轨道交通用功率半导体器件应用技术研究

曹志芳

摘 要：功率半导体技术是发展大功率逆变器技术的主要技术。随着现有的基于硅的功率半导体器件的不断迭代优化，以及用于制造宽带半导体器件的新材料的工艺逐步成熟，其为轨道交通资源产业的持续发展作出了贡献，文章集中于功率半导体芯片技术，包括对模块封装组件进行了分析，主要分析了当前各种应用技术的最新发展，如冷却和散热、电磁兼容性等，以及能量转换效率和高可靠性。

关键词：轨道交通;功率半导体器件;应用技术

中图分类号：U270.38 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）04-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.001

大功率逆变器牵引技术的飞速发展正在加速中国轨道交通产业的飞跃。到2019年底，我国铁路总长度为13.9万km，建成了世界上第一条里程数达3.5万km的铁路。当前，我国成为轨道交通传输密度最高，网络状况世界上最困难的国家。根据复杂而高性能的工作环境，我国对轨道交通牵引装备的要求将逐渐提高。

1 轨道交通用功率半导体硅基芯片技术应用

通过过去30年的不断发展，硅裸片的单元尺寸稳步减小，裸片厚度稳步减小，并且性能参数已逐步优化。以英飞凌为例，其成功推出了第七代IGBT产品，该产品具有高电流密度、低功耗、高可靠性，以及将从125℃升高到175℃并向200℃发展。开发人员基于硅半导体芯片也开发了许多新材料，而且新工艺和新结构技术仍在创造中，此过程使用了许多先进技术，包括离子注入和微光刻。IGBT微电路制造工艺特征的最小尺寸从5μm更改为3μm，然后再到1μm，达到亚微米级别。而且沟槽门设计技术也在不断改进，细颗粒沟槽门和麦克风门技术正在行业中引入。与原始凹槽相比，利用带有用于主栅极的凹槽的复合凹槽之后，滑差电导电压的滑差减少了20%，电流密度增加了30%以上。微切割网格技术提高了沟槽中的沟道密度，经过精心设计，优化了晶体单元的寄生电容参数，获得了最佳的校正性能[1]。另外，当使用过电流方法时，IGBT元件的导通电压和偏置电压之间的限制关系被破坏，这可以显著降低装置功耗。为了减少过程问题，相关人员已经提出了各种“准交叉”结构来实现性能和过程之间的折中。就结构而言，该二极管集成在IGBT芯片中，与IGBT提供相反的性能，从而消除了对反并联二极管的需求。相同的封装尺寸下其功率密度提高了33%，大大降低单位制造成本，并具有低损耗、高效的安全操作系统（SOA）和嵌入式PTC二极管等优点。热阻具有热电稳定性优点，其比分立二极管芯片价格低，二极管电容是相同尺寸模块的两倍，并且具有出色的开关特性，国产轨道交通控制芯片示意图如图1所示。

2 轨道交通用功率半导体低感母排技术应用

由于设备开关频率的提高，对于高DV/dt和高di/dt模块，功率半导体是一个严重的寄生指标问题。在相同的封装形状下，di/dt越高，在相同的寄生电感下，会导致该设备可以承受的压力和EMI引起的噪声更高。因此，开发低寄生电感的封装技术或封装形式，是模块封装技术发展的关键。在使用3 300V〜6 500V电压电平模块的区域，应该采用多层总线设计方法来减少机箱模块的寄生电感。如图2所示，其布置为DC+母线和DC母线堆。相反，环路感应模块降低了用于高频移动模块的高寄生电感[2]。

3 轨道交通用功率半导体组件集成技术应用

桥接电路的结构包括用于连接电源的多层总线和集成控制单元的节能直流电容器，模拟采样传感器以及与其他构成变压器铁芯的其他组件组合的多个半导体电源。其中，包装中电子产品的形状兼容性以及低频感应总线技术的损耗和扩散，是设计电气组件都是要考虑的主要因素。转换器具有出色的功率和高集成度，这是具有机械、电气和热耦合功能的典型混合动力系统。为了满足轨道交通-trans单元的高功率密度、高可靠性和长使用寿命的要求，由于接触元件驱动的感应低，因此需要平衡组件技术。当大量能量在受限流动时，不正确的轨道设计将导致高压设备过渡期间出现峰值电压和不稳定轨道，从而损坏组件和EMI转换器，并增加外围设备成本等。转换能量流的特性以及定律IGBT能量路径在传输过程中的交换是通过减少项目严格控制的，使用可能的对称线路设计转换控制来控制能量路径距离并可以进行设置分析，从而最大限度利用能量流坑并增加能量流坑的数量。转换设备检测可以利用时分的路径重用以及交互路径交换能量流的规律。主要电气设备的交叉温度随使用条件而变化，如列车轨道交通的速度和负载，并且工作结温高低、波动范围及频次和跨功能寿命等都是影响变化的主要因素。热容量，耐热性，空气阻力根据转换器损耗的实时计算，都可以通过调节散热器的荧光量和工作条件下的散热条件来实现。当环境的外部条件发生变化时，最佳控制可提高高压设备的可靠性和使用寿命[3]。

