軌道交通用功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用技術(shù)研究

曹志芳

摘 要：功率半導(dǎo)體技術(shù)是發(fā)展大功率逆變器技術(shù)的主要技術(shù)。隨著現(xiàn)有的基于硅的功率半導(dǎo)體器件的不斷迭代優(yōu)化，以及用于制造寬帶半導(dǎo)體器件的新材料的工藝逐步成熟，其為軌道交通資源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，文章集中于功率半導(dǎo)體芯片技術(shù)，包括對(duì)模塊封裝組件進(jìn)行了分析，主要分析了當(dāng)前各種應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展，如冷卻和散熱、電磁兼容性等，以及能量轉(zhuǎn)換效率和高可靠性。

關(guān)鍵詞：軌道交通;功率半導(dǎo)體器件;應(yīng)用技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）04-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.001

大功率逆變器牽引技術(shù)的飛速發(fā)展正在加速中國(guó)軌道交通產(chǎn)業(yè)的飛躍。到2019年底，我國(guó)鐵路總長(zhǎng)度為13.9萬(wàn)km，建成了世界上第一條里程數(shù)達(dá)3.5萬(wàn)km的鐵路。當(dāng)前，我國(guó)成為軌道交通傳輸密度最高，網(wǎng)絡(luò)狀況世界上最困難的國(guó)家。根據(jù)復(fù)雜而高性能的工作環(huán)境，我國(guó)對(duì)軌道交通牽引裝備的要求將逐漸提高。

1 軌道交通用功率半導(dǎo)體硅基芯片技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)過(guò)去30年的不斷發(fā)展，硅裸片的單元尺寸穩(wěn)步減小，裸片厚度穩(wěn)步減小，并且性能參數(shù)已逐步優(yōu)化。以英飛凌為例，其成功推出了第七代IGBT產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有高電流密度、低功耗、高可靠性，以及將從125℃升高到175℃并向200℃發(fā)展。開(kāi)發(fā)人員基于硅半導(dǎo)體芯片也開(kāi)發(fā)了許多新材料，而且新工藝和新結(jié)構(gòu)技術(shù)仍在創(chuàng)造中，此過(guò)程使用了許多先進(jìn)技術(shù)，包括離子注入和微光刻。IGBT微電路制造工藝特征的最小尺寸從5μm更改為3μm，然后再到1μm，達(dá)到亞微米級(jí)別。而且溝槽門(mén)設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷改進(jìn)，細(xì)顆粒溝槽門(mén)和麥克風(fēng)門(mén)技術(shù)正在行業(yè)中引入。與原始凹槽相比，利用帶有用于主柵極的凹槽的復(fù)合凹槽之后，滑差電導(dǎo)電壓的滑差減少了20%，電流密度增加了30%以上。微切割網(wǎng)格技術(shù)提高了溝槽中的溝道密度，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化了晶體單元的寄生電容參數(shù)，獲得了最佳的校正性能[1]。另外，當(dāng)使用過(guò)電流方法時(shí)，IGBT元件的導(dǎo)通電壓和偏置電壓之間的限制關(guān)系被破壞，這可以顯著降低裝置功耗。為了減少過(guò)程問(wèn)題，相關(guān)人員已經(jīng)提出了各種“準(zhǔn)交叉”結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能和過(guò)程之間的折中。就結(jié)構(gòu)而言，該二極管集成在IGBT芯片中，與IGBT提供相反的性能，從而消除了對(duì)反并聯(lián)二極管的需求。相同的封裝尺寸下其功率密度提高了33%，大大降低單位制造成本，并具有低損耗、高效的安全操作系統(tǒng)（SOA）和嵌入式PTC二極管等優(yōu)點(diǎn)。熱阻具有熱電穩(wěn)定性?xún)?yōu)點(diǎn)，其比分立二極管芯片價(jià)格低，二極管電容是相同尺寸模塊的兩倍，并且具有出色的開(kāi)關(guān)特性，國(guó)產(chǎn)軌道交通控制芯片示意圖如圖1所示。

