SiC材料在牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

SiC作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，與Si相比具有擊穿場強高、導(dǎo)熱系數(shù)高、載流能力大、開關(guān)速度快、可高溫工作等優(yōu)點，適用于高壓、高溫、高頻等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，SiC器件能夠顯著提升電力電子裝置的轉(zhuǎn)化效率，有利于節(jié)能和環(huán)保，裝置的高功率密度和輕量化。國家“十二五”和“十三五”都投入了大量的資金來進(jìn)行SiC材料和器件的技術(shù)攻關(guān)。SiC模塊通常包括全SiC模塊和SiC混合模塊兩種。全SiC模塊是采用SiC MOSFET和SiCSBD按照一定的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行多芯片并聯(lián)的模塊。SiC混合模塊是采用SiC SBD替代Si FRD，與IGBT芯片按照一定的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行多芯片并聯(lián)的模塊。

全SiC MOSFET模塊方面，CREE研發(fā)了1700V以下的全SiC模塊，ROHM研發(fā)了1200V以下的全SiC模塊，并得到了一定范圍的應(yīng)用。我國對SiC MOSFET的研究尚處于起步階段，高壓大電流SiC MOSFET器件在柵氧可靠性、成品率、測試驅(qū)動、性能檢測控制等方面還處于機(jī)理研究和試驗階段，大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)用仍需一定的時間?；谝陨蠣顩r，高壓大功率SiC混合模塊在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用是一個折衷且穩(wěn)妥的方案，它既能體現(xiàn)SiC材料的優(yōu)勢，降低系統(tǒng)損耗，又能在成本方面被接受。富士、日立、三菱及一些科研結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了SiC混合模塊的研究，雖然國內(nèi)也進(jìn)行了一些高壓SiC混合模塊的研究，但SiC混合模塊在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用研究還沒有相關(guān)報道。本文基于自主研發(fā)的3300V/32ASiC SBD，研制了一種機(jī)車牽引用3300V500A SiC混合模塊，對性能參數(shù)進(jìn)行了測試與分析，并與3300V500A IGBT模塊的性能參數(shù)進(jìn)行對比。采用PLECS軟件進(jìn)行了牽引逆變器PWM工況下SiC混合模塊的結(jié)溫仿真。

模塊設(shè)計與封裝

為了減少變流器系統(tǒng)其他部件的設(shè)計變更，本文設(shè)計研制的3300V500A SiC混合模塊采用130mm×160mm×38mm標(biāo)準(zhǔn)Si IGBT模塊的封裝接口尺寸，電路結(jié)構(gòu)為雙開關(guān)電路，每個橋臂的額定電流能力為500A，采用兩塊襯板并聯(lián)的方式。由于單顆SiC SBD芯片只有幾十安培，模塊需要使用多顆芯片并聯(lián)，以達(dá)到所需的電流能力。本設(shè)計中采用的IGBT芯片電壓電流等級為3300V/62.5A，SiC SBD芯片的電壓電流等級為3300V/32.5A，模塊共包含16顆Si IGBT和32顆SiC SBD芯片。芯片間采用引線鍵合的互連方式實現(xiàn)大電流，SiC SBD芯片與IGBT芯片反并聯(lián)。為了保證模塊中使用的芯片性能參數(shù)一致性，將SBD芯片的探針測試數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，挑選VF與ICES一致性較好的芯片。IGBT芯片目前已經(jīng)在機(jī)車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，性能參數(shù)一致性較好，無需進(jìn)行篩選處理。

寄生電感、寄生電阻、結(jié)殼熱阻等是模塊設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵因素[10]?；旌蟂iC模塊功率端子采用對稱結(jié)構(gòu)來形成互感效應(yīng)降低模塊內(nèi)部電感；襯板電路及芯片布局采用對稱設(shè)計使芯片間的寄生電阻一致、電感差異最小化；SiC SBD芯片間進(jìn)行互連減小鍵合引線的距離，增大引線的通流能力，達(dá)到芯片間的均流。以上因素在IGBT模塊中已經(jīng)得到了充分的優(yōu)化和驗證，本文不做過多的闡述。襯板單元實物如圖1所示。

