新一代高压SiC器件在轨道交通牵引系统应用中的热管理技术

何凯; 王幸智; 田恩; 陈燕平; 窦泽春

doi:10.13890/j.issn.1000-128x.2020.05.013

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新一代高压SiC器件在轨道交通牵引系统应用中的热管理技术

SiC技术 | 更新时间：2021-12-10

- 新一代高压SiC器件在轨道交通牵引系统应用中的热管理技术
- Thermal Management Technology of New-generation High-voltage SiC Devices Applied in Rail Transit Traction System
- 机车电传动 2020年第5期页码：56-61
- 作者机构：
  
  1.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南　株洲　412001
- 作者简介：
  
  何凯（1988—），男，博士，工程师，主要从事电力电子领域热管理技术研究与工程化工作。
- 基金信息：
  
  国铁集团科技研究开发计划项目(N2019J015)
- DOI：10.13890/j.issn.1000-128x.2020.05.013
  中图分类号：
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何凯, 王幸智, 田恩, 等. 新一代高压SiC器件在轨道交通牵引系统应用中的热管理技术[J]. 机车电传动, 2020,(5):56-61.

Kai HE, Xingzhi WANG, En TIAN, et al. Thermal Management Technology of New-generation High-voltage SiC Devices Applied in Rail Transit Traction System[J]. Electric Drive for Locomotives, 2020,(5):56-61.
何凯, 王幸智, 田恩, 等. 新一代高压SiC器件在轨道交通牵引系统应用中的热管理技术[J]. 机车电传动, 2020,(5):56-61. DOI： 10.13890/j.issn.1000-128x.2020.05.013.

Kai HE, Xingzhi WANG, En TIAN, et al. Thermal Management Technology of New-generation High-voltage SiC Devices Applied in Rail Transit Traction System[J]. Electric Drive for Locomotives, 2020,(5):56-61. DOI： 10.13890/j.issn.1000-128x.2020.05.013.

摘要

以SiC为代表的宽禁带器件正成为功率半导体器件的研究热点，新一代高压封装是大功率SiC器件为应对高压、散热和并联使用而研制的主要封装形式。文章针对新一代高压SiC器件的封装结构特征、电流密度、动静态损耗参数、热阻、结温等关键热性能参数，与传统Si基器件进行对比分析，基于牵引系统典型静态工况和动态工况，全面对比2种类型器件在相同工况下的损耗、结温和温度应力谱。结果表明，SiC器件具备更高的电流通流能力和更高的效率，但也存在“结-壳”热阻和界面热阻更高、散热功率密度更高、器件许用结温未大幅度提升等不足。在实际应用中，需要全面考虑电路拓扑、电流利用率、开关频率和热管理系统方案，保证SiC器件的优势得到有效发挥。

Abstract

The wide band-gap devices represented by SiC are becoming the research focus of power semiconductor devices. The new generation of high-voltage packaging is the main packaging form for high-power SiC devices to cope with high-voltage, heat dissipation and parallel use. In this paper, the key thermal performance parameters of the new generation of high-voltage packaging SiC devices, such as packaging structure characteristics, current density, dynamic and static loss parameters, thermal resistance, and junction temperature were compared with those of traditional Si based devices. Based on the typical static and dynamic conditions of traction system, the loss, junction temperature and temperature stress spectrum of the two types of devices under the same working conditions were comprehensively compared. The results showed that SiC devices have higher current carrying capacity and higher efficiency, but there are also some shortcomings, such as higher junction shell thermal resistance and interface thermal resistance, higher heat dissipation power density and lower allowable junction temperature. In practical application, it is necessary to consider circuit topology, current utilization, switching frequency and thermal management system to ensure that the advantages of SiC devices can be brought into full play.

关键词

变流技术高压封装SiC热阻损耗结温

Keywords

converter technologyhigh voltage packageSiCthermal resistancelossjunction temperature

references

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