2 軌道交通用功率半導(dǎo)體低感母排技術(shù)應(yīng)用

由于設(shè)備開(kāi)關(guān)頻率的提高，對(duì)于高DV/dt和高di/dt模塊，功率半導(dǎo)體是一個(gè)嚴(yán)重的寄生指標(biāo)問(wèn)題。在相同的封裝形狀下，di/dt越高，在相同的寄生電感下，會(huì)導(dǎo)致該設(shè)備可以承受的壓力和EMI引起的噪聲更高。因此，開(kāi)發(fā)低寄生電感的封裝技術(shù)或封裝形式，是模塊封裝技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。在使用3 300V?6 500V電壓電平模塊的區(qū)域，應(yīng)該采用多層總線設(shè)計(jì)方法來(lái)減少機(jī)箱模塊的寄生電感。如圖2所示，其布置為DC+母線和DC母線堆。相反，環(huán)路感應(yīng)模塊降低了用于高頻移動(dòng)模塊的高寄生電感[2]。

3 軌道交通用功率半導(dǎo)體組件集成技術(shù)應(yīng)用

橋接電路的結(jié)構(gòu)包括用于連接電源的多層總線和集成控制單元的節(jié)能直流電容器，模擬采樣傳感器以及與其他構(gòu)成變壓器鐵芯的其他組件組合的多個(gè)半導(dǎo)體電源。其中，包裝中電子產(chǎn)品的形狀兼容性以及低頻感應(yīng)總線技術(shù)的損耗和擴(kuò)散，是設(shè)計(jì)電氣組件都是要考慮的主要因素。轉(zhuǎn)換器具有出色的功率和高集成度，這是具有機(jī)械、電氣和熱耦合功能的典型混合動(dòng)力系統(tǒng)。為了滿足軌道交通-trans單元的高功率密度、高可靠性和長(zhǎng)使用壽命的要求，由于接觸元件驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)低，因此需要平衡組件技術(shù)。當(dāng)大量能量在受限流動(dòng)時(shí)，不正確的軌道設(shè)計(jì)將導(dǎo)致高壓設(shè)備過(guò)渡期間出現(xiàn)峰值電壓和不穩(wěn)定軌道，從而損壞組件和EMI轉(zhuǎn)換器，并增加外圍設(shè)備成本等。轉(zhuǎn)換能量流的特性以及定律IGBT能量路徑在傳輸過(guò)程中的交換是通過(guò)減少項(xiàng)目嚴(yán)格控制的，使用可能的對(duì)稱(chēng)線路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換控制來(lái)控制能量路徑距離并可以進(jìn)行設(shè)置分析，從而最大限度利用能量流坑并增加能量流坑的數(shù)量。轉(zhuǎn)換設(shè)備檢測(cè)可以利用時(shí)分的路徑重用以及交互路徑交換能量流的規(guī)律。主要電氣設(shè)備的交叉溫度隨使用條件而變化，如列車(chē)軌道交通的速度和負(fù)載，并且工作結(jié)溫高低、波動(dòng)范圍及頻次和跨功能壽命等都是影響變化的主要因素。熱容量，耐熱性，空氣阻力根據(jù)轉(zhuǎn)換器損耗的實(shí)時(shí)計(jì)算，都可以通過(guò)調(diào)節(jié)散熱器的熒光量和工作條件下的散熱條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)環(huán)境的外部條件發(fā)生變化時(shí)，最佳控制可提高高壓設(shè)備的可靠性和使用壽命[3]。