4 轨道交通用功率半导体传统风冷和水冷散热器技术应用

为大功率轉换器组件选择合适的冷却技术并设计合适的散热器，是确保转换器组件可靠运行的关键。当前，轨道交通区域中适用于电流转换器的冷却技术主要包括常规水冷却器，冷却散热器和零件更换冷却技术。冷却的散热器通常由一块板和散热片组成，其优点是结构简单、加工步骤少、重量轻、价格便宜，但其散热效果不佳。通常用于低热通量密度3W/cm2〜4W/cm2或需要成本的热污染场景，如工业传动、风电、光伏、轨道交通辅助变流器等。测试结果表明，采用这种新设计后，散热器挡泥板的热阻可降低10%以上。其是由包括水冷散热器主板盖，水芯片连接，具有结构紧凑、尺寸小、对流传热系数高、散热量大、散热效果好等优点。但是其缺点是存在泄漏风险，需要额外的水冷却系统，并且成本相对较高。因此，通常用于磁通密度为6W/cm2〜20W/cm2的散热场景中，如用于主要机车的主变流器模块和主要变压器模块EMU。可以充分开发出稳定的水冷却散热技术，并可以优化铁芯的热交换，以提高散热能力。测试结果表明，使用新型核心换热器，更通用的风道设计可以将传热效率提高20%以上。

5 轨道交通用功率半导体电磁兼容技术应用

高频技术是大功率转换器发展的重要趋势，而且其影响越来越重要。这主要体现在三个方面：通过长电缆连接变频器和电机时，由于电机部分中产生的过电压和du/dt，电机绕组的绝缘压力会增加。PWM修改过程会产生高频共模电压，而高极电压会产生由汽车运输系统的频率模式电路控制的载流子，这就意味着对电动机轴承的损坏更少。电子设备的开关速度会引起强烈的电磁干扰，并会由于辐射和布线而导致故障，从而干扰其他控制系统和电子设备的正常运行。随着SiC组件的高功率特性逐渐成熟，轨道交通区域中的转换器开关频率从初始范围的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。当采用15m长电机线缆，模块输出侧du/dt为6kV/μs时，电机侧du/dt可达10kV/μs，过电压现象可达当前产品的1.6～1.7倍。

可以通过两种方式控制由频率趋势引起的不必要的响应：旨在提高对控制系统和电子元件干扰的抵抗力，并为电动机和轴承提供足够的绝缘保护。考虑添加一个高通滤波器和一个du/dtt滤波器，以减少标准噪声并降低du/dt电平。因为大量的设计成本会导致数量和重量增加，因此必须正确地为系统分配技术指标，优化項目能力并平衡技术和成本[4]。

6 结语

硅器件的迭代优化和宽带间歇半导体模块的开发，正在推动大功率变压器应用的进一步发展。由于半导体芯片材料、工艺技术和结构技术的飞速发展，半导体方面改进了模块化涂层技术，如提高了芯片之间的低电感和可靠的芯片散热功率。中国汽车工业轨道交通维护并实施了功率转换器单元，满足对芯片轻便性和高效率的要求，并改善了系统组件集成技术，冷却技术和冷却能力以及EMC设计。

参考文献

[1] 漆宇，窦泽春，丁荣军.轨道交通用功率半导体器件应用技术的研究[J].机车电传动，2020（1）：1-8.

[2] 赵炫，蒋栋，刘自程，等.SiC功率器件在轨道交通行业中的应用[J].机车电传动，2020（1）：38-44.

[3] 朱晓蓉.轨道车厢用半导体照明系统的关键技术的思考[J].科技创新导报，2011（15）：64.

[4] 米畑让，易厚梅.功率半导体器件与电气化铁路的地面设备[J].变流技术与电力牵引，2003（3）：17-20.