kaiyun·官方网站手机网-用于轨道牵引系统高功率SiC器件的研究开发

用作轨道机车系统的高功率SiC器件研究研发Si基功率器件已普遍用作电力火车和动车组，然而，业界迫切需要具备更加小尺寸和更加高性能的功率转换器。为了符合这些市场需求，宽带隙（WBG）器件，如SiC功率芯片和模块作为机车系统被研发研究。目前，在地铁系统中早已开始用于1．7kV混合SiC功率模块，同时全SiC3．3kV功率模块早已顺利。

本文中从器件，模块和应用于的角度讲解了混合SiC和全SiC功率模块的发展。侧重讲解了大功率SiC模块在机车变流器中的应用于和挑战，讲解了CRRC研发的SiC器件。讲解了40A／3．3kVSiCMOSFET芯片的设计和建模，并在设计和工艺阶段展开了优化。

500A／3．3kV全SiC功率模块设计具备低杂散电感，并展开有限元分析电热仿真以优化热阻。混合IGBT模块和全SiC功率MOSFET模块在CRRC中生产和测试。电测试结果表明，在险恶的工作条件下，SiC器件比传统的硅基IGBT模块具备更佳的性能和更高的效率。

基于SiC的优点，可以构建更加小的尺寸和更加重的机车系统重量，具备更高的工作频率，功率密度和更高的效率。特别是在PCB技术中分析了SiC器件的挑战，PCB材料的热性能对SiC基模块的可靠性至关重要。

辩论了SiC器件的未来应用于，用于SiC器件的电力电子变压器等新的应用于对下一代机车系统具备极大潜力。轨道交通中的功率半导体器件图1：轨道电力机车系统中的电力电子系统图1表明了轨道交流驱动系统（AC－DC－AC）。

在电力电子系统中不会使用有所不同类型的功率器件。对于主逆变器和辅逆变器，主变压器将架空线路的功率从25kV（17kV－32kV）的高电压减少到较低的水平。

主逆变器的输入为驱动系统输出功率，辅助逆变器向一般设施输入电力，如空调系统和灯光系统。主变压器和主逆变器是整个机车系统的关键部件。

高压电源模块主要用作主逆变器，可以处置高功率并需要在险恶条件下工作，具备低电源频率和变化的阻抗曲线。从列车应用于的角度来看，对具备处置更高电压和更高电流能力的电源模块不存在极大市场需求，以提升切换效率并增大系统尺寸。对功率切换的拒绝完全相同，模块可以处置的功率越大，大多数涉及电路和无源元件的尺寸就越小，因此整个系统可以更加小轻巧，这对整个列车的性能来说十分最重要。

图2：用作铁路运输的大功率SiIGBT模块图2表明了用作轨道机车系统的动力装置的功率密度发展趋势。如今，地铁／地下等城市轨道交通使用1．7kV至3．3kV的IGBT模块，货运和高速铁路运输应用于使用3．3kV至6．5kV的高压模块。但在铁路运输系统中，当再次发生险恶的环境时，基于Si的高功率模块不会经常出现频密的高温冲击，极端的热机械形变，频密的电压和电流尖峰以及由于有所不同的气候和地质条件造成的加热不当等问题，因此SiC器件的长禁带半导体功率器件应运而生。

高功率Si器件和SiC器件图3：（a）列车驱动系统、功率二极管、（b）晶闸管和GOT、（c）IGBT（d）SiCMOSFET中用于的功率半导体器件图3表明了主要类型的功率模块，例如基于Si的功率二极管，晶闸管，GTO，IGBT以及基于SiC的MOSFET。如图3（a）和（b）右图的压装电源模块主要用作HVDC和FACTS应用于，具备电流密度低，双面加热，无发生爆炸，无键合线可靠性高等优点。然而，较高的PCB成本和缺乏绝缘散热器是这种PCB技术的主要缺点。如图3（c）和（d）右图的传统模块PCB技术在机车系统中更加热门，在模块PCB中使用精心设计的工艺，成本可以维持在较低水平，同时获取比较更佳低的功率处置能力和可靠性。

SiC器件在轨道运输方面具备极大潜力，相对于Si材料，SiC材料的带隙和导电亲率低3倍，切断电压低10倍，电子饱和状态速度低2倍。因此，SiC器件可以制止更高的电压，在更高的电源频率和高温下工作，并且力学系统更加较低的损耗。

SiC器件对辅助冷却系统和无源元件的拒绝较低，因此SiC器件的应用于可以增大电力系统的尺寸，提升列车电气系统的效率。图4：SiC与Si基器件动态和损耗特性的性能较为如图4右图，与传统的Si功率器件比起，SiC器件具备更佳的动态性能。

IGBT的Si二极管的完全恢复电流对图4（a）右图的1d虚线圆中的过电流起着起到，在电源上展现出出大的损耗。凭借SiC－MOSFET和SBD的较慢完全恢复特性，接上期间的损耗明显减少。图4（b）表明了变频器特性，IGBT的尾电流是由器件结构引发的，并造成大的开关损耗。

然而，在SiCMOSFET变频器期间没明显的尾电流，因此开关损耗十分小，在这种情况下，与IGBT比起，Eoff减少了88％。IGBT的另一个最重要缺点是尾电流和过电流都随温度增高而减少，而SiC则具备更佳的温度特性，如图5右图。图5：SiC和Si基器件的温度依赖性较为图5表明了在有所不同温度下SiC器件和Si基器件的开关损耗。由于IGBT具备阈值电压，MOSFET在较低电流区域中呈现出较低的Vds。

特性曲线表明SiC的导通电阻的变化大于Si器件。总的来说，SiC在低温和高温下都展现出出有较低的导通电阻。

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