集成門極換流晶體管（IGCT）機(jī)械壓裝研究

天津電氣科學(xué)研究院有限公司 蔡維 王詩(shī)祺 李雪飛 劉媛 劉佳

0 引言

集成門極換流晶閘管（IGCT）是20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的新型電力電子器件。綜合了硬驅(qū)動(dòng)的GTO晶閘管的優(yōu)點(diǎn)，極大地改進(jìn)了關(guān)斷性能，并在元件、門極驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用水平上有技術(shù)性的突破。均勻的開(kāi)關(guān)性能把IGCT的安全運(yùn)行區(qū)擴(kuò)大到了動(dòng)態(tài)雪崩的極限。吸收電路不再需要。改善的損耗特性允許高頻應(yīng)用直至千赫范圍內(nèi)。帶有集成大功率二極管的新型IGCT系列元件已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于0.5～6MVA的功率等級(jí)上，通過(guò)串并聯(lián)使用可擴(kuò)展至幾百M(fèi)VA的等級(jí)上。第一臺(tái)基于IGCT的100MVA的變電系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)運(yùn)行近兩年，證明這項(xiàng)新技術(shù)具有極高的可靠性[1]。

1 IGCT器件的使用

電力電子器件是構(gòu)成電力電子變換系統(tǒng)（如變頻器、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器等）主回路的主要器件。為解決散熱和電磁兼容等問(wèn)題，大功率電力電子器件多采用平板式圓餅外形結(jié)構(gòu)形式。大功率平板式電力電子器件，必須通過(guò)外力對(duì)其陽(yáng)極和陰極表面施加技術(shù)數(shù)據(jù)規(guī)定的壓力后，才可正常工作。

由于IGCT器件自身固有特性，投入電路系統(tǒng)工作，必須進(jìn)行機(jī)械壓裝，保證確定的壓力，否則無(wú)法使用。作為IGCT器件的使用要求，ABB公司對(duì)于機(jī)械壓裝提出明確的數(shù)值要求[2]。因此保證確定壓力下可靠的機(jī)械壓裝，成為IGCT器件的能否正常使用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

單只平板式電力電子器件的壓裝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般在其兩平面與兩個(gè)散熱器直接接觸，再在兩散熱器上加裝彈簧鋼（或彈簧墊圈）及若干螺栓，緊固螺栓，使沿平板式電力電子器件軸線方向施加規(guī)定的壓力即可。

2 IGCT技術(shù)設(shè)計(jì)方案

為解決大功率電力變換系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題，并使其更緊湊，常需要將若干平板式電力電子器件、散熱器、絕緣塊、連接母線等，用一套壓裝零件，沿同一軸線壓裝在一起，構(gòu)成一組緊湊式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于大功率平板式電力電子器件的成組壓裝，在溫度變化、長(zhǎng)期運(yùn)行的條件下，始終保證壓裝力的精度是其技術(shù)難點(diǎn)。如果壓裝力過(guò)小，平板式電力電子器件導(dǎo)電接觸面熱阻增大，不利于散熱；此外器件內(nèi)部如控制極的接觸也可能處于不良狀態(tài)，很可能不受控。如果壓裝力過(guò)大，平板式電力電子器件可能直接受到損傷。因此，對(duì)成組大功率平板式電力電子器件提供持久精確的壓力，是保證成組大功率平板式電力電子器件可靠工作的必要條件之一。

在充分研究ABB公司機(jī)械壓裝技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合器件受力均勻性分析，裝置機(jī)械應(yīng)力仿真計(jì)算，研究彈性體變形分析、彈性元件失效機(jī)理，考慮機(jī)械零件工藝性和通用度。提出一種成組大功率平板式電力電子器機(jī)械壓裝技術(shù)設(shè)計(jì)方案[3]。

本技術(shù)設(shè)計(jì)方案的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種同軸度好、壓力恒定、壓裝精度高、維修更換方便的成組大功率平板式電力電子器件機(jī)械壓裝結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，本技術(shù)設(shè)計(jì)方案為一種成組大功率平板式電力電子器件機(jī)械壓裝結(jié)構(gòu)，由左支撐板2、右支撐板11，左頂桿5、右頂桿10及左壓盤7、右壓盤8構(gòu)成，左、右壓盤之間水平同軸安裝功率器件串8，左頂桿、右頂桿同軸設(shè)置且其一端分別安裝在左支撐板、右支撐板上，左頂桿、右頂桿的另一端分別頂裝在左、右壓盤上。

2.1 設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新點(diǎn)

1）左頂桿同軸滑動(dòng)安裝在一彈簧芯軸3內(nèi)（見(jiàn)圖2），該彈簧芯軸通過(guò)其徑向安裝的一鍵銷安裝在左支撐板上，在支撐板右端的彈簧芯軸上安裝一組碟形彈簧6，在支撐板右端的彈簧芯軸上徑向制有一環(huán)槽，該環(huán)槽內(nèi)安裝限位卡盤2（見(jiàn)圖3）。

