宽禁带半导体器件在轨道交通装备中的应用论文_葛传超,孙健博

摘要：相比于Si器件，宽禁带半导体器件具有耐高压、耐高温、高开关频率、低能耗等突出优势。本文以SiC宽禁带半导体为例，分析了具体的器件特性，并对其在国内外轨道交通装备中的应用进行介绍，表明SiC器件的应用可减小系统的体积、重量与能耗，满足当前轨道交通对数字化、轻量化、绿色化的追求。

关键词：宽禁带半导体；SiC；轨道交通装备；应用

0 引言

经长期发展，轨道交通车辆现如今早以电力机车为主，电力电子技术也逐渐得到普遍应用。半导体器件是电力电子技术的重要组成部分，其发展水平高低与否至关重要。目前，电力电子半导体器件以Si器件为主，但其存在能耗高、功率密度低率等方面的限制。为此，宽禁带半导体器件应运而生，其可以较好的解决Si器件目前应用过程遇到的问题，有效减少能耗，提高功率与体积的比值。

本文从宽禁带材料器件的出现出发，以SiC宽禁带器件为例，分析特性，并介绍SiC器件在国内外轨道交通装备中的应用现状及有益效果，为国内SiC器件的进一步大范围应用提供实践依据和参考。

1 宽禁带材料器件的出现

宽禁带材料的出现，具有Si材料无法实现的物理特性，以SiC和GaN的研究较为集中。图1给出了Si、SiC、GaN材料的特性对比[1]。从图中可以看出，SiC、GaN材料在电场、禁带宽度、热导率、熔点、电子饱和速率方面相比于Si材料均具有明显优势，能较好满足高压、高温、大电流的应用需求。

图1 Si、SiC、GaN材料特性[1]

此外，还存在金刚石、GaAs以及III-III-N合金（如AlGaN、InGaN）等宽禁带材料，相关器件的研究工作正稳步进行。

2 SiC器件特性

目前，商业化应用的SiC和GaN器件种类较多，但GaN器件在低压场合应用较多。为此，本文将仅针对较适用高压场合的SiC器件进行分析与介绍。

1）耐高压性

文献[2]表明，3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC材料的临界击穿场强依次为2×106 V/cm、2.2×106 V/cm、2.4×106 V/cm，Si材料的临界击穿场强为6×105V/cm。由此可见，SiC材料的临界击穿场强比Si材料高一个数量级，该特性使得SiC器件具有更好的耐高压性，更加适用于高电压的应用领域。

2）低导通损耗

SiC材料因其临界击穿场强高，所以在相同电压等级的情况下，SiC器件具有更薄的漂移层，因此具有更低的漂移层阻抗；同时，如果门极电压较高，SiC器件的沟道阻抗也可以维持在较低水平[1]。因此，SiC器件具有更低的通态阻抗及导通损耗。

3）低开关损耗

相比于Si，SiC二极管基本上不存在反向恢复问题；SiC-MOSFET的开通过冲电流也极小，且不存在类似于IGBT的关断拖尾电流，这都使得SiC器件具有更短的开通、关断时间，从而SiC器件在开、关时的能量损耗较低。

4）易于热设计

基于前文分析，SiC器件的导通和开关损耗均较低，加之热导率较高，因此更易于热设计，采用较小的散热器即可满足设计要求，不仅可以提高变换器的功率密度，还可以降低变换器的生产成本。

5）高频特性

半导体器件的最高工作频率fT同材料参数之间的关系为[3]：

（1）

式中，μ为载流子迁移率，ET为临界击穿场强。

2.1节中表明SiC材料的ET远远大于Si材料的ET，因此，结合式（1）可知，SiC材料理论上具有更高的工作频率。

6）耐高温特性

对于器件而言，其本征载流子浓度ni易受温度T的影响，二者之间的关系表达式为[3]：

（2）

式中，Nc、Nv分别为材料的导带底等效态密度和价带顶的等效态密度；k为玻尔兹曼常数。

当ni接近或高于电离杂质浓度时，器件将无法稳定工作。图1表明SiC材料禁带宽度Eg远大于Si材料，因此，达到相同的ni时，SiC需要上升的温度更高，则SiC器件更适合高温的工作环境。

