3300 V全SiC MOSFET功率器件开关特性研究

为更好地发挥全SiC器件的开关速度快、损耗低等优势,研究了某款3300 V全SiC MOSFET器件的开关特性。首先,通过理论分析阐述了开关变化过程,并给出了可量化的计算方法;其次,从驱动电阻、结温、回路杂散电感等方面探寻了开关特性变化的规律;最后,在样机上进行了验证。结果表明,文章中所述优化开关特性的方法对全SiC逆变器的工程应用有一定的指导意义。     

基于沟道状态的SiC MOSFET器件浪涌能力研究

得益于技术的进步,SiC MOSFET器件中的体二极管可靠性有极大的提升,并在部分领域和模块中取代了续流二极管。文章基于浪涌电流试验,对不同沟道状态下SiC MOSFET器件浪涌能力进行了深入研究。首先,搭建了浪涌电流试验平台,对CREE和Infineon两家公司的器件进行了浪涌电流试验;然后,测量和对比了试验前后器件的阈值电压、导通电阻、体二极管电压和漏极漏电流等特性的变化;最后,通过超声波扫描显微镜观察了器件失效前后内部结构的变化,并分析了器件的失效原因。试验结果表明,SiC MOSFET器件在浪涌电流冲击下,栅极可靠性和金属层可靠性共同决定了器件的可靠性:一方面,栅极可靠性高的器件,沟道导通有利于降低最高结温,提高浪涌电流下的可靠性;另一方面,栅极可靠性低的器件,沟道的关闭有利于保护栅极。     

1200 V SiC MOSFET器件的体二极管抗浪涌能力研究

对1 200 V碳化硅金属氧化物场效应晶体管(SiC MOSFET)(包括双沟槽型栅极结构、非对称沟槽型栅极结构和平面型栅极结构)的抗浪涌能力进行了试验测试分析与评估。其中,平面型SiC MOSFET展现出了最优的抗浪涌能力,最大浪涌电流密度峰值达到了35 A/mm~2,而双沟槽型与非对称沟槽型SiC MOSFET的抗浪涌能力大致相等,分别为22 A/mm~2和25 A/mm~2。在经过最大浪涌电流后,3种SiC MOSFET器件的门极阈值电压、漏极电流和击穿电压均发生了失效,其失效原理均为热击穿而导致的三端短路。对比测试结果表明,平面型SiC MOSFET由于较少的栅氧化层缺陷而展现出良好抗浪涌电流能力,而双沟槽型SiC MOSFET由于浪涌应力下的沟道处泄漏电流导致更强的热效应,更容易在浪涌测试中发生失效。     

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。     

MOSFET和IGBT关断特性及其对并联特性的影响

文章描述了MOSFET和IGBT关断特性的不同,及其对关断瞬间并联均流特性的影响。MOSFET和IGBT共有的MOS门极结构导致其在器件开通过程具备相似的开通特性。然而,MOSFET单极性结构和IGBT双极性结构的不同导致了其在关断过程中具备不同的关断原理(除了拖尾电流之外),这种不同的关断原理尤其表现在门极电压对关断电流的控制程度。MOSFET的关断电流完全直接受控于门极电压,而IGBT的关断电流在某种程度上不完全直接受控于门极电压。不同的关断原理进而导致了关断瞬间不同的并联均流特性,尤其是在电路参数不匹配的情况下的并联关断均流特性。文章通过理论分析和仿真建模对上述问题进行了研究,仿真和试验结果验证了所提的观点。     

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。     

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。     

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。     

低米勒电容超结MOSFET开关过程及反向恢复性能仿真研究

针对超结场效应晶体管(SJ-MOSFET),利用工艺仿真建立多次外延离子注入和深槽刻蚀2种不同P柱形貌的器件结构,对比研究了不同工艺、不同栅极结构SJ-MOS的静态特性差异,并与实测数据对比,验证建立模型的正确性。从空间电荷区不均匀拓展的角度,分析不同工艺路线器件的C-V特性测试中"电容转折"现象的微观机理。研究了感性负载下SJ-MOSFET开关过程中栅极电压、漏极电流、漏源极电压随时间变化关系,并搭建寄生体二极管反向恢复测试平台,探究了不同工艺对于反向恢复电荷、峰值电流等参数的影响。研究内容可指导器件设计,提高功率半导体器件在机车应用场景中的匹配度。     

一种基于神经网络优化预测模型的SiC MOSFET阻断电压确定方法

功率器件设计者常需要通过器件仿真进行器件的设计与优化,但由于仿真结果的未知性,设计者需要逐步调整相关参数,使仿真结果不断逼近目标值,这需要耗费大量的时间,而目前又没有有效的解决办法。为解决这个问题,提出了一种基于神经网络的优化预测模型,以确定SiC MOSFET的阻断电压。将测试温度、第一场限环间距、环间距变化步长、场限环个数和漂移区浓度作为自变量,代入器件仿真软件中进行仿真,从而得到VDMOSFET阻断电压(作为因变量),将其分别代入BP神经网络和RBF神经网络中进行预测,并对二者的预测误差进行对比。结果表明,使用LM算法的BP神经网络预测模型能够很好地预测VDMOSFET的正向阻断电压,可为设计者节约大量时间。     

