SiC混合IGBT器件应用研究

Si C功率器件具有高频、高效率、高功率、耐高温、抗辐射等优点。文章介绍了目前Si C功率器件应用情况,阐述了Si C pn结肖特基势垒(JBS)、Si C-MOSFET以及Si C混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V Si C混合IGBT的可编程驱动技术;最后简述了Si C模块功率试验情况。     

基于全碳化硅器件的辅助变流器设计及试验验证

辅助变流器是导轨电车上的重要电源设备,为全车提供380 V交流电和24 V直流电源。目前辅助变流器普遍采用基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块进行设计,其体积大、开关频率低、功率密度小,无法满足当前导轨电车辅助变流器小型化、轻量化的设计需求。采用新型SiC(碳化硅)MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)功率器件代替IGBT进行系统设计,以提高系统开关频率,优化设计外围无源器件,同时利用新型箝位电路抑制了高开关频率带来的尖峰电压。通过计算及试验,验证了基于SiC设计的新型导轨电车辅助变流器在体积和性能方面的优势,对SiC MOSFET器件的应用具有积极意义。     

基于大功率全SiC器件的变换器研究

为了适应变流器产品高频化、高功率密度的发展趋势,研究了大功率全SiC MOSFET器件在变换器中的应用,讨论了全SiC MOSFET器件在应用中的杂散参数问题和桥臂串扰问题。通过双脉冲试验,重点研究了驱动电阻和吸收装置对大功率全SiC MOSFET器件关断尖峰电压的影响。结合实际产品研究了基于大功率SiCMOSFET器件在轨道交通Boost变换器中的应用。试验表明,相对于硅基IGBT器件,采用SiCMOSFET器件能给变换器带来轻量化、工作频率、效率的全方位提升。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

电力电子技术发展与电气牵引创新

介绍了电力电子与电力牵引的发展历程,分析了电力电子与电气牵引协同发展的内在联系,指出电力电子的发展推动了电气牵引技术的创新与进步,同时电气牵引的更高应用要求也推动了电力电子技术的发展。具体阐述了IGBT以及基于碳化硅(SiC)材料的新一代功率器件的发展及应用。     

银烧结技术在压接型IGBT器件中的应用

银烧结技术具有低温连接、低热阻、低应力和高熔点等特点,已成为保证绝缘栅双极型晶体管(IGBT)界面连接的可靠性应用技术。文章分析了银烧结技术工艺和引入银烧结技术的压接型IGBT器件结构组成;利用有限元方法对比分析了银烧结子单元和焊接子单元封装的2种压接型IGBT器件热阻差异;通过压降参数、压力均匀性、热阻特性和长周期功率循环界面可靠性这4个维度对比了银烧结IGBT器件和常规焊接IGBT器件的特性差异。实际应用证明,引入银烧结技术的压接型IGBT器件,其可靠性得到了大幅度提升。     

SiC功率器件在电力牵引系统的应用研究

介绍电力机车传动系统的构成,对开关器件功率损耗进行简要分析,通过与传统硅基功率器件在机车变流器应用的对比分析,说明碳化硅(SiC)功率器件在轨道交通领域的应用优势。     

基于SiC MOSFET的牵引逆变器在轨道交通中的应用研究

阐述了SiC器件和Si器件的开关特性和能耗对比;根据轨道交通牵引工况计算比较了SiC器件和Si器件的功率损耗;针对高开关频率应用,进行了包括温升、噪声、损耗、效率等一系列试验验证。试验结果表明,采用SiC MOSFET的牵引逆变器可以有效降低电机的谐波损耗,实现牵引系统节能降耗,并降低中低速段的电机噪声。     

大功率半导体器件的发展与展望

回顾了现代电力电子器件的发展历史,涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景,应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展,一些器件有望在不远的将来实现商品化,进入电力电子技术市场。     

兆瓦级功率组件IGBT失效研究

根据工程实际,对兆瓦级功率组件IGBT失效问题进行了理论分析,分别从IGBT的失效机理和失效判断等方面进行总结与探讨,便于使用者在实际应用中尽快找到IGBT失效原因和合理地选择IGBT器件。     

SiC功率器件在轨道交通行业中的应用

为解决轨道交通牵引及辅助系统的轻量化等问题,宽禁带半导体器件如SiC器件的应用需求越来越大。SiC材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率快等特性,能满足在中大功率、高温、高频条件下工作的应用要求。简述了SiC器件相比传统硅基器件的突出优势及商业化和实验室研发情况,介绍了SiC功率器件在轨道交通行业中的发展现状,同时对其在未来轨道交通装备业的发展提出了建议和展望。     

结构上胜过传统IGBT的CSTBT

采用薄穿通(LPT)垂直结构的载流子贮存挖槽栅双极型晶体管(CSTBT)是一种新型的功率器件.与IGBT相比,其结构得到了改进,具有功耗更低、更耐用等优点,是工业功率变流应用最佳的功率器件.     

