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用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

导读: Si基功率器件已广泛用于电力火车和动车组,然而,业界迫切需要具有更小尺寸和更高性能的功率转换器。为了满足这些需求,宽带隙(WBG)器件,如SiC功率芯片和模块作为牵引系统被开发研究。

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

Si基功率器件已广泛用于电力火车和动车组,然而,业界迫切需要具有更小尺寸和更高性能的功率转换器。为了满足这些需求,宽带隙(WBG)器件,如SiC功率芯片和模块作为牵引系统被开发研究。目前,在地铁系统中已经开始使用1.7 kV混合SiC功率模块,同时全SiC 3.3 kV功率模块已经成功。

本文中从器件,模块和应用的角度介绍了混合SiC和全SiC功率模块的发展。着重介绍了大功率SiC模块在牵引变流器中的应用和挑战,介绍了CRRC开发的SiC器件。介绍了40A / 3.3kV SiC MOSFET芯片的设计和仿真,并在设计和工艺阶段进行了优化。500A / 3.3kV 全SiC功率模块设计具有低杂散电感,并进行有限元分析电热模拟以优化热阻。混合IGBT模块和全SiC功率MOSFET模块在CRRC中制造和测试。电测试结果表明,在恶劣的工作条件下,SiC器件比传统的硅基IGBT模块具有更好的性能和更高的效率。基于SiC的优点,可以实现更小的尺寸和更轻的牵引系统重量,具有更高的工作频率,功率密度和更高的效率。特别是在封装技术中分析了SiC器件的挑战,封装材料的热性能对SiC基模块的可靠性至关重要。讨论了SiC器件的未来应用,使用SiC器件的电力电子变压器等新应用对下一代牵引系统具有巨大潜力。

轨道交通中的功率半导体器件

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

图1:轨道电力牵引系统中的电力电子系统

图1显示了轨道交流驱动系统(AC-DC-AC)。在电力电子系统中会采用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)的高电压降低到较低的水平。主逆变器的输出为驱动系统输出功率,辅助逆变器向一般设施输出电力,如空调系统和照明系统。主变压器和主逆变器是整个牵引系统的关键部件。高压电源模块主要用于主逆变器,可以处理高功率并能够在恶劣条件下工作,具有高开关频率和变化的负载曲线。从列车应用的角度来看,对具有处理更高电压和更高电流能力的电源模块存在巨大需求,以提高转换效率并减小系统尺寸。对功率转换的要求相同,模块可以处理的功率越大,大多数相关电路和无源元件的尺寸越小,因此整个系统可以更小更轻,这对整个列车的性能来说非常重要。

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

图2:用于铁路运输的大功率Si IGBT模块

图2显示了用于轨道牵引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采用1.7 kV至3.3 kV的IGBT模块,货运和高速铁路运输应用采用3.3 kV至6.5 kV的高压模块。但在铁路运输系统中,当发生恶劣的环境时,基于Si的高功率模块会出现频繁的高温冲击,极端的热机械应力,频繁的电压和电流尖峰以及由于不同的气候和地质条件导致的冷却不良等问题,因此SiC器件的宽禁带半导体功率器件应运而生。

高功率Si器件和SiC器件

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

图3:(a)列车驱动系统、功率二极管、(b)晶闸管和GOT、(c)IGBT(d)SiC MOSFET中使用的功率半导体器件

图3显示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)所示的压装电源模块主要用于HVDC和FACTS应用,具有电流密度高,双面冷却,无爆炸,无键合线可靠性高等优点。然而,较高的封装成本和缺少绝缘散热器是这种封装技术的主要缺点。如图3(c)和(d)所示的传统模块封装技术在牵引系统中更受欢迎,在模块封装中采用精心设计的工艺,成本可以保持在较低水平,同时提供相对更好高的功率处理能力和可靠性。

SiC器件在轨道运输方面具有巨大潜力,相对于Si材料,SiC材料的带隙和导热率高3倍,阻断电压高10倍,电子饱和速度高2倍。因此,SiC器件可以阻止更高的电压,在更高的开关频率和高温下工作,并且耗散更低的损耗。SiC器件对辅助冷却系统和无源元件的要求较低,因此SiC器件的应用可以减小电力系统的尺寸,提高列车电气系统的效率。

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

图4:SiC与Si基器件动态和损耗特性的性能比较

如图4 所示,与传统的Si功率器件相比,SiC器件具有更好的动态性能。IGBT的Si二极管的恢复电流对图4(a)所示的1d虚线圆中的过电流起到作用,在开关上表现出大的损耗。凭借SiC-MOSFET和SBD的快速恢复特性,接通期间的损耗显著降低。图4(b)显示了关断特性,IGBT的尾电流是由器件结构引起的,并导致大的开关损耗。然而,在SiC MOSFET关断期间没有显著的尾电流,因此开关损耗非常小,在这种情况下,与IGBT相比,Eoff降低了88%。IGBT的另一个重要缺点是尾电流和过电流都随温度升高而增加,而SiC则具有更好的温度特性,如图5所示。

用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

图5:SiC和Si基器件的温度依赖性比较

图5显示了在不同温度下SiC器件和Si基器件的开关损耗。由于IGBT具有阈值电压,MOSFET在低电流区域中呈现较低的Vds。特性曲线显示SiC的导通电阻的变化小于Si器件。总的来说,SiC在低温和高温下都表现出较低的导通电阻。

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