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用于轨道牵引系统的高功率SiC器件的研究开发

来源: 宽禁带半导体技术联盟

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

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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。

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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

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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。

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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。

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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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图6:IGBT和全SiC的功率损耗

图6是低开关频率和高开关频率(fsw)下1200 V / 100 A Si IGBT和全SiC MOSFET模块之间功率损耗的比较。在fsw等于5 kHz时,全SiC模块的功耗比IGBT降低45%,并且fsw增加到20 kHz时功耗降低73%。

SiC功率器件的发展及其在铁路运输中的应用

(1)SiC器件的设计和检测

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图7:SiC MOSFET设计与模拟

图7(a)是结构设计,图7(b)显示出了SiC MOSFET在端接区域的横截面的电场分布的模拟。由于栅极氧化物是SiC器件可靠性的急需解决的关键问题,因此在SiC中的栅极氧化物的工艺优化以改善这种层的退化问题。如图7(c)所示,通过不同的退火处理减少Dit。图7(d)是跨越SiC MOSFET单元深度的注入离子密度的分布。

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图8:(a) 1700V/200A SiC-SBD; (b) 3300V/50A SiC-SBD; (c) 1200V/20A SiC-MOSFET;  (d) 3300V/40A SiC-MOSFET

图8显示了四种典型类型的SiC晶片,图8(a)是1700V / 200A SBD晶片,图8(b)是3300V/50A SBD晶片,图8(c)是 1200V / 20A MOSFET晶片,图8(d)是3300V / 40A MOSFET晶片。如图所示,SBD器件的SiC晶片使用率要高得多,而MOSFET器件的使用率则相当低。这也反映出SiC MOSFET的工艺尚未完全发展,需要进一步开发以改善质量和工艺控制。由于SiC芯片具有更高的开关频率和更高的工作温度,因此需要针对这两个问题优化模块的设计。

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图9:工业标准130×140mm大功率SiC模块:(a)设计模型; (b)电热模拟

图9(a)显示了具有低杂散电感的全SiC功率模块的新设计模型,其小于20nH。SiC芯片的高工作温度需要良好的热钝化从而减少对封装材料和芯片的热应力。图9(b)显示了所设计的全SiC模块的低热阻抗的FEM模拟结果,结果表明从结到壳体的热阻小于50K / kW。

二极管的性能对于反向导电功率模块中的功率开关(IGBT)非常重要,并且SiC SBD的优点将有利于具有Si IGBT的混合SiC功率模块的整体性能。

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图10:SiC功率模块:(a)1700V / 1600A混合SiC模块; (b)3300V / 500A混合SiC模块; (c)3300 V/ 500A混合模块接通特性; (d)静态特性。

集成有SiC SBD的Si IGBT的混合功率模块如图10所示。图10(c)显示了3300V / 500A混合SiC功率模块的接通特性。由于低电感功率模块设计,其过电压非常低。室温和高温下Si模块和混合SiC模块之间静态特性的比较如图10(d)所示,混合SiC模块在两个温度下都呈现低导通电压。

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图11:全SiC功率模块:(a)1200V / 200A全SiC模块; (b)3300V / 500A全SiC模块

随着制造技术和工艺的不断改进,SiC MOSFET的质量得到显著提高。人们开始生产全SiC模块来显示出SiC器件的真正优势。图11显示了在这项工作中开发的两种全SiC功率模块。图11(a)显示了具有1200V / 200A的低功率模块。图11(b)显示了具有半桥配置的3.3 kV / 500A全SiC功率模块。采用成熟的材料和工艺来对传统的功率模块外壳进行。在每个开关位置安装16对SiC MOSFET(3300 V,40mΩ)和SiC SBD。母线和基板布局设计用于低寄生电感,以最大限度地减少电压过冲。

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图12:SiC功率模块的静态测试。 (a)IDS-VDS和(b)IDS-VGSSiC模块在不同温度下的曲线

I-V曲线如图12(a)所示。SiC MOSFET模块的导通电阻具有正温度系数。在栅极电压为20V时,RDS(on)从-40°C的1.67mΩ 增加到150°C的6.39mΩ,这是由体迁移率的变化引起的。这将有益于系统中并联模块之间的DC电流共享。由于增加的电阻会导致温度较高模块上的电流减少。线性区域外推(ELR)方法用于获得MOSFET阈值电压(Vth)。如图12(b)所示,观察到Vth的负偏移,温度范围为-40至150℃,Vth变化为-2.4V,温度系数为-13mV / K。这使得并联模块之间的动态电流共享成为挑战。具有较低Vth的模块将提前开启并且比其他模块更晚关闭,这导致过度动态电流导致温度升高。降低的Vth会使性能变差,最终导致热失控。为了防止这种问题,提高开关速度可能会有所帮助,同时电压尖峰会在关闭期间增加。还可以利用栅极驱动器设计,Vth参数筛选,散热器优化的来防止此类问题发生。

