1 引言
功率变换器的变革常常与某项技术突破密切相关。以往的技术突破往往是变换器的结构或变换器的有效部件:功率开关元件。
结构改革主要与电动机技术发展密切相关，而今牵引驱动已具备相当标准化的直流无轨电车结构，具有4象限运行整流器和三相逆变调速装置。逆变器有二电平或三电平。
本文将探讨建立在功率模块基础上的igbt现行机械结构，并指出其未来技术突破的方向。功率模块是3相变频及可变电阻斩流器，也是四象限整流装置。
2 功率模块igbt
目前的牵引功率模块源于市场上供应的高压igbt。这些部件含有单个或多个功率开关元件，允许大范围的高电压(1700v，3300v，6500v)及常规电流(1600a-2400a，1200a，600a)，这种功率模块是由不同功能的机械部件组成
·igbt组合件
· 冷却装置(热传导箱，传热管，冷却水板)
· 大容量线路组成母线
·驱动器
·低压线路
·电容器(非联结型或滤波器)
·机械支撑和联结件
·可组合在功率模块中的控制板和电流传感器
图1 牵引驱动装置中igbt的热管安装示意图
图1显示组装在牵引驱动装置中功率模块传热管的实际状况:
轨道运输牵引功率模块的设计主要考虑以下几方面:
·安全运转方面:电压和电流必须符合按运输条件设定的元部件的额定值
· 绝缘性:高电压运转要求元部件器材在极小距离内保持其绝缘性不受破坏并且不发生局部泄露
·温升限定:设计人员须核实列车运行周期，其温度绝对不能超过额定值(igbt和二极管为25℃，车体复合极为95℃，电容器为85℃)，以及igbt内的温升周期不超过额定值(在整个列车服务期限内温升为35℃时，允许列车刹车装置工作四百万次)
此项技术有以下限制:
(1) igbt部件限定了使用寿命:
a) 多层面间其材质不均匀,如图2所示。
图2 igbt的安装示意图
b) igbt元部件和散热槽之间的热润滑油限制了热扩散而且使温度均匀性下降。
c) 铝导线束限制了电流容量并且会出现强电流熔断
(2) 功率模块的温度限制
如上所述，其温度受igbt部件结构的限制目前功率模块其硅胶热扩散能力为30~80w/cm2 其电流密度也因此而受到限制。igbt部件外面其功率模块的动力联接，其电流流密度要比igbt部件内部的电流密度小10倍。因为其外部的动力联接部件未经受有效地冷却。这两点是导致模块成本超支的两个原因:在动力联接装置上需要更多的硅胶和更多的金属材料。
(3) 功率模块的功率限制
在实际应用中，为了满足功率的需要，往往采用一系列并联的igbt部件。这种并联使用的部件增加了模块性能的局限性。要考虑到在元部件之间出现的电流温度不平衡和电力特性的紊乱而产生非额定电流。
由于增加功率电路装置导致出现寄生电感，而且增加了对电容器的需求。igbt技术具有的功率损耗使频率的转换受到限制。例如具有igbt元部件的1500v-2000vdc变频器限定达1khz的变换频率而类似永磁电动机的新型电机则需要更佳的参数和增加其频率变换。
功率动力模块的尺寸和电气元器件的布置对驱动和控制方面则需要较长的低压电缆，要注意防止这些低压电缆引起不必要的麻烦。
3 功率变换器的市场需求和影响
一般列车:
·增加车辆载荷但不加大轴向牵引载荷。此项要求则导致牵引驱动特别是功率变换器的每一个元部件都必须减轻重量。
·降低车厢底板，改进其适用性。通常要求电器元器件必须能够灵活地安装在车辆的任一部位而不会影响乘客的使用空间。因此要求减小功率更换器的体积，增加其安装的灵活性，例如可安装在车厢的地板下面。
·功率转换器的耐用性必须增加，必须达到150000小时，下一代的使用寿命还要增加一倍。
·使用寿命仍然是关键:根据目前的实施方案，通常为15~30年，其中有一个重要观点乃是周期的成本。其目标是在整个服务期限内务必尽量减少维修。预防性维修也要尽量避免，例如水冷牵引驱动要比静态冷却系统的维修工作量大，因为后者没有旋转机械装置。这就需要对整个服务期限的成本加以权衡。