3 SiC器件在轨道交通装备中的应用

3.1 日本研发轨道交通装备中的应用

2011年，日本三菱电机推出新型牵引变流器系统，并在37列01系车辆中进行了应用，该系统采用混合SiC功率模块，功率模块由Si-IGBT和SiC-SBD构成。经验证，采用SiC功率模块后，电力再生率提高了7.5％，每公里耗电量降低了13.7％。

2013年，日本三菱电机推出新型牵引变流器系统，功率模块选用全SiC器件，相比于选用Si器件，器件开关导致的能量损耗减少了55％，尺寸、重量均减少了约65％。相比于2011年的混合SiC功率模块，体积和重量减少了约30％。同年，日本三菱电机继续推出了采用SiC的辅助电源系统，该系统已应用于东京地铁银座线的新型1000型车辆中，新系统的功耗、体积、重量分别降低30％、20％、15％，输出电压波形也得到了改善。

2014年，日本三菱电机推出应用于小田急电铁新型 1000 系车辆的全SiC功率模块牵引变流器，功率模块由SiC晶体管和SiC二极管构成。与1000系列之前车辆相比，节能效果达到36％，主电路在体积和重量上都减少了80％。随后在2015年小田急电铁加购的1000系车辆中，采用另一种全SiC功率模块牵引逆变器，可实现70％的功耗节能。

2014年，日本日立推出应用3.3kV/1200A混合SiC功率模块的牵引变流器。体积和重量均减少约40％，实现约35%的功耗节能。

2015年，在日本中铁公司的N700新干线子弹头列车上，安装并测试了三菱电机生产的采用全SiC功率模块的牵引变流器系统。该牵引系统的体积和重量分别减少了55％和35％。

2016年，日本川崎重工生产的18辆新型9000 系车辆中，VVVF逆变器采用全SiC功率模块，降低了列车运行过程中的能源消耗。

2018年，日本三菱电机宣布已开发出6.5 kV全SiC功率模块，并宣称该模块会引领牵引系统向更小、更高效方向发展。

3.2 法国、西班牙研发轨道交通装备中的应用

在欧洲市场，2014年，法国阿尔斯通推出应用1.2kV/100A全SiC-MOSFET功率模块的辅助电源系统，该系统安装在米兰3号线地铁车辆中。

2017年，西班牙CAF Power＆Automation和IK4-IKERLAN宣布推出一种采用SiC器件的牵引系统，能效提高了50％，重量减小了20％，体积减小了30％。

2019年，上述两公司继续合作，在EUSKOTREN列车上测试了SiC牵引变流器，该牵引变流器能耗、重量和体积均同样有大幅减小。

3.3中国研发轨道交通装备中的应用

在国内，株洲中车时代电气股份有限公司研发了多个电压等级的SiC-SBD、SiC-MOSFET器件产品，并推出了全SiC和混合SiC功率模块，已应用于地铁车辆牵引系统中，截至2018年，相关地铁车辆已运行了6000公里。

2019年，中车青岛四方机车车辆股份有限公司生产的下一代地铁列车通过验收。该车辆采用了SiC永磁同步牵引系统，列车综合节能达到了30％。

4 结语

基于本文对SiC器件特性和商业化应用的分析可知，SiC器件作为一种宽禁带半导体器件，具有Si器件无法比拟的快速开关、耐高压、耐高温、低能耗优势，满足当前轨道交通装备对更轻量、更节能的追求。如若能够进一步解决电磁兼容、寄生参数、驱动电路、器件封装等相关配套技术上的难题，必将再次推动宽禁带半导体器件的发展，会给轨道交通装备的性能带来变革。因此，宽禁带半导体器件的研究具有重要的理论价值和现实意义。

参考文献：

[1]杨春.基于SiC器件的高功率密度城轨车辆充电机研究[D].北京，北京交通大学，2004.

[2]陈治明，李守智.宽禁带半导体电力电子器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009：19-122.

论文作者:葛传超,孙健博

论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期

论文发表时间:2020/4/8

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