横风作用下公路车辆与桥梁静气动力的数值模拟研究

横风作用下的风—车—桥耦合系统的振动分析需要准确识别车辆和桥梁气动参数。基于CFD数值仿真平台分别建立了桥梁单体模型和车桥耦合体系模型,计算分析了高低紊流度风场中不同风攻角下车辆和桥梁的静气动力,分析研究了静止车辆对桥梁静气动力的影响、风攻角对车辆静气动力的影响以及风场的紊流性对车桥静气动力的影响。计算结果表明:由于车辆的干扰,不同风攻角下的桥梁静气动力普遍增大;风攻角对车辆静气动力系数影响比较大;紊流特性对车辆静气动力系数有一定影响,对桥梁静气动力系数影响不大。     

基于概率的机车过分相过电压仿真实测及其机理研究

分析了不同变压器接线方式下所产生的两供电臂电压相位差对关节式过分相感应电压大小的影响;并通过仿真模拟机车进入和离开中性段时所产生的操作过电压;中性段上可能由于操作过电压激发铁磁谐振,铁磁谐振情况下右侧供电臂通过受电弓接入中性段所产生的操作过电压是造成放电间隙击穿的主要原因;用实测和仿真结果证实了分析结果。指出通过装设谐振抑制装置可以将操作过电压限制在可接受范围内,避免引起变电所跳闸。     

在110kV侧综设SVC站对供电质量治理的探讨

论述在牵引变电所电源侧加装静止型动态无功补偿装置,可有效解决由于电铁负荷运行产生的负序电流给供电系统和附近发电机造成的影响,获得抑制高次谐波、降低电压波动和闪变、提高设备运行可靠性等综合效果。     

高寒车载柔性电缆终端放电通道延伸与击穿过程的研究

电力机车在高寒地区运行时,会出现车载电缆柔性终端炸裂故障。为了研究击穿过程并探究击穿机理,首先在实验室内通过搭建低温实验平台模拟还原了电缆终端低温运行的实际工况,进而实施了局部放电及低温耐压试验。试验结果表明,低温下电缆终端发生局部放电,并在耐压试验中发生击穿,与实际情况相符。通过解剖电缆终端发现,应力管内部有明显的放电通道,外半导体层边缘及应力管末端有大范围烧蚀痕迹,击穿点位于应力管末端。在此基础上本文建立了电缆终端的三维立体模型,并基于有限元仿真软件进行仿真分析计算,仿真结果表明电缆终端存在大范围烧蚀痕迹位置,电场畸变同样严重,与试验结果吻合。最后本文探讨了放电通道延伸与击穿过程。     

基于预测电流控制的CIT400高速综合检测列车运行特性仿真分析方法

基于CIT400高速综合检测列车牵引传动系统的结构和牵引特性,运用MATLAB/Simulink软件建立预测电流控制下的高速综合检测列车牵引传动系统仿真模型,仿真分析列车在牵引和制动工况下受电弓短时断电及网压波动时的运行特性,并与实测数据进行对比分析。研究表明:仿真结果与实测数据基本一致,建立的仿真模型能正确反映列车的运行特性,能够满足列车实际运行的动静态要求。     

基于双向变流装置的城市轨道牵引供电系统潮流计算

基于双向变流装置输出外特性,分析电压调整率与下垂率的关系;以电压源换流器模型为基础,建立考虑下垂输出外特性的双向变流装置计算模型;采用交直流一体迭代潮流算法,进行含双向变流装置的城市轨道牵引供电系统潮流计算。以某地铁工程为例,列车采用6B编组,最高时速为80km·h^-1,研究双向变流装置下垂率和空载电压对峰值功率、牵引网网压和钢轨电位的影响。结果表明:随着输出外特性中下垂率的增长,双向变流装置峰值功率需求降低,但牵引网网压波动加剧,钢轨电位提高;当空载电压在1 500~1 650V范围内、下垂率为0.055~0.06时,全线牵引降压混合所整流工况的峰值功率最大在7 146~7 320kW之间。在实际工程中,应选取适当的下垂率和电压调整率,允许部分功率跨区间传输,以降低双向变流装置的安装容量,同时兼顾牵引网网压和钢轨电位的控制需求。     

地基对铁路A型超高墩刚构连续梁桥的受力影响研究

为满足铁路桥梁的动力特性要求,同时节省桥墩圬工量,首次将A型桥墩应用于渝利线蔡家沟双线特大桥中。本桥为(80+3×144+80)m刚构-连续组合梁桥,刚构墩采用A型桥墩、三墩固结的结构形式,墩高最高达139m。针对A型超高桥墩的结构受力特点,根据地质条件,计算分析采用合理的桥墩基础形式,并分析其对A型超高墩刚构-连续组合桥的刚度及静、动力特性的影响。结果表明,3种承台结构形式的桥梁结构动力特性均满足要求,但墩底内力差异较大,同时当岩石地基极限抗压强度R4 MPa时,岩石竖向地基系数取值的变化对结构自振周期的影响较小。