圖1 3300V500A SiC混合模塊用襯板單元

Fig.1 3300V500Asubstrate unit of SiC hybrid module

SiC混合模塊與IGBT模塊相比，雖然工藝過程一致，但工藝參數(shù)存在一定的差異，如焊接和引線鍵合參數(shù)。SiC SBD芯片尺寸為6.1×6.1mm，在真空回流焊接過程中若焊料多容易產(chǎn)生芯片漂移，焊料少則會使焊層產(chǎn)生空洞，影響芯片的散熱，進(jìn)而影響模塊可靠性。SiC SBD芯片與Si FRD芯片厚度不同，表面金屬和工藝也略有差異，需要調(diào)整引線鍵合參數(shù)，并進(jìn)行推力測試。通過對混合SiC模塊封裝工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化，工藝過程檢測結(jié)果全部達(dá)到機(jī)車用IGBT模塊的參數(shù)要求。3300V500A SiC混合模塊如圖2所示。

圖2 3300V500A SiC混合模塊

Fig.2 3300V500ASiC hybrid module

特性測試

3.1二極管靜態(tài)特性

對封裝完成的模塊進(jìn)行靜態(tài)性能測試對比，Si FRD和SiC SBD正向特性曲線見圖3所示。IGBT模塊中FRD在300A前為負(fù)溫度系數(shù)，混合模塊中SBD在25A前為負(fù)溫度系數(shù)。兩種二極管的正向電壓VF隨溫度升高而升高，SiC SBD具有更好的正溫度系數(shù)，利于芯片的并聯(lián)及器件的并聯(lián)應(yīng)用。二極管正向直流電流500A條件下，25℃、125℃、150℃時的二極管正向電壓VF分別為2.0V，3.3V，3.8V，該值包括電流回路寄生電阻引入的壓降約0.3V。25℃時SiC SBD低于Si FRD的正向電壓，高溫時則大于Si FRD的正向電壓。因此從芯片正向電壓來講，高溫工作條件下，僅SiC SBD導(dǎo)通損耗與Si FRD相比沒有優(yōu)勢。

圖3二極管正向特性曲線

Fig.3 Diodetypical forward characteristics

3.2模塊動態(tài)特性

SiC混合模塊動態(tài)性能采用雙脈沖測試，電路如圖4所示，測試時模塊相互陪測，上管為陪測模塊，下管為待測模塊，測試完成后進(jìn)行互換。

圖4.動態(tài)測試原理圖

Fig.4 Dynamictest schematic diagram

3300V500A混合SiC模塊的動態(tài)測試波形見圖5所示。在動態(tài)測試的評估中，第一個脈沖，被測模塊IGBT開通，其電流受負(fù)載電感的影響以線性方式上升。當(dāng)?shù)谝粋€脈沖關(guān)斷后，被測模塊中的SiC SBD芯片進(jìn)行續(xù)流。在第二個脈沖開通時，被測IGBT模塊中的SBD芯片處于反向恢復(fù)過程。在SBD芯片反向恢復(fù)前，電流流過SBD芯片，此時經(jīng)過負(fù)載電感的電流與流經(jīng)SBD芯片的電流疊加后，全部施加在被測模塊的IGBT芯片上。當(dāng)SBD芯片反向恢復(fù)結(jié)束時，被測模塊的電流再次以線性方式上升。當(dāng)?shù)诙€脈沖關(guān)斷時，被測IGBT能夠正常關(guān)斷。

圖5 SiC混合模塊動態(tài)測試波形

Fig.5 Dynamictest waveforms of SiC Hybrid module

SiC混合模塊集成了IGBT芯片與SiC SBD芯片，工作過程中兩者交替開通與關(guān)斷。寬禁帶SiC材料與Si材料相比本身具有一定的優(yōu)勢，SiC混合模塊的反向恢復(fù)時間較短，將SiC混合模塊的反向恢復(fù)與IGBT模塊反向恢復(fù)波形進(jìn)行對比，如圖6所示。SiC SBD芯片反向恢復(fù)過程中，幾乎不存在恢復(fù)電流Ir，拖尾電流短，二極管電壓Vr略有波動，但反向恢復(fù)損耗非常小。因此，對于3300V500A SiC混合模塊，反向恢復(fù)能量幾乎可以忽略。

