焊接式IGBT模块进行讨论和研究。1.2IGBT模块热传导分析IGBT模块的内部结构主要由组成功率电路的IGBT芯片和FED续流二极管与导热材料组成，其中，导热材料分别由IGBT下焊料层、DBC层(包括上铜层、陶瓷基板和下铜层)、DBC"下焊料层和铜底板组成。IGBT芯片与FWD续流二极管是功率器件IGBT模块的主要热源，同时也是整个器件的核心，整个器件可靠运行的前提是IGBT芯片的温度必须低于极限安全结温，而IGBT模块散热性能的好坏直接影响着模块的结温。如图1-1所示为IGBT模块的封装结构示意图，芯片所产生的热量通过焊锡层、DBC层和铜底板向外界导热。出于安全性的考虑，IGBT模块都会被封装起来，从模块的结构上来看模块内部的散热通道只有通过导热材料焊锡层、DBC和铜底板向下垂直散热，并通过散热器最终将热量疏散到外界。图1-1IGBT模块的封装结构示意图IGBT模块内部的每层导热材料都是紧密焊接在一起的，因此模块内部的传热会依照热传导的方式将热量从IGBT芯片逐步传导至模块铜底板。而根据传热学中导热的定义，影响物体热传导的主要因素是温差、导热系数及导热物体的厚度和截面积，它的传导方式是层层传递。从微观学的角度来说，能量的传递是靠粒子间的接触来进行传导的。热传导过程中，当两个能量不同的粒子相互接触时，由热传递理论可知所带能量高的粒子会将能量传递给与之接触的能量低的粒子，最终达到热平衡。1.3IGBT在电力机车中的应用IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供.晶体管基极电流使IGBT导通，反之若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断比较而言,IGBT的开关速度低于MOSFET,却明显高于GTR;IGBT的通态压降同GTR相近，但比MOSFET低得多;IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比MOSFET高，其开关损耗比两者都低得多。而且IGBT正向着高耐压、高频率、大电流、低饱和压降、高可靠、低成本的方向发展。IGBT的四象限整流和逆变，对牵引和制动实行连续控制，具有低噪声，省电力等优点。整流器单元使用了模块形IGBT元件，整流方式为二电平电压型PWM方式，通过高速开关元件的使用以及对各组CI控制载波的相位差控制,来降低高次谐波、提高功率因数。逆变器单元同整流器单元一样，使用了同样的IGBT元件、谋求单元的标准化。通过高速IGBT和32b/s高速演算控制装置的配合进行高速矢量控制,提高了电机转矩控制响应速度、实现了高黏着控制和高速的空转惯性补偿控制。机车再生制动时，逆变器工作在整流状态，四象限整流器工作在逆变状态，并通过中间支流回路向主变压器牵引绕组馈电,将再生能源回馈到接触网。第二章IGBT的发热原因和现象2.1机车IGBT发热原因分析IGBT是由BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，又称绝缘栅双极型晶体管。其中的GTR:低导通压降、载流密度大、驱动电流大。MOSFET:驱动功率小，开关速度快，导通压降大、载流密度小。机车IGBT属于大功率半导体器件，在变流工作状态下主导能量转换，容易发生失效，而大功率工作状态下，大电流、高电压会使IGBT严重损坏，产生发热，严重引发爆炸。2.1.1机车IGBT工作环境IGBT工作在大电流，高电压工作状态由于IGBT驱动电流小，饱和压降低，故而适用于直流电压600V以上的变流系统。机车运行过程中，需要大功率运行条件，而在大功率运行状态下，往往是IGBT产生发热、烧毁的原因。2.1.2机车IGBT关断失效引起的不可控发热机车运行高电压状态时，由于IGBT本身耐受电压较低，故使用IGBT串联提高耐压值，IGBT的导通方法是在门极加载一个正向电压，IGBT的关断是在门极加载一个负向电压”。