基于球面副的IGCT相模块压装串底部垫块结构研究

基于球面副的 IGCT相模块压装串底部垫块结构研究

刘少奇 刘建平 马振宇

中车株洲所电气技术与材料工程研究院，湖南省株洲市， 412001

摘 要：压接均匀性是基于压接器件的相模块关键技术指标，其好坏直接影响着器件能否可靠稳定运行和性能充分发挥。IGCT器件因其集成门驱使得整体重心偏移，从而对压接均匀性技术提出更大挑战。本文结合公司已研制的IGCT相模块压装实验结果从力系原理角度分析了当前平面底部垫块的受力情况，并提出了新的支反力系统，据此设计了基于球面副的底部垫块结构，相比当前模块IGCT压装串压接均匀性提升效果明显，因此具有重要的推广价值。

关键词：压接均匀性；IGCT；支反力系统；球面副

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一、引言

IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）为集成门极换流晶闸管，是近十年发展起来的一种新型高压大功率半导体器件，特别适用于输出电压高、容量大、性能要求高的变流器^[1][2],是大功率变流器中的核心功率器件。IGCT器件由门驱和晶闸管两部分组成，通过双面压接进行电气和散热连接，故器件承受压接载荷的均匀性好坏直接影响到器件整个电气连接面能否良好接触，均匀性不好，则有些接触区域载荷应力过大，造成此区域的微观器件容易受损，而有些接触区域载荷应力未到到指定应力，造成接触电阻及热阻增加，也不利器件运行^[3]。IGCT压接器件因其门驱重心偏离晶闸管重心使得其压接均匀性比一般二极管和晶闸管等压接器件更难保证，因此有必要对其进行深入研究以为IGCT可靠稳定运行及性能的充分发挥提供重要保证¹。

目前，国外国内基于IGCT的相模块多采用压装串结构向器件提供所需载荷及

保证均匀性。ABB公司研制的ACS6000 IGCT相模块采用了“品”字型3串压接框架^[4][5]，Simens公司研制的SM150 IGCT相模块采用“一”字型3串压接框架, Convert eam公司研制的MV7000 IEGT相模块采用单串压接框架^[6],国内荣信公司的大功率 IEGT相模块采用“一”字型两串压接框架^[7]，上述器件压接相同点是在上端通过类似结构施加与压装串轴线重合的近似集中载荷，不同点是压装串下端通过不同结构支撑在框架上。经前期相关搜索，IGCT变流器开发公司很少论及IGCT压装串提升压接均匀性的原理及具体工程实现方法，同时由于IGCT高达40KN的压接载荷带来压接过程中的微变形以及门驱重力矩的存在，使得自主开发新款长串IGCT相模块时关于均匀性提升技术设计难度加大。

公司研制的短串三电平IGCT相模块采用“品”字型压接结构，IGCT压装串两端结构部分参考了ABB及西门子公司，但并没有系统地分析其有利于压接均匀性的原理。前期多次均匀性试验结果显示当前IGCT压装串靠近下端的两个IGCT压接均匀性不好，在进一步分析同行IGCT压装串特点及压装串上端载荷施加结构基本不变的基础上，本文重点分析压装串底部垫块对均匀性的影响，并依据受力分析结果提出基于球面副的压装串底部垫块，最后进行实验以验证其相对当前平面底部垫块在均匀性方面的提升效果，为后续研制新款IGCT相模块提供均匀性技术参考。

二、压接均匀性原理分析

在评估当前压装串压接均匀性实际效果基础上，分析其压接均匀性存在的问题及相关原因，并针对这些问题根源，从原理上提出可提高压接均匀性的设计思路，据此设计基于球面副的底部垫块结构。

（一）均匀性评估方式

压接均匀性是指器件应接触区域的各点应力相等，以保证应接触区域内各点接触电阻和热阻一致。目前，基于实际实验条件及前期经验，在压装串器件间添加复写纸，通过观察压装后复写纸在白纸上印出的颜色深浅判断压接均匀性。某点应力越大，颜色越深；应力越小，颜色越浅。如图1所示，将复写纸放置IGCT晶闸管下端面，有可能出现如图2所示的两种结果，左边的压接均匀性比右边要好。

图1 压接均匀性测试方式

图2 压接均匀性示意

（二）现有模块压装效果及原因分析

1.压装过程

如图3所示为已研制完成的三电平IGCT相模块整体框架，该框架为“品”字型三串式结构，为便于观察，仅显示出IGCT压装串。上压板、下压板和支撑水管通过M42螺母固连在一起；IGCT压装串从上到下依次为导柱组件、绝缘垫块、散热器、IGCT、绝缘垫块、平面底部垫块。