圖6. SiC混合模塊與IGBT模塊反向恢復(fù)波形對比

Fig.6 Reverserecovery waveforms of SiC hybrid module compare with IGBT module

SiC SBD芯片在反向恢復(fù)速度較快，對模塊的開通也有一定的影響，將SiC混合模塊和IGBT模塊的開通波形放在一起進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

圖7. SiC混合模塊與Si IGBT模塊開通波形對比

Fig.7Switch waveforms of SiC hybrid module compare with IGBT module

從圖7中可以看出，在IGBT的開通過程中，由于FRD反向恢復(fù)電流的存在，普通模塊會在IGBT上疊加額外的電流。過沖電流會對IGBT器件形成沖擊，而SiC混合模塊反向恢復(fù)電流遠(yuǎn)小于Si IGBT模塊，則不會存在此過沖電流。開通過沖電流的減小，會大大減小器件的開通能量。SiC混合模塊由于反向恢復(fù)電流小，施加在IGBT芯片上的過電壓顯著降低，利于模塊的可靠性提升。

隨著IGBT器件驅(qū)動?xùn)艠O電阻減小，開通速度加快，其開通能量大幅減小。普通IGBT模塊會受限于FRD的安全工作區(qū)，必需限制其開通速度（開通電流變化率di/dt），SiC混合模塊則無安全工作區(qū)的限制。SiC混合模塊可以加快IGBT的開通速度，從而大大減小應(yīng)用時的開通能量。

相同測試條件下，將IGBT模塊和SiC混合模塊的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表1所示。IGBT模塊一次開關(guān)所產(chǎn)生的損耗為3280mJ，SiC混合模塊一次開關(guān)產(chǎn)生的損耗為2090mJ，損耗約降低32.6%。

表1 IGBT模塊與SiC混合模塊損耗數(shù)據(jù)對比

Tab.1Energy loss comparison of IGBT module and SiC hybrid module

熱阻特性

連續(xù)正向直流電流IF是模塊的重要參數(shù)指標(biāo)，本設(shè)計采用的是常規(guī)IGBT模塊的結(jié)構(gòu)，因此僅需驗證二極管的連續(xù)正向直流電流。連續(xù)正向直流電流IF與模塊的最高工作結(jié)溫、殼溫、模塊熱阻、二極管正向電壓（IF及Tj條件下）等參數(shù)相關(guān)，具體見公式（1）。

按照J(rèn)EDEC 51-1規(guī)定，通過測量SiC混合模塊的溫度校準(zhǔn)系數(shù)，加熱穩(wěn)定后的功率，使用T3ster熱瞬態(tài)測試儀得到瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，得到了混合SiC模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線[11]，如圖8所示。

圖8. SiC混合模塊瞬態(tài)熱阻抗曲線

Fig.8Thermal resistance curves of hybrid SiC module

從8圖中可以獲取IGBT芯片的結(jié)殼熱阻為23.5K/kW，SiC-SBD芯片的結(jié)殼熱阻為36 K/kW。從芯片面積角度分析，單顆Si FRD芯片的面積為13.5mm×13.5mm，IGBT模塊的二極管結(jié)殼熱阻為48 K/kW；4顆SiC SBD芯片的面積總和為12.2mm×12.2mm，在芯片面積減小的情況下，熱阻反而降低了25%，充分體現(xiàn)了SiC材料高導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)越性，且增加了二極管的電流裕量。

對于本文研制的3300V500ASiC混合模塊，按照Tj=150°C，TC=80°C，=3.8V，根據(jù)公式（1）計算出連續(xù)正向直流電流IF約為511A，滿足技術(shù)要求。另外，SiC SBD芯片可以在大于150℃的工況下正常工作，Si FRD則無法與SiC SBD相比，在額定電流能力方面，SiC混合模塊具有更大的裕量，因此SiC混合模塊更加可靠。

