鸭脖-用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

时间:2021-03-10 12:20 作者:鸭脖娱乐
本文摘要:硅基功率器件已广泛应用于电动火车和电动车组。然而,业界迫切需要尺寸更小、性能更高的功率转换器。 为了满足这些市场需求,研究和开发了宽带隙(WBG)器件,如碳化硅功率芯片和模块,作为机车系统。目前已经在地铁系统的1.7kV混合SiC功率模块中使用,全SiC3.3kV功率模块已经进展顺利。本文从器件、模块和应用的角度阐述了混合碳化硅和全碳化硅功率模块的发展。 重点介绍了大功率碳化硅模块在机车变流器中的应用及面临的挑战,并对CRRC研发的碳化硅器件进行了说明。

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硅基功率器件已广泛应用于电动火车和电动车组。然而,业界迫切需要尺寸更小、性能更高的功率转换器。

为了满足这些市场需求,研究和开发了宽带隙(WBG)器件,如碳化硅功率芯片和模块,作为机车系统。目前已经在地铁系统的1.7kV混合SiC功率模块中使用,全SiC3.3kV功率模块已经进展顺利。本文从器件、模块和应用的角度阐述了混合碳化硅和全碳化硅功率模块的发展。

重点介绍了大功率碳化硅模块在机车变流器中的应用及面临的挑战,并对CRRC研发的碳化硅器件进行了说明。阐述了40A/3.3 vsicMosFet芯片的设计和建模,并在设计和工艺阶段进行了优化。500A/3.3kV全碳化硅功率模块采用低杂散电感设计,并通过有限元分析和电热模拟优化热阻。

混合IGBT模块和所有碳化硅功率场效应晶体管模块在CRRC生产和测试。电学测试结果表明,在危险的工作条件下,碳化硅器件比传统的硅基IGBT模块具有更好的性能和更高的效率。基于碳化硅的优点,机车系统可以建造得更小、更重、工作频率更高、功率密度更高、效率更高。

特别是分析了碳化硅器件在印刷电路板技术上面临的挑战。印刷电路板材料的热性能对碳化硅基模块的可靠性至关重要。讨论了碳化硅器件的未来应用,碳化硅器件的电力电子变压器等新应用在下一代机车系统中具有巨大潜力。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为轨道交流传动系统(交流-DC-交流)。

不同类型的电力设备将不用于电力电子系统。对于主逆变器和辅助逆变器,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水平。

主逆变器的输入是驱动系统的输出功率,辅助逆变器向空调系统、照明系统等一般设施输入功率。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,可以处理大功率,需要在危险条件下工作,供电频率低,阻抗曲线变化。从列车应用的角度来看,市场对能够处理更高电压和电流的电源模块没有很大的需求,以提高开关效率和增加系统尺寸。电源开关的抑制完全一样。模块能处理的功率越大,所涉及的大部分电路和无源元件的尺寸就越小,所以整个系统可以更小更轻,这对整个列车的性能非常重要。

图2:用于铁路运输的大功率SiIGBT模块。图2显示了用于铁路机车系统的发电厂的功率密度的发展趋势。现在的城市轨道交通,如地铁/地下,使用1.7kV到3.3kV范围内的IGBT模块,而货运和高速铁路运输使用3.3kV到6.5kV范围内的高压模块,但是在铁路运输系统中,当危险环境再次发生时,硅基大功率模块不会经常出现高温冲击、极端热机械变形、频繁的电压和电流尖峰、由于不同的气候和地质条件导致的加热不当等。

因此,碳化硅器件的长禁带半导体功率器件应运而生。大功率硅器件和碳化硅器件图3: (a)火车传动系统,功率二极管,(b)晶闸管和GOT,(c) IGBT,(d)碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管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,如硅基功率二极管,晶闸管,GTO,IGBT和碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管。

图3(a)和(b)右图所示的压装式电源模块主要用于高压直流输电(HVDC)和FACTS应用,具有电流密度低、双面加热、不爆炸、无焊线、可靠性高的优点。然而,高印刷电路板成本和缺乏绝缘散热器是这种印刷电路板技术的主要缺点。如图3(c)和(d)的右图所示的传统模块印刷电路板技术在机车系统中更受欢迎。

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通过在模块印刷电路板中使用精心设计的工艺,成本可以保持在低水平,同时,更好和更低的功耗 碳化硅器件在轨道交通中具有巨大的潜力。与硅材料相比,碳化硅材料的带隙和电导率低3倍,截止电压低10倍,电子饱和速度低2倍。因此,碳化硅器件可以停止较高的电压,在较高的电源频率和高温下工作,机械系统的损耗较低。碳化硅器件对辅助冷却系统和无源元件的抑制率较低,因此碳化硅器件的应用可以增加电力系统的规模,提高列车电气系统的效率。

图4:碳化硅和硅基器件的动态和损耗特性如图4右图所示。与传统的硅功率器件相比,碳化硅器件具有更好的动态性能。

IGBT的硅二极管的完全恢复电流在图4(a)的右图中的1d虚线圆中的过电流中起作用,这显示了电源上的大损耗。由于碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管和SBD的慢全恢复特性,连接过程中的损耗明显降低。图4(b)显示了变频器的特性。

IGBT的尾电流是由器件结构引起的,并导致很大的开关损耗。然而,SiCMOSFET场效应晶体管逆变器没有明显的尾电流,因此开关损耗很小。

在这种情况下,Eoff比IGBT降低了88%。IGBT的另一个最重要的缺点是尾电流和过电流随着温度的升高而降低,而碳化硅具有更好的温度特性,如图5右图所示。

图5:碳化硅和硅基器件的温度相关性比较。图5显示了碳化硅和硅基器件在不同温度下的开关损耗。因为IGBT有阈值电压,所以场效应晶体管在低电流区显示出较低的Vds。

特征曲线表明,碳化硅器件的导通电阻变化大于硅器件。一般来说,碳化硅在低温和高温下都表现出低导通电阻。


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