軌道交通用功率半導體器件應用技術研究

曹志芳

摘 要：功率半導體技術是發展大功率逆變器技術的主要技術。隨著現有的基于硅的功率半導體器件的不斷迭代優化，以及用于制造寬帶半導體器件的新材料的工藝逐步成熟，其為軌道交通資源產業的持續發展作出了貢獻，文章集中于功率半導體芯片技術，包括對模塊封裝組件進行了分析，主要分析了當前各種應用技術的最新發展，如冷卻和散熱、電磁兼容性等，以及能量轉換效率和高可靠性。

關鍵詞：軌道交通;功率半導體器件;應用技術

中圖分類號：U270.38 文獻標識碼：A 文章編號：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的飛速發展正在加速中國軌道交通產業的飛躍。到2019年底，我國鐵路總長度為13.9萬km，建成了世界上第一條里程數達3.5萬km的鐵路。當前，我國成為軌道交通傳輸密度最高，網絡狀況世界上最困難的國家。根據復雜而高性能的工作環境，我國對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體硅基芯片技術應用

通過過去30年的不斷發展，硅裸片的單元尺寸穩步減小，裸片厚度穩步減小，并且性能參數已逐步優化。以英飛凌為例，其成功推出了第七代IGBT產品，該產品具有高電流密度、低功耗、高可靠性，以及將從125℃升高到175℃并向200℃發展。開發人員基于硅半導體芯片也開發了許多新材料，而且新工藝和新結構技術仍在創造中，此過程使用了許多先進技術，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，達到亞微米級別。而且溝槽門設計技術也在不斷改進，細顆粒溝槽門和麥克風門技術正在行業中引入。與原始凹槽相比，利用帶有用于主柵極的凹槽的復合凹槽之后，滑差電導電壓的滑差減少了20%，電流密度增加了30%以上。微切割網格技術提高了溝槽中的溝道密度，經過精心設計，優化了晶體單元的寄生電容參數，獲得了最佳的校正性能[1]。另外，當使用過電流方法時，IGBT元件的導通電壓和偏置電壓之間的限制關系被破壞，這可以顯著降低裝置功耗。為了減少過程問題，相關人員已經提出了各種“準交叉”結構來實現性能和過程之間的折中。就結構而言，該二極管集成在IGBT芯片中，與IGBT提供相反的性能，從而消除了對反并聯二極管的需求。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（SOA）和嵌入式PTC二極管等優點。熱阻具有熱電穩定性優點，其比分立二極管芯片價格低，二極管電容是相同尺寸模塊的兩倍，并且具有出色的開關特性，國產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體低感母排技術應用

由于設備開關頻率的提高，對于高DV/dt和高di/dt模塊，功率半導體是一個嚴重的寄生指標問題。在相同的封裝形狀下，di/dt越高，在相同的寄生電感下，會導致該設備可以承受的壓力和EMI引起的噪聲更高。因此，開發低寄生電感的封裝技術或封裝形式，是模塊封裝技術發展的關鍵。在使用3 300V?6 500V電壓電平模塊的區域，應該采用多層總線設計方法來減少機箱模塊的寄生電感。如圖2所示，其布置為DC+母線和DC母線堆。相反，環路感應模塊降低了用于高頻移動模塊的高寄生電感[2]。

3 軌道交通用功率半導體組件集成技術應用

橋接電路的結構包括用于連接電源的多層總線和集成控制單元的節能直流電容器，模擬采樣傳感器以及與其他構成變壓器鐵芯的其他組件組合的多個半導體電源。其中，包裝中電子產品的形狀兼容性以及低頻感應總線技術的損耗和擴散，是設計電氣組件都是要考慮的主要因素。轉換器具有出色的功率和高集成度，這是具有機械、電氣和熱耦合功能的典型混合動力系統。為了滿足軌道交通-trans單元的高功率密度、高可靠性和長使用壽命的要求，由于接觸元件驅動的感應低，因此需要平衡組件技術。當大量能量在受限流動時，不正確的軌道設計將導致高壓設備過渡期間出現峰值電壓和不穩定軌道，從而損壞組件和EMI轉換器，并增加外圍設備成本等。轉換能量流的特性以及定律IGBT能量路徑在傳輸過程中的交換是通過減少項目嚴格控制的，使用可能的對稱線路設計轉換控制來控制能量路徑距離并可以進行設置分析，從而最大限度利用能量流坑并增加能量流坑的數量。轉換設備檢測可以利用時分的路徑重用以及交互路徑交換能量流的規律。主要電氣設備的交叉溫度隨使用條件而變化，如列車軌道交通的速度和負載，并且工作結溫高低、波動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，空氣阻力根據轉換器損耗的實時計算，都可以通過調節散熱器的熒光量和工作條件下的散熱條件來實現。當環境的外部條件發生變化時，最佳控制可提高高壓設備的可靠性和使用壽命[3]。

