可見,將來中國鐵路的發展離不開大量電力機車和高速動車組。近年來經過采用技術引進、消化、吸收、再創新的策略,中國*大力扶持中國南車、中國北車研發電力機車,并釋出大量采購訂單,中國電力機車研發、制造水平已慢慢追上發展水平。目前,中國已研發生產了3款功率值為9,600千瓦等級的大功率交流傳動機車HXD1B、HXD2B和HXD3B;時速超過300千米的高速動車組也有2款車型CRH3和CRH5。
通常,電力機車需要500個IGBT,動車組需要超過100個IGBT,一節地鐵需要50~80個IGBT模塊。粗略估計上述軌道交通需求量超1萬輛,可以想見軌道交通給IGBT市場所帶來的機遇和發展空間。
結溫提升牽引級IGBT性能
大功率交流傳動電力機車內部組成對功率器件而言有兩個重要模塊:主牽引變流器和輔助變流器。主牽引變流器為牽引機車提供動力,功率zui高、電壓zui大,工作條件zui為嚴酷。輔助變流器為其他非動力電流供電,如空調、車燈、后備電源等,電壓、功率相對較低,工作條件也相對較好。主牽引變流器主要需要3.3千伏或6.5千伏高壓模塊,輔助變流器的電壓則相對比較低,1.7千伏模塊就能滿足。馬國偉強調,上述三種模塊需要選用牽引級模塊,因為機車工作環境非常惡劣。
“牽引級IGBT是電子應用領域要求zui高等級的IGBT,”馬國偉指出,“牽引級IGBT對可靠性和產品生命周期的要求*。”牽引級IGBT的功率高達1千萬瓦,每個IGBT承受的zui高電壓可高達6.5千伏,每標稱電流高達600安。牽引級高壓大功率IGBT的工作環境嚴酷,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來提高器件的溫度循環壽命和功率循環壽命。
一般工業級功率模塊的工作溫度為
“提升結溫是我們提升IGBT可用功率的一個手段,而且它是IGBT模塊封裝技術提升的結果。”英飛凌科技工業及多元化電子市場事業部工業功率市場總監VivekMahajan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IGBT可以輸出更大的電流。而實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;另外一個手段就是提高模塊的焊線工藝,提升它的可靠性和功率交變能力。
Mahajan解釋說:“提高IGBT的結溫可以使客戶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IGBT的可靠性提升大大延長了模塊的使用壽命。”
混合動力車上路,車輛級IGBT成核心
科技進步對資源的過度消耗已經引起自然環境的反噬,各國政府紛紛將節能減負付諸于行動。2009年2月中國啟動了“十城千輛”工程,用財政補貼的手段鼓勵每個城市將燃油車更換成符合環保節能標準的電動以及混合動力客車。馬國偉解釋說,內燃機的能源效率并不固定,只有維持在*點才能得到*的工作效率。但是車的行駛過程并非勻速,因此不允許引擎固定速度來工作,所以傳統燃油機車能源利用率不能達到*化。而混合動力機車的動力從兩部分獲取,一部分動力從穩定工作在*工作點的內燃機獲得,另一部分電力從電機獲得。如果實際需要的動力比內燃機的供能小,則用多余的動力充電,通過發電機存儲在電池;如果需要的功率大于內燃機的功能,馬達可以和內燃機聯合共同驅動機車前進?;旌蟿恿C車采用這樣“混合雙打”的方式取長補短,讓內燃機獲得*的能效比。
混合動力車的關鍵組件是發電機和馬達驅動,而發電機和馬達驅動的關鍵則在于IGBT。鑒于混合動力車的工作環境略優于軌道交通,馬國偉建議選用車輛級IGBT模塊。PrimePACK利用英飛凌第四代IGBT,zui高結溫為