·电磁兼容性和新型电机需求改善电流系数，导致需要增加功率模块的变换频率。欲占领市场，则必须降低功率模块成本才能满足上述要求。
4 产品的更新换代
下面将探讨可行的方向。
从上述分析可以看出，制造更有效的功率模块其主要困难在于对温度的控制和限定。有三条途径可以克服对温度的约束。
· 采用更有效降低电流损失的元器件
·改善模块的冷却系统
· 最大限度提高温度限制
4.1 新型低电流损耗元器件
生产厂家几乎每年都致力于生产新型igbt元器件。生产较高频率的igbt元器件可以减少电流的动态损失。这些装置组装在同样的部件中，直接用于现有的功率模块上。其优点明显，并能获得较高的电流额定值，但由于仍然保留其外部结构，对温度的限定则转移到其他分离元件上。
新型元器件将取得突破:sic(碳化硅)以及未来的金刚石基元器件，这些新型的异常特性将奇迹般地降低电流损耗。首先投放市场的产品是低至shottky二极管，它不会象硅二极管那样，通常出现反向恢复效应。问题在于目前我们何时才能在市场上买到价格合理的sic高压元器件的取代igbt。
4.2 改善冷却系统
所有可行的冷却系统:如热交换榜，散热管，水冷却板等。水冷却板采用水流动方式，其散热效果最佳，但其主要难点是增加冷却水的循环系统，这套设施完备不泄漏。这套水冷却系统的水泵要经常维护保养。
当人们能够设计出一套与水冷却系统同样有效的无泵冷却系统时，才能使原有的技术获得突破。目前水冷系统在igbt部件中期限散热系数可以达到200w/cm2。
4.3 最高运转温升限制
另一条解决温度限制的途径是增加运转温升的额定值，硅元件的使用温度可达150℃。但是，为了可靠起见，电流功率模块设计最高温度限额是125℃。
新型sic(碳化硅)装置具有很高的工作温度，但目前尚未解决能经受如此高工作温度的组合问题。
高温工作的另一难点是要奇迹般增加列车刹车时的循环温升。首先要估计与200℃工作温度相适应的标准冷却系统将导致100k的热循环。这种高温运转的组合技术将必须经受100k幅度百万次热循环，除非我们能采用有效的冷却系统来限制温度。
如果我们不增加被动元器件的工作温度，单纯增加主动元器件的工作温度则毫无意义。电容器材的工作温度目前限制在85℃。
当我们能够在大的温升循环和具备耐高温的小型电容器的条件下解决模快的组合问题，则大幅度提高限定的技术也将获得突破。
4.4 动力组合
如上所述，功率模块的构成，主要是一些机械零件的装配，其中igbt部件是一个集成部件。例如，在igbt部件内，功率线路的平均电流密度比功率模块母线内的电流密度高10倍。动力组合的原理是在一个大型部件中包含最大数量功率模块功能。其最终目的是在一个大型部件中具备闭环控制的全功能变频器。
图3所示为组合部件实物图，组合变换器的第一代产品以及相关技术已由alstom公司开发而成。
图3 组合部件实物
基于下述概念:
a) igbt和二极管冷却系统的改进，通过硅元器件层面的数量限定实现液体冷却;
·通过元器件内部的组合冷却系统而完成;
·应用掺50%乙稀乙醇的水冷却液，温升为45k，散热密度能达到200w/cm2;
b) 在部件中采用单支或多支元器件，以减少功率线路和低压线路;
· 通过堆放碎屑和分层是可行的;
·用焊接代替捆绑;
·这种结构奇迹般地减少了电感;
c) 所有部件(开关，冷却系统，功率线路低压线路)均组合在一个多功能部件中。用塑料垫圈使水密闭
·另部件结构紧凑使成本减少
·用塑料代替金属使重量显著减少。
参考文献(略)
作者简介
pierre lego alstom运输公司总裁.
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