4 軌道交通用功率半導(dǎo)體傳統(tǒng)風(fēng)冷和水冷散熱器技術(shù)應(yīng)用

為大功率轉(zhuǎn)換器組件選擇合適的冷卻技術(shù)并設(shè)計(jì)合適的散熱器，是確保轉(zhuǎn)換器組件可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)前，軌道交通區(qū)域中適用于電流轉(zhuǎn)換器的冷卻技術(shù)主要包括常規(guī)水冷卻器，冷卻散熱器和零件更換冷卻技術(shù)。冷卻的散熱器通常由一塊板和散熱片組成，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工步驟少、重量輕、價(jià)格便宜，但其散熱效果不佳。通常用于低熱通量密度3W/cm2?4W/cm2或需要成本的熱污染場(chǎng)景，如工業(yè)傳動(dòng)、風(fēng)電、光伏、軌道交通輔助變流器等。測(cè)試結(jié)果表明，采用這種新設(shè)計(jì)后，散熱器擋泥板的熱阻可降低10%以上。其是由包括水冷散熱器主板蓋，水芯片連接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、對(duì)流傳熱系數(shù)高、散熱量大、散熱效果好等優(yōu)點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，需要額外的水冷卻系統(tǒng)，并且成本相對(duì)較高。因此，通常用于磁通密度為6W/cm2?20W/cm2的散熱場(chǎng)景中，如用于主要機(jī)車(chē)的主變流器模塊和主要變壓器模塊EMU?？梢猿浞珠_(kāi)發(fā)出穩(wěn)定的水冷卻散熱技術(shù)，并可以?xún)?yōu)化鐵芯的熱交換，以提高散熱能力。測(cè)試結(jié)果表明，使用新型核心換熱器，更通用的風(fēng)道設(shè)計(jì)可以將傳熱效率提高20%以上。

5 軌道交通用功率半導(dǎo)體電磁兼容技術(shù)應(yīng)用

高頻技術(shù)是大功率轉(zhuǎn)換器發(fā)展的重要趨勢(shì)，而且其影響越來(lái)越重要。這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：通過(guò)長(zhǎng)電纜連接變頻器和電機(jī)時(shí)，由于電機(jī)部分中產(chǎn)生的過(guò)電壓和du/dt，電機(jī)繞組的絕緣壓力會(huì)增加。PWM修改過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高頻共模電壓，而高極電壓會(huì)產(chǎn)生由汽車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)的頻率模式電路控制的載流子，這就意味著對(duì)電動(dòng)機(jī)軸承的損壞更少。電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)速度會(huì)引起強(qiáng)烈的電磁干擾，并會(huì)由于輻射和布線而導(dǎo)致故障，從而干擾其他控制系統(tǒng)和電子設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著SiC組件的高功率特性逐漸成熟，軌道交通區(qū)域中的轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率從初始范圍的300Hz～500Hz增加到1kHz以上，du/dt由2 000V/μs～4 000V/μs上升至6 000V/μs～10 000V/μs。當(dāng)采用15m長(zhǎng)電機(jī)線纜，模塊輸出側(cè)du/dt為6kV/μs時(shí)，電機(jī)側(cè)du/dt可達(dá)10kV/μs，過(guò)電壓現(xiàn)象可達(dá)當(dāng)前產(chǎn)品的1.6～1.7倍。

可以通過(guò)兩種方式控制由頻率趨勢(shì)引起的不必要的響應(yīng)：旨在提高對(duì)控制系統(tǒng)和電子元件干擾的抵抗力，并為電動(dòng)機(jī)和軸承提供足夠的絕緣保護(hù)?？紤]添加一個(gè)高通濾波器和一個(gè)du/dtt濾波器，以減少標(biāo)準(zhǔn)噪聲并降低du/dt電平。因?yàn)榇罅康脑O(shè)計(jì)成本會(huì)導(dǎo)致數(shù)量和重量增加，因此必須正確地為系統(tǒng)分配技術(shù)指標(biāo)，優(yōu)化項(xiàng)目能力并平衡技術(shù)和成本[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

硅器件的迭代優(yōu)化和寬帶間歇半導(dǎo)體模塊的開(kāi)發(fā)，正在推動(dòng)大功率變壓器應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。由于半導(dǎo)體芯片材料、工藝技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體方面改進(jìn)了模塊化涂層技術(shù)，如提高了芯片之間的低電感和可靠的芯片散熱功率。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)軌道交通維護(hù)并實(shí)施了功率轉(zhuǎn)換器單元，滿足對(duì)芯片輕便性和高效率的要求，并改善了系統(tǒng)組件集成技術(shù)，冷卻技術(shù)和冷卻能力以及EMC設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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