應(yīng)用工況仿真

5.1仿真模型

為了計算模塊在實際工作過程中的最高結(jié)溫，在PLECS仿真平臺上搭建電路仿真，應(yīng)用工況選用三相兩電平逆變器驅(qū)動電機(jī)負(fù)載的電路，仿真電路如圖9所示。

圖9應(yīng)用電路仿真模型

Fig.9Application circuit simulation modle

直流電源通過6個3300V500A SiC混合模塊或IGBT模塊構(gòu)成逆變器進(jìn)行逆變輸出，電阻、電感、反電動勢模擬三相電機(jī)負(fù)載，模塊內(nèi)部兩單元分別作為上下橋臂，采用開環(huán)PWM控制方法，熱、電仿真參數(shù)如表2。

表2仿真條件參數(shù)

Tab.2Simulation condition parameters

5.2仿真結(jié)果

按照三種工況進(jìn)行仿真，設(shè)定輸出電流有效值為250A，最大輸出電流350A，最大制動電流360A，每種輸出電流下運行30s。根據(jù)損耗計算方法[12]，計算得到了三種工況下的IGBT模塊和混合SiC模塊的損耗。

在輸出電流有效值為250A工況下，運行30s已達(dá)到熱平衡，IGBT模塊和和SiC混合模塊的最高結(jié)溫見圖10所示。

圖10 IGBT和二極管芯片最高結(jié)溫變化

Fig.10 Maximumjunction temperature variation of IGBT and Diode Dies

從圖10中可以看出，模塊溫度先急劇上升，然后溫度逐漸下降，原因是電機(jī)啟動過程損耗較大。SiC混合模塊中IGBT和SiC SBD芯片的最高結(jié)溫都要低于IGBT模塊，尤其芯片采用SiC SBD顯著降低了二極管的最高結(jié)溫。模塊整體溫度降低，二極管電流能力裕量更大，模塊可靠性更高。將3種工況下的芯片溫度進(jìn)行匯總，見表3。

表3最高結(jié)溫仿真結(jié)果

Tab.3Simulation results of maximum junction temperature

從表3中可以看出，三種工作工況下SiC混合模塊的最高結(jié)溫都小于IGBT模塊，工況越惡劣越能體現(xiàn)SiC混合模塊的優(yōu)勢，SiCSBD芯片的溫升較小。制動工況下SiC混合模塊IGBT芯片溫度最高131.7℃，SiC SBD芯片的溫度僅為84.9℃，模塊能夠正常工作。通常機(jī)車牽引用IGBT模塊的環(huán)境溫度低于80℃，因此在三種仿真工況下， SiC混合模塊的安全工作溫度都有一定的裕量，滿足系統(tǒng)的要求。

結(jié)語

本文設(shè)計研制了3300V500A SiC混合模塊，使用SiC SBD芯片代替了Si FRD芯片，進(jìn)行了相關(guān)工藝驗證，滿足機(jī)車用模塊標(biāo)準(zhǔn)。在模塊性能方面，SiC SBD芯片的靜態(tài)參數(shù)具有更好的正溫度系數(shù)，利于模塊的并聯(lián)使用。SiC混合模塊二極管的熱阻較IGBT模塊顯著降低，模塊的額定電流能力裕量更大，能夠提升模塊的可靠性。在模塊動態(tài)性能方面，SiC 混合模塊的反向恢復(fù)能量幾乎可以忽略，減小了開關(guān)過程中對IGBT芯片的電壓、電流過沖，IGBT的安全工作區(qū)更大。通過PWM工況進(jìn)行了模塊溫度仿真，在額定條件下和極端制動條件下，混合SiC模塊芯片溫度都低于IGBT模塊，滿足模塊正常工作的溫度要求。

通過高壓大功率3300V500A混合SiC模塊的研制，實現(xiàn)了機(jī)車牽引用IGBT芯片、SiC SBD芯片及模塊的國產(chǎn)化，性能參數(shù)滿足機(jī)車牽引逆變器對模塊的參數(shù)要求，推動了國內(nèi)SiC材料在牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用。