4 軌道交通用功率半導體傳統風冷和水冷散熱器技術應用

為大功率轉換器組件選擇合適的冷卻技術并設計合適的散熱器，是確保轉換器組件可靠運行的關鍵。當前，軌道交通區域中適用于電流轉換器的冷卻技術主要包括常規水冷卻器，冷卻散熱器和零件更換冷卻技術。冷卻的散熱器通常由一塊板和散熱片組成，其優點是結構簡單、加工步驟少、重量輕、價格便宜，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景，如工業傳動、風電、光伏、軌道交通輔助變流器等。測試結果表明，采用這種新設計后，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，具有結構緊湊、尺寸小、對流傳熱系數高、散熱量大、散熱效果好等優點。但是其缺點是存在泄漏風險，需要額外的水冷卻系統，并且成本相對較高。因此，通常用于磁通密度為6W/cm2?20W/cm2的散熱場景中，如用于主要機車的主變流器模塊和主要變壓器模塊EMU。可以充分開發出穩定的水冷卻散熱技術，并可以優化鐵芯的熱交換，以提高散熱能力。測試結果表明，使用新型核心換熱器，更通用的風道設計可以將傳熱效率提高20%以上。

5 軌道交通用功率半導體電磁兼容技術應用

高頻技術是大功率轉換器發展的重要趨勢，而且其影響越來越重要。這主要體現在三個方面：通過長電纜連接變頻器和電機時，由于電機部分中產生的過電壓和du/dt，電機繞組的絕緣壓力會增加。PWM修改過程會產生高頻共模電壓，而高極電壓會產生由汽車運輸系統的頻率模式電路控制的載流子，這就意味著對電動機軸承的損壞更少。電子設備的開關速度會引起強烈的電磁干擾，并會由于輻射和布線而導致故障，從而干擾其他控制系統和電子設備的正常運行。隨著SiC組件的高功率特性逐漸成熟，軌道交通區域中的轉換器開關頻率從初始范圍的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。當采用15m長電機線纜，模塊輸出側du/dt為6kV/μs時，電機側du/dt可達10kV/μs，過電壓現象可達當前產品的1.6～1.7倍。

可以通過兩種方式控制由頻率趨勢引起的不必要的響應：旨在提高對控制系統和電子元件干擾的抵抗力，并為電動機和軸承提供足夠的絕緣保護。考慮添加一個高通濾波器和一個du/dtt濾波器，以減少標準噪聲并降低du/dt電平。因為大量的設計成本會導致數量和重量增加，因此必須正確地為系統分配技術指標，優化項目能力并平衡技術和成本[4]。

6 結語

硅器件的迭代優化和寬帶間歇半導體模塊的開發，正在推動大功率變壓器應用的進一步發展。由于半導體芯片材料、工藝技術和結構技術的飛速發展，半導體方面改進了模塊化涂層技術，如提高了芯片之間的低電感和可靠的芯片散熱功率。中國汽車工業軌道交通維護并實施了功率轉換器單元，滿足對芯片輕便性和高效率的要求，并改善了系統組件集成技術，冷卻技術和冷卻能力以及EMC設計。

參考文獻

[1] 漆宇，竇澤春，丁榮軍.軌道交通用功率半導體器件應用技術的研究[J].機車電傳動，2020（1）：1-8.

[2] 趙炫，蔣棟，劉自程，等.SiC功率器件在軌道交通行業中的應用[J].機車電傳動，2020（1）：38-44.

[3] 朱曉蓉.軌道車廂用半導體照明系統的關鍵技術的思考[J].科技創新導報，2011（15）：64.

[4] 米畑讓，易厚梅.功率半導體器件與電氣化鐵路的地面設備[J].變流技術與電力牽引，2003（3）：17-20.