但是在IGBT串联的情况下，不能控制每一一个IGBT的导通或关断信号，这样会导致每个IGBT集电极、发射极电压不一致，但是它们都处于串联状态，电流一致，此时在大功率环境下，有的个体IGBT过电压就会相当高，而个体IGBT耐电压低，此时IGBT就会发热。2.1.3机车IGBT反向恢复失效引起的不可控发热原因在FRD反向恢复过程中由于反向峰值电压过高会对IGBT造成损伤，在次数的堆积下，IGBT损伤严重，在高功率的情况下引起发热，或者反向恢复过程中电流突然截止，此时di/dt极大，容易引发FRD失效，进而导致发热。2.1.4机车IGBT内损耗引起的可控发热原因在机车运行过程中，由于工作在大功率条件下,IGBT模块在变流器中会产生功率损耗，长久运行，会导致温度.上升，其温度高低与自身散热、内损耗大小、IGBT芯片电阻大小有着一定联系”。当升温与散热相同时，IGBT达到稳态，这是可控型发热。但当IGBT的di/dt极大时，模板会被击穿，超过IGBT结温，导致不可控发热。2.2机车IGBT发热时可能发生的现象机车运行过程中，处于大功率环境下，在IGBT可控发热下，可能会导致IGBT自身模块受损，可能会导致散热模受损，可能会影响到机车的运行速度，极大地减少IGBT自身的寿命。在IGBT不可控发热下，IGBT自身温度迅速升高，可能会传递温度导致周围器件发热，在散热不充分的情况下，以及驱动电阻过小情况下，可能会直接导致IGBT模块及其周边模块的烧毁，机车运行可能会终.止。第三章IGBT发热故障分析与处理3.1GBT工作原理(N沟道和P沟道)IGBT由MOS结构和B]T结构两部分组成，如图1所示。图1IGBT芯片内部结构当IGBT开通时，BJT结构的基区与发射区的PN结J1正偏，空穴通过漂移和扩散运动进入基区，这些进入基区的空穴被称为过剩少子。为了维持基区的电中性，其中--部分空穴与MOS导电沟道电流Imos提供的过剩多子电子发生复合;另一部分在耗尽层电场的作用下，进入J2的空穴被扫入集电区形成集电极电流。MOS沟道电流Imos提供的过剩多子电子的--部分通过漂移和扩散运行进入发射区，另一部分与过剩少子空穴发生复合形成BJT的基极电流，也就是说IGBT的导通电流IC等于BJT的集电极电流与基极电流之和。当IGBT关断时，MOS导电沟道电流Imos消失，基极电流由基区剩下的---部分过剩多子电子与注入的过剩少子空穴复合产生，这将导致IGBT的导通电流瞬间减少，而另一部分过剩多子注入发射区。为了维持基区的电中性,注入到基区的一部分过剩少子空穴与过剩多子发生复合,另一部分进入集电区间。3.2IGBT故障分析由以上IGBT工作原理可知，IGBT发生故障的原因主要有:过电流损坏;过电压损坏和静电损坏;过热损坏”。3.3IGBT的失效IGBT的失效问题如果以失效因素来分，可分３大类：第１类是内部结构缺陷和制造工艺带来的潜在失效；第２类就是各种外部应力对其造成的失效，如电应力（表现为过电压、过电流毛刺）、热应力、静电、辐射、湿度等；第３类是电路其他环境对其造成的影响，例如驱动电路、吸收电路、回路寄生电感、寄生电容等。这些环节设置不好，将加速器件的失效。3.4机车上IGBT发热处理方法通过对以_上IGBT的工作原理和故障进行的分析。在机车.上当IGBT出现故障时，司机所要进行的步骤就是在不影响机车正常运行的基础上，切断与这个IGBT相连的所有线路。如果这个IGBT所在的线路影响了机车的正常运行，就需要向车站呼叫请求救援，来保障机车以及机车所携带的人员或物资的安全。.第四章机车IGBT发热导致的后果与防范措施4.1机车IGBT发热导致的后果IGBT过热可能导致焊点融化、IGBT失效、IGBT烧损，影响IGBT的使用寿命危害到整机的工作运转，严重.时可能引发火灾爆炸等事故。由于机车.上常把IGBT作为主电路和辅助电路中的转换电路的关键器件，用于电能的整流和逆变。当IGBT因过热损坏或失效的时候，直接导致整流和逆变电路无法正常工作，机车无法正常运行，引发电路的短路等。