牵引变流器撬棒保护电路研究

针对牵引变流器IGBT器件失效故障导致炸损等严重后果的现状,分析了几种常见的IGBT功率模块失效模式,介绍了撬棒保护电路和原理,从电路分析和能量密度仿真角度定性和定量对比了各种失效模式下有无撬棒保护电路的差别,对于防止由于单管短路进而导致桥臂直通、降低故障IGBT功率模块损伤范围、防止已短路失效IGBT器件炸损,通过试...     

寄生参数对IGBT关断浪涌电压影响的仿真建模

IGBT作为能源变换与传输的核心器件具有良好的载流与抗压能力,在轨道交通、电力系统等行业领域应用非常广泛。以建模仿真的方式模拟浪涌电压实际运行性能,深入研究其特性,可为提高功率器件系统的安全性与稳定性提供依据。文中通过有限元法求解电磁准静态场提取单桥臂回路各器件的寄生参数,并结合IGBT器件静态、动态特性建立了精确的单桥臂电路模型。通过对比不同精度模型的仿真计算结果表明,寄生参数对于浪涌电压的幅值大小和振荡具有不可忽视的影响,在电路优化设计中应予以充分的关注。该精确模型具有精准、易调控的特点,仿真结果对IGBT功率器件精确的损耗计算、可靠的电磁兼容设计及评估潜在风险具有指导性意义。     

高性能碳化硅混合功率模块研制

报道了一种基于自主封装技术的高性能、高效率碳化硅(SiC)混合功率模块,该功率模块的反向阻断电压为1 200 V,正向导通电流为480 A。动态测试表明,其峰值反向恢复电流Irr仅为-115 A,关断延迟时间td(off)为3.36μs,关断能量损耗Eoff为296.82 mJ,开通延迟时间td(on)仅为0.66μs,开通能量损耗Eon仅为242.27 mJ,输出功率可达到百千瓦级别。与传统的硅基IGBT模块相比,该碳化硅混合功率模块大大降低了模块的能量损耗。     

高热流密度SiC功率模块传热优化设计研究

针对新一代高压封装SiC器件功率模块功率密度更大、芯片尺寸更小的问题,文章基于一种新型复合相变散热技术,应用数值仿真和试验测试的研究方法进行传热优化设计研究。将优化设计所得的结果与外形尺寸一致的常规型材翅片散热方案进行性能对比,对比结果表明：在功率3×630 W的工况下,新型复合相变散热器相对型材翅片散热器,在相同风速条件下,温升可减小23.9～32.5 K,降幅为39.7%～61.6%;在相同风冷系统条件下,温升降幅可达到52%,并且对于相同的散热器设计温升,单个IGBT应用功率可增大约860 W,增幅约1倍,对于大功率、高热流密度散热应用发展前景广阔。     

问与答

答：（1）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率MOSFET 技术的派生器件。它结合了双极结型晶体管（BJT）的低导通损耗和功率MOSFET的高开关速度的特点,是一种电压控制型器件。与晶闸管相比，IGBT速度更快，dv/dt抗干扰和栅极关断能力更好。当某些晶闸管例如GTO由门极关断时，要求有反向门极电流，而IGBT关断时，唯一要求的是栅极电容放电。象MOSFET一样，IGBT是跨导器件，只要保持栅极电压在阈值电压电位以上，便能维持IGBT的充分导通状态。在故障情况下，IGBT表现了可靠耐用的特性。当器件处于端子短路或接地状态时，短路…     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

轨道交通用IGBT器件寿命预测技术综述

随着中国轨道交通车辆陆续进入高级修阶段,IGBT器件寿命预测技术成为行业关注的热点,科学的寿命评估方法是实现IGBT变流器全生命周期管理的基础。文章针对轨道交通的应用,介绍了IGBT器件失效机理、寿命预测模型及计算流程;通过概述国内外相关研究现状,归纳了目前IGBT器件寿命预测面临的难题,分析了通过采用智能化驱动、大数据分析及人工智能、状态检测等技术来提高IGBT器件寿命预测的准确性。     

现代交流传动技术的水平及前景

交流传动技术的发展，与功率半导体器件及控制技术的发展密切相关。就器件的发展来说，已经历了普通晶闸管、GTO以及IGBT等阶段。目前，IGBT器件正向中大功率的应用方面发展。文中介绍了由西门子公司开发的新的交流传动控制策略——SITRAC。它集动态转矩控制、耐久性和优化的模块以及自调节功能于一体，并且可以不用速度传感器。文中还介绍了超导变压器、静止能量存储系统、无牵引齿轮装置的直接驱动系统和燃料电池等新技术及它们的应用，并讨论了它们的发展前景。