亚博手机版怎么下载|用于轨道牵引系统高功率SiC器件的研究开发

本文摘要:用作铁路机车系统的大功率SiC装置研发基于Si的电力装置已经被广泛用作电力火车和车辆,但业界迫切需要具有更小尺寸和更高性能的电力转换器。

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用作铁路机车系统的大功率SiC装置研发基于Si的电力装置已经被广泛用作电力火车和车辆,但业界迫切需要具有更小尺寸和更高性能的电力转换器。(威廉莎士比亚,Northern Exposure(美国电视连续剧),)为了满足这些市场需求,SiC电力芯片和模块等宽带差距(WBG)部件被研究成机车系统。目前,地铁系统已用于1.7kV混合SiC电源模块,整个SiC3.3kV电源模块已顺利进行。本文从组件、模块和应用的角度对混合SiC和整个SiC电源模块的发展进行了说明。

重点介绍了大功率SiC模块在机车变流器中的应用和挑战,以及CRRC开发的SiC设备。描述了40A/3.3kVSiCMOSFET芯片的设计和建模,并在设计和过程阶段进行了优化。

500A/3.3kV全SiC电源模块设计具有低杂散电感,通过扩展有限元分析(FEA)电热模拟优化热阻。将IGBT模块与全SiC功率MOSFET模块混合在一起,由CRRC制作和测试。电气测试结果显示,在危险的工作条件下,SiC组件的性能和效率比传统的硅基IGBT模块更高。根据SiC的优点,可以构建更小的尺寸、更重的机车系统重量、更高的工作频率、功率密度和更高的效率。

特别分析了PCB技术中SiC部件存在的问题。PCB材料的热性能对SiC基本模块的可靠性至关重要。讨论了SiC元件的未来应用,SiC元件用电力、电子变压器等新应用对新一代机车系统具有很大的潜力。

铁路交通的电力半导体装置图1:轨道电力机车系统的电力电子系统图1显示了轨道AC-DC-AC (AC-DC-AC)。电力电子系统不使用不同类型的电力部件。

对于主和辅助逆变器,主变压器将架空线路的功率从25KV (17KV-32KV)的高电压降低到低水平。主逆变器的输入是驱动系统输出功率,辅助逆变器向空调系统和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核心部件。

高压电源模块主要用作主逆变器,可以处置高功率,必须在险恶的条件下工作,具有低功率频率和变化的阻抗曲线。从列车应用的角度来看,对具有更高电压和更高电流处理能力的电源模块的市场需求不大,可以提高切换效率和增加系统尺寸。

如果对功率转换的拒绝相同,模块可以处理的功率越大,与电路和手动组件相关的尺寸就越小,因此整个系统可能会变得更小、更轻,这对整个列车的性能起着最重要的作用。(威廉莎士比亚,Northern Exposure(美国电视连续剧),电力名言)图2:用作铁路运输的高功率SiIGBT模块图2显示了用作轨道机车系统的动力装置的电力密度发展趋势。目前,地铁/地下等城市轨道交通使用1.7kV ~ 3.3KV的IGBT模块,货运和高速铁路运输适用于使用3.3KV ~ 6.5kV的高压模块。

但是,铁路运输系统再次出现险恶环境时,基于Si的高功率模块不会经常出现高温冲击、极端热器变形、频率高的电压和电流峰值、不同气候和地质条件引起的不适当加热等问题。因此,SiC部件的长金带半导体电力装置应运而生。高功率Si设备和SiC设备图3: (a)列车驱动系统、功率二极管、(b)晶闸管和GOT、(c)IGBT(d)SiCMOSFET使用的功率半导体设备图3显示了主要类型的功率模块,如基于Si的功率二极管、晶闸管图3(a)和(B)右侧的压力电源模块主要用于HVDC和FACTS,电流密度低,双侧加热,无爆炸,无键导线可靠性好。

但是,高PCB成本和缺乏绝缘散热器是这种PCB技术的主要缺点。图3(c)和(D)右侧的现有模块PCB技术在机车系统中更受欢迎,在模块PCB上使用设计良好的流程,可以在保持成本低的同时提高电力处理能力和可靠性。

SiC部件在轨道运输方面有很大潜力,SiC材料的带隙和导电亲和率低3倍,阻断电压低10倍,电子饱和速度低2倍。因此,SiC装置可以制止更高的电压,在更高的功率频率和高温下工作,力学系统可能会造成更低的损失。

SiC部件对辅助冷却系统和手动组件的拒绝较低,因此SiC设备可以增加电力系统的大小,提高列车电力系统的效率。图4: SiC和Si基础设备的动态和损失特性的性能优于图4右侧,SiC部件的动态性能优于传统SI电源设备。IGBT的Si二极管的完全恢复电流作用于图4(a)右侧的1d虚线圆的过流,显示电源上的巨大损失。

通过SiC-MOSFET和SBD的缓慢完全恢复功能,大大减少了连接过程中的损失。图4(b)显示IGBT的尾电流是由部件结构引起的,交换机损失很大。

但是,SiCMOSFET变频器中没有明显的尾电流,开关损耗很小,在这种情况下,Eoff比IGBT减少了88%。IGBT的另一个最重要缺点是尾电流和过电流都随着温度的增加而减少,而SiC具有更好的温度特性,如图5右图所示。图5: SiC和Si基础设备的温度依赖图5显示了不同温度下SiC和SI基础设备的开关损失。由于IGBT的阈值电压,MOSFET在低电流区域指示低Vds。

特性曲线表明SiC的传导电阻比Si设备有很大的变化。一般来说,SiC在低温和高温下表现出较低的传导阻力。

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