其产生过电流过电压，可以导致机车.上的其他电力器件损坏，严重时可以牵引电机烧坏电机。而发生IGBT爆炸事故就是较严重的事故了，特别是在IGBT处于密闭空间或周围有易燃易爆的液体时可能引发机车起火爆炸。在2017年8月1日济南西机务段HXD3型0811机车在运行途中发生型微机屏在运行途中显示CI4再生失效，CI4逆变故障，CI4二次过电流。机车回段后拆解发现，CI4逆变侧IGBT炸裂，并在CI电路板表面聚集较多灰尘。此次事件并没有造成人员伤亡，经调查，判断炸裂原因为IGBT未及时保养清理，模块周围散热环境恶化，使IGBT局部过热从而使IGBT内的金属气化在其内部形成巨大的压力，而外壳不能承受这样压力，进而爆炸。经查阅相关资料，电力机车IGBT故障中爆炸占比非常大，其中绝大多数都是由于电路短路等形成过电压、过电流使IGBT过热引发的。4.2防范措施防止IGBT过热而引发事故，主要措施有三大类。一是添加散热设备增加监控设备，防止IGBT过热，或当温度达到一定程度时发出警报,并采取相应的防范措施。1二是优化IGBT内部结构，减少IGBT的自身发热，增强IGBT的可靠性耐热性，提高IGBT模块热稳定性和模块本身的耐热能力。三是在IGBT上采用新型材料增加其自身的导热性，使IGBT产生的热量能更好的传递出来，防止IGBT局部过热导致IGBT故障。目前我国机车IGBT散热方式主要采用第一种方式，添加散热设备和监控设备。4.2.1添加散热设备给机车IGBT散热在机车IGBT外部添加散热设备是目前运用最广泛、技术最成熟的解决方案。目前技术条件下，机车IGBT散热方式主要有3种:肋片散热、热管散热和液冷散热，其中肋片散热和热管散热主要采用强迫风冷的方法，而液冷散热主要采用液体(水与乙二醇的混合物)循环系统冷却。他们的原理都基本相同，通过空气、液体等介质的流动，把IGBT的热量传递出来从而保证IGBT的稳定。并且此种方式可以对散热设备进行改进从而满足不同的环境，在机车的功率不断增加的情况下，机车的IGBT承受的电流、电压也在不断的增加，其产生的热量也在不断增加，之前的散热已无法满足现在的要求严重影响了GDP的稳定性和可靠性。可以根据其使用条件、功率大小、空间等因素进行相应的调整，改善优化散热设备的性能结构以满足其特殊要求。4.2..2其他散热方法其他的散热方法由于其研发难度大，性能无法得到保证等因素在轨道交通方面无法得到广泛应用。但在其他领域经常采用这些方式给IGBT散热，比如在小型电力设备，受其空间大小、功率大小等限制无法采用或没必要采用散热设备进行散热，常常在IGBT上采用新型材料新结构增加IGBT的自身导热性和耐热性，利用自身的导热性能把自身热量传递在空气中散发。4.3防止机车IGBT失效的技术措施IGBT的过流保护采用了瞬态钳位保护和软件保护两种。当硬开关故障（简称ＨＳＦ）和负载短路故障（简称ＦＵＬ）发生后，IGBT处于短路状态，以及密勒电容的影响，会产生很高的ｄｉ／ｄｔ，以至于使其进入擎住区，失控损坏。机车IGBT模块的门极驱动电路内具有瞬态钳位保护的功能，当短路故障发生后，Ｕｃｅ压降升高，致使连接在Ｃ、Ｅ上的检测二极管退饱和，进而封锁门极驱动动作并反馈给控制单元报告错误，同时由软件控制封锁所有的驱动信号并报警，让IGBT在进入擎住区前就自动关闭。该种保护响应速度快，并具有可以发出反馈信号等特点。但是瞬间的高电压冲击是无法避免的，尤其回路中存在寄生电感而所使用的IGBT模块中并没有加入ＲＣ保护电路的情况下，会造成ＰＮ结不可恢复的损伤，因此要积极避免发生过电压故障。而在应用过程中，机车的ＰＧ（速度传感器）信号采集不准确，会引起控制单元采集的转速信息不正确，进而引发对四象限整流器和逆变器的失调和超调，使中间直流电压超过３２００Ｖ的保护值，或者对负载的扭矩调整不正确，以及各种强磁干扰信号等都会诱发过电压故障。因此，机车定修时应仔细检查速度传感器无异常，连线无损坏，插头连接