压装前，IGCT压装串是从下压板依次往上堆叠，邻近上层器件间通过圆形接触面中心的定位销定位在下层器件上；堆叠过程中，因为IGCT门驱重心偏移晶闸管重心210mm，大于晶闸管半径42.5mm^[8]，在IGCT门驱外端有纸壳支撑情况下，也会产生小角度倾斜；导柱组件从上压板对应孔中穿过与压装串上端对接；因此，如图4所示的球头螺栓轴线与IGCT晶闸管轴线空间位置比较一致。压装中，通过扭矩扳手驱动导柱组件中的球头螺栓将载荷施加到压装串上，下压板通过平面底部垫块支撑压装串下端面。

图3 IGCT压装串及整体框架

图4 压装串上下端受力结构

2.压装均匀性效果及原因分析

当前模块多次压装效果如图5所示，压装结果显示，同一压装串中各器件压接效果有较大差异；从上到下压IGCT压接效果逐渐变差，顶部IGCT压接效果满足要求；颜色较浅的区域远离IGCT门驱一端。

图5 当前模块IGCT压装串压接效果

图5实验结果进一步反映出施加的载荷向下传递过程中其作用线相对晶闸管轴线发生了偏移，并且越往压装串下端，作用线偏移越大。合理简化实际压装串，球头螺栓施加的载荷方向与IGCT轴线方向存在两种可能偏移，如图6所示的角度偏移和平行偏移。对于角度偏移，随着载荷传递路线的增加，其平行于晶闸管轴线的力分量逐渐远离晶闸管中心，所以底部器件的压接均匀性是最差的；对于平行偏移，施加载荷在传递过程中，与晶闸管轴线距离一致，各器件压接均匀性应该是一致的。所以由此分析，当前模块IGCT压装串的载荷传递方式应该有角度偏移。角度偏移引起有两种可能原因，框架本身加工及装配误差引起的角度偏移，这是必然存在的，可能数值很小；IGCT门驱重力矩引起IGCT倾斜造成角度偏移。试验中将IGCT器件换成二极管，压装串中4个二极管压接效果基本一致，说明框架本身的角度偏移不足以引起压接均匀性不一致问题，故此处角度偏移主要是重力矩引起的。图6（b）中的简化模型刻画了晶闸管和IGCT在压装前分别相对施加载荷的偏移，因为门驱重力矩M_门驱引起了IGCT的微小倾斜，使得施加载荷载荷作用线对器件轴线的偏移相对于晶闸管更大，从图中可示意性地看出c2B2大于c2B1，故在当前压装串结构下，IGCT的压接均匀性性不如二极管。

图6 施加载荷与晶闸管轴线偏移

（三） 提升压接均匀性的原理分析及球面副底部垫块设计

据上分析，当前模块IGCT压装串均匀性提升主要是从角度偏移着手，消除角度偏移或者补偿角度偏移。在当前整体模块框架、IGCT和顶部加载方式不变的情况下，角度偏移消除基本难以实现，因此是在角度偏移存在下，设计新的支反力系统，使得器件底部平行于晶闸管轴线的支反力尽量接近晶闸管中心。

如图7所示，施加载荷F与器件中心线c1c2成一定角度。现将载荷F矢量分解为Fh1和Fv1，如果压装串下端是平面垫块，则底部支撑点为力F的延长线上B点，且B点对应的支撑载荷分量为Fv2和Fh2，由力系平衡知Fh1等于Fh2，Fv1等于Fv2， Fh1和Fh2构成顺时针力偶M1等于Fv1和Fv2构成逆时针力偶M2。因此，Fv2对c1c2的偏移本质上是平衡M1的，同时也是因为平面垫块能在B点给Fv2提供支点，因此在设计上要将Fv2向c1c2靠近，一方面不能在B点提供实际支撑，另一方面需要新的力矩补偿Fv2向c1c2靠近带来的M2损失，以继续平衡M1。在B点没有支撑点，需将B点悬空，也就是减小压装串下端面与下压板的接触面积，将Fv2离c1c2最远支撑点主动移动到D点；对M2的补偿，需要在生成逆时针力矩之时，也能实现力的平衡，由此设计了Fh3和Fh4，数值上Fh3为Fh1与Fh2之和。基于上述分析，提出如图8所示的球面副底部垫块。