2）在左頂桿左側(cè)的彈簧芯軸內(nèi)同軸嚙合安裝有一壓裝螺桿1，在彈簧芯軸內(nèi)的壓裝螺桿與左頂桿之間安裝有一鋼球4。

3）左頂桿右端端部制成球面，在與左頂桿右端端部球面相頂裝位置的左壓盤上制有球窩，球面與球窩相配合。

4）在右頂桿左端端部與右壓盤之間安裝有一鋼球9，該鋼球分別同軸臥裝在右頂桿左端端部及右壓盤所制的球窩內(nèi)。

2.2 設(shè)計(jì)方案的工作原理

本結(jié)構(gòu)的左側(cè)（安裝碟形彈簧）為施力端，右端為支撐端，左頂桿與左壓盤形成球面副，右頂桿與右壓盤形成球面副，在左、右壓盤之間水平同軸安裝IGCT功率器件串；左支撐板可在彈簧芯軸上軸向滑動(dòng)，而徑向由于鍵銷作用而固定。

設(shè)計(jì)：首先根據(jù)大功率電力電子器件正常工作所需要的機(jī)械壓緊力，計(jì)算出所需碟形彈簧的規(guī)格、數(shù)量和彈簧力的壓縮行程；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)上的需要，確定彈簧芯軸的結(jié)構(gòu)尺寸，尤其要精確確定彈簧芯軸的長(zhǎng)度。

預(yù)壓：使用壓力機(jī)通過(guò)彈簧芯軸對(duì)碟形彈簧進(jìn)行壓縮，當(dāng)彈簧芯軸右端的環(huán)槽內(nèi)側(cè)圓環(huán)面與左支撐板的左端面重合時(shí)，嵌入限位卡盤，此時(shí)碟形彈簧組已儲(chǔ)備了彈性勢(shì)能，它所能夠產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與限位卡盤產(chǎn)生的阻抗力達(dá)到平衡，完成對(duì)碟形彈簧組的預(yù)壓。

壓力轉(zhuǎn)換：當(dāng)完成大功率電力電子器件的成串裝配需要機(jī)械壓裝時(shí)，對(duì)壓裝螺桿施加扭矩（壓裝螺桿和彈簧芯軸組成螺旋副）轉(zhuǎn)換的壓力通過(guò)鋼球、左頂桿、左壓盤的傳遞，作用于功率器件串一端。鋼球的作用是減小摩擦力，消除加力過(guò)程中對(duì)左壓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著扭矩的增大，作用于功率器件串上的壓力增大，可以消除功率器件串的裝配間隙誤差（此時(shí)，功率器件串可視為剛體）。隨著扭矩的繼續(xù)增大，壓裝螺桿產(chǎn)生的壓力通過(guò)彈簧芯軸反作用于碟形彈簧組，當(dāng)此反作用力與碟形彈簧組預(yù)壓產(chǎn)生的彈力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，限位卡盤不再受力，處于自由狀態(tài)，取下。碟形彈簧組產(chǎn)生的彈力完全作用于功率器件串，從而完成功率器件的機(jī)械壓裝。

圖1 結(jié)構(gòu)主視圖

圖2 彈簧芯軸的放大結(jié)構(gòu)零件圖

圖3 彈簧芯軸端的結(jié)構(gòu)放大剖面示意圖

2.3 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和積極效果

1）本方案采用碟形彈簧作為驅(qū)動(dòng)力元件，碟形彈簧的壓縮行程通過(guò)機(jī)加工零件精確控制，與裝配精度無(wú)關(guān)，機(jī)械壓緊力控制準(zhǔn)確，壓力恒定，對(duì)功率器件串裝配長(zhǎng)度的寬容度大，消除裝配間隙，一定范圍內(nèi)自適應(yīng)功率器件串長(zhǎng)度，壓裝精度高。

2）本方案在功率器件串兩端的施力端和支撐端均采用球面副接觸，保證功率器件串受壓的驅(qū)動(dòng)力和阻抗力同軸，消除因壓裝框架裝配誤差，保證功率器件串驅(qū)動(dòng)力和阻抗力同軸，符合大功率電力電子器件機(jī)械壓裝技術(shù)條件。

3）本方案方便功率器件的維修更換，對(duì)于同種規(guī)格的功率器件，在壓裝數(shù)量變化時(shí)，僅調(diào)整左、右頂桿的長(zhǎng)度，即可正常使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)設(shè)計(jì)方案“成組大功率平板式電力電子機(jī)械壓裝結(jié)構(gòu)”已申請(qǐng)獲得發(fā)明專利（ZL201010127648.7）。天津電氣科學(xué)研究院有限公司于2010年底成功研制出國(guó)內(nèi)最大功率IGCT變頻調(diào)速裝置——“高性能中壓大功率變頻器”。該裝置采用了最新的功率器件IGCT、基于中點(diǎn)箝位三電平電壓源型交-直-交技術(shù)和矢量控制技術(shù)，具有功率密度高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率因數(shù)高的特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?！俺山M大功率平板式電力電子機(jī)械壓裝結(jié)構(gòu)”技術(shù)設(shè)計(jì)方案首次成功應(yīng)用于該裝置的研究開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

[1]劉鳳君,多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]ABB Company,Mechanical Press Guide.

[3]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京高等教育出版社,2006.