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        軌道交通用功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用技術(shù)研究

        2021-09-10 07:22:44曹志芳
        科技尚品 2021年4期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)用技術(shù)軌道交通

        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km,建成了世界上第一條里程數(shù)達(dá)3.5萬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

        通過過去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。開發(fā)人員基于硅半導(dǎo)體芯片也開發(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。而且溝槽門設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷改進(jìn),細(xì)顆粒溝槽門和麥克風(fēng)門技術(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。為了減少過程問題,相關(guān)人員已經(jīng)提出了各種“準(zhǔn)交叉”結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)性能和過程之間的折中。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)定性優(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能量路徑在傳輸過程中的交換是通過減少項(xiàng)目嚴(yán)格控制的,使用可能的對(duì)稱線路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換控制來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,都可以通過調(diào)節(jié)散熱器的熒光量和工作條件下的散熱條件來實(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)車的主變流器模塊和主要變壓器模塊EMU??梢猿浞珠_發(fā)出穩(wěn)定的水冷卻散熱技術(shù),并可以優(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),而且其影響越來越重要。這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:通過長(zhǎng)電纜連接變頻器和電機(jī)時(shí),由于電機(jī)部分中產(chǎn)生的過電壓和du/dt,電機(jī)繞組的絕緣壓力會(huì)增加。PWM修改過程會(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,過電壓現(xiàn)象可達(dá)當(dāng)前產(chǎn)品的1.6~1.7倍。

        可以通過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

        硅器件的迭代優(yōu)化和寬帶間歇半導(dǎo)體模塊的開發(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)

        [1] 漆宇,竇澤春,丁榮軍.軌道交通用功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用技術(shù)的研究[J].機(jī)車電傳動(dòng),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(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動(dòng),2020(1):38-44.

        [3] 朱曉蓉.軌道車廂用半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的思考[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011(15):64.

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

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