图7 IGCT压装串预设的支反力系统

球面副底部垫块有两个关键要素，接触球面和圆柱销。接触球面限制压装串下端与下压板的接触区域，确保Fh2离c1c2较近；圆柱销与球面底部垫块紧配合，在Fh1作用下，通过球面底部垫块与下压板球面副的微移动，最终提供平衡所需的Fh3与Fh1。考虑球面副接触区域以及可承受强度，试验中所用球面半径为27mm，球面底部垫块与下压板间隙为3.5mm。

图8 球面底部垫块

三、压装实验

（一）基于平面底部垫块的二极管和IGCT压接均匀性对比

图9 基于平面底部垫块的二极管和IGCT压接均匀性对比

为有效说明IGCT门驱重力矩对压接均匀性的影响，现基于平面底部垫块，分别以二极管和IGCT器件进行压接均匀性试验，二极管是轴对称器件，重心与器件重心重合。进行多组试验，从中随机抽取3组试验结果，如图9所示，编号1到4对应压装串从下至上的4个器件。试验结果显示，二极管4个器件的压接均匀性差异性较小；IGCT 4个器件压接均匀性差异性较大，由器件4至器件1逐步变差；二极管器件1印纸局部地区也有浅色，但相对IGCT器件1的压印效果来说，面积小，且浅色效果不明显，满足均匀性要求。从试验结果可分析出，框架本身加工及装配形成的角度偏移对压装串下端器件压接均匀性影响不大，IGCT门驱重力矩是造成压装串下端器件压接均匀性差的主因。

（二）球面底部垫块和平面底部垫块压接均匀性效果对比

图10 球面底部垫块和平面底部垫块压接均匀性对比

为了比较充分可靠地比较球面底部垫块和平面底部垫块对压接均匀性的影响，进行了多组实验，从中随机抽取四组实验结果，由于平面底部垫块压装中，IGCT1和IGCT2压接均匀性较差，故在此主要对比压装串底部两个器件的压接均匀性。

实验结果如图10所示，（a）为使用平面底部垫块时IGCT1压装均匀性，（b）为使用球面底部垫块时IGCT1压装均匀性，（c）为使用平面底部垫块时IGCT2压装均匀性，（d）为使用球面底部垫块时IGCT2压装均匀性。实验结果显示，压装串使用球面底部垫块，能较大提升当前模块框架下IGCT压装串中下端两个IGCT器件的压接均匀性，使压接均匀性符合要求，并且压装串中4个IGCT压接均匀性基本一致。实验过程中，发现圆柱销也发生了微小塑性变形，如图11所示，从而也说明了圆柱销在载荷施加过程中提供一定的支反力。

图11 圆柱销微小塑性变形

四、结论

压装均匀性是基于压接器件的功率模块的关键技术指标，直接影响到器件能否充分发挥自身性能以及长期稳定可靠运行，因此不断提升压装压装均匀性是模块结构设计的不断追求。本文在项目组前期压装模块研制的基础上，结合存在的压接均匀性问题，在分析压装串底部垫块结构的力系基础上，有针对性地提出新的底部垫块支反力系统，并以此设计了球面底部垫块，通过多组实验证明压接均匀性提升效果明显，也进一步反映了IGCT压装串中力系原理分析的合理性。基于球面副的底部垫块简单有效，无需进行过多改造即可实现对前期模块的良好兼容性。本次研究首次比较系统性地从原理角度分析了压接均匀性提升的方式，对项目组日后研制新款长串相模块具有重要参考价值。

参考文献

[1]胡家喜，宋娇.三电平IGCT变流器换流研究[J].大功率变流，2009.5.

[2]袁立强，赵争鸣，白华等.用于大功率变流器的IGCT功能型模型[J].中国电机工程学报：2004.6.

[3] Thomas Setz, Matthias Lüscher.Integrated Gate Commutated Thyristors Applicati -on Note[R].ABB,2007.10.

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[5] ABB Semiconductors AG．ACS 6000 Medium Voltage Drives 3 to 27 MVA Service and Maintenance Manual[R] . Switzerland,ABB.2006.3.

[6] Converteam 科孚德机电.MV7000 三电平中压变频器.

[7]李兴，徐颖，崔效毓等.一种基于IEGT的大功率相模块专利.2010.3.

[8]ABB Semiconductors AG．ABB IGCT 5SHY35L4510 Data Sheet[M]． Switzerland, ABB.2007．

1作者简介

1. 刘少奇，男，1990年5月，汉族，江西萍乡，助理工程师

2. 刘建平，男，1989年5月，汉族，湖南怀化，工程师

3. 马振宇，男，1977年2月，回族，湖南湘潭，高级工程师