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图13:双脉冲测试电路

模块的动态测试通过标准的双脉冲测试来完成,原理图如图13所示。MOSFET上部开关设置为-5V,以在切换期间保持关断状态。下部MOSFET由栅极驱动器控制,范围为-5V至20V,栅极电阻为10Ω。双脉冲测试在1500 V的直流电压和500 A电流下通过模块的下部进行,负载电感为200 μH。

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图14:双脉冲测试结果:25℃和150℃下的(a)打开和(b)关闭的波形。

图14显示了模块在25°C和150°C时的动态波形。波形与电压开始变化的时间对齐。如图14(a)所示,当导通速度加快时,电流过冲较大。虽然如图14(b)所示,关闭速度在150℃时不会受到很大影响。25°C和150°C的导通/关断能量分别为0.41J / 0.39J和0.39J / 0.42J,总开关损耗为|0.8| J不变。这表明SiC模块的高温环境中工作具有很明显的优势。

(2)SiC功率器件在铁路运输中的应用

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图15:混合SiC在铁路运输中的应用:(a)功率转换器; (b)TCG500D33G混合动力堆; (c)3300 V混合SiC功率模块

目前,由于全SiC器件一直处于商用初期阶段,因此铁路运输中的实际应用主要采用混合SiC功率模块。图15显示了CRRC混合SiC模块在铁路运输中的应用。图15(a)显示了功率转换器的总体设计;图15(b)显示了混合动力堆设计;图15(c)显示了具有8个SiC模块的模块矩阵,其通过空气冷却系统提供600kW的功率密度。与使用Si器件系统相比,SiC系统提供了更高的性能,因为功率损耗降低了30%,功率容量提高了50%,同时显示出低温升。

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表1:Si转换器与SiC转换器的比较

SiC转换器的优点不仅是在电学性能上,还在于为物理性能上也具有很大的优点。根据表1,与Si转换器相比,SiC转换器在重量和尺寸方面降低了四分之一,同时其功率密度增加了四分之一,并且可以在较低的空气速度用于冷却系统。

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图16:应用于地铁系统的CRRC混合SiC模块:(a)SiC功率转换器 (b)SiC转换器的测试程序平台

如图16所示为用于中国昆明的地铁系统的1600A / 1.7kV混合SiC模块。图16(a)显示了开发的混合SiC功率转换器,图16(b)是 补充测试软件。下一代牵引系统需要更小的尺寸和更轻的重量,更高的效率,更高的功率密度,更高的温度处理能力和更高的开关频率。而全SiC器件是满足这些要求的关键。

在铁路运输中SiC潜在的另一个重要的应用是电力电子变压器或固态变压器。

随着电力电子技术的快速发展,尤其是功率半导体器件(PSD)的发展,PSD在电网中的应用以及用于发电,传输和转换的牵引输送正变得不可或缺。柔性交流输电系统(FACTS)和固态变电站等电力系统是PSD的主要创新应用。牵引运输中更可靠的PSD的安全要求远高于其他应用,是关键的研究课题。作为下一代PSD,SiC功率器件将在电网和牵引传输应用中创造更多机会,以提供更高的效率和更好的可靠性性能。

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图17:SST的潜在应用

在电网应用方面,迫切需要在固态变电站等电力系统中应用SiC器件,其中关键部件是固态变压器(SST),如图17所示。根据2010年麻省理工学院的技术评估,SST被列为十大最新兴技术之一,它在未来的配电系统中具有巨大的潜力和重要性。然而,由于开关电压非常高,常见的Si-IGBT功率模块在高压和高频操作中面临着简单的两电平或三电平转换器的挑战。为了实现高压操作,采用低压电源模块串联,但导致了高固有电压,这可能损坏器件。研究人员发现虽然SST可以实现,但其性能远远达不到传统的变压器。SiC器件在这种情况下则显示出良好的潜力,因为它们可以在缩小尺寸的基础上,满足在高频和高温条件下工作的要求。由于具有导通电阻的正温度系数的优点,为了满足不同应用的要求,可以实现SiC MOSFET的并联连接以满足高功率要求。

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