随着我们逐步迈向净零排放的未来，柴油列车正被混合动力列车取代。这类列车可借助架空线路供电运行;若铁路轨道电气化不可行，也可通过车载电池或氢燃料电池供电。对于混合动力列车而言，能源效率与重量优化至关重要，而碳化硅功率模块恰好能同时实现这两大目标。

要实现净零排放愿景，柴油列车电气化是关键一步。列车电气化可通过架空线路或第三轨系统为电气化列车供电。当铁路轨道电气化不可行时，就需要混合动力列车 —— 这类列车在非电气化轨道区段，可依靠车载电池或氢燃料电池供电。

高能效功率半导体是铁路牵引系统向绿色转型的核心，因为它们能在列车多个部件中实现节能，具体如下：

· 将电能从架空线路转换至电机：即通过架空线路 / 接触网与直流母线电容之间的线路变流器，以及直流母线电容与列车电机之间的电机逆变器实现转换。

· 将电能从电池或氢燃料电池转换至电机：即通过电池或氢燃料电池与直流母线电容之间的直流 - 直流变流器，以及直流母线电容与列车电机之间的电机逆变器实现转换。

· 为空调、通风、照明等辅助系统供电。

尽管能源效率往往是首要考量，但列车还需在极端环境下运行，且在 35 年甚至更长的使用寿命内满足严苛的任务要求。严寒、高温、高湿等恶劣气候，以及列车频繁的加速与制动，都会产生热机械应力，导致设备老化。因此，功率半导体除需具备高能效与高功率密度外，还需拥有高品质与高可靠性。

图1

图2

降低损耗、减轻重量、减小体积

采用 CoolSIC™技术的新型 3.3 千伏级模块(图 1)，能在工业发电、太阳能电站、风电场、输配电以及需兆瓦级高功率的用电领域实现显著节能。搭载这类碳化硅模块后，单台机车相比以往使用硅基元件的机车，每年可节省约 300 兆瓦时电能，这大致相当于 100 户独栋住宅的年耗电量。

与硅基功率半导体相比，碳化硅功率半导体的功率损耗显著更低，因此能实现高能效牵引变流器。在西门子交通与慕尼黑公共交通公司 SWM 联合开展的实地测试中 [1]，英飞凌 XHP™ 2 CoolSiC 功率模块的能源效率比硅基模块高出 10%。

此外，英飞凌最新碳化硅功率模块具备高功率密度，可使牵引变流器体积更紧凑(体积减少约 10%-25%[2])。而且，由于碳化硅功率模块能让牵引变流器以更高开关频率运行，系统中各类庞大磁性元件的尺寸与重量也得以缩减。

采用对称低感(10 纳亨)XHP 2 封装的 3.3 千伏级碳化硅芯片，专为快速开关(约 18 千伏 / 微秒)设计，可降低动态损耗。对比基于 3.3 千伏 IGBT IHVB 方案的电机逆变器与基于 3.3 千伏碳化硅 XHP 2 模块的电机逆变器(图 2)性能可知：碳化硅方案的占地面积比 IGBT 方案小 50%，总损耗也低 50%。这使得在相同开关频率(1.5 千赫兹)下，碳化硅方案的输出电流可提升 50%;若保持输出电流不变，开关频率可提升至原来的 4 倍(从 1.5 千赫兹提升至 6 千赫兹)[3]。

利用所谓的同步整流模式(反向沟道运行)，还能进一步提升性能。通过在第三象限开启沟道，并缩短负载电流通过体二极管续流的时间(在续流阶段的起始与结束时刻)，可在高温环境下将动态损耗再降低约 30%[4]。

能源效率与重量优化对混合动力列车至关重要，这两大因素均有助于延长列车依靠电池或燃料电池供电时的续航里程。若无需延长列车的无接触网续航里程，那么能效提升与重量减轻可用于缩小电池尺寸，进而降低相应成本 —— 这一点尤为重要，因为电池仍是此类列车的主要成本驱动因素。

最后，碳化硅功率半导体还有助于降低列车系统噪音。一方面，低损耗、高能效的碳化硅半导体对冷却需求更低，可简化冷却系统(例如用被动风冷替代强制风冷)，从而省去风扇，降低冷却系统噪音;另一方面，牵引变流器以更高频率运行，可减少列车电机产生的可听噪音。

延长应用使用寿命

除功率密度、能源效率与重量优化外，铁路交通等特定应用还对功率模块的高循环能力有要求。以区域列车为例，在约 30 年的使用寿命内，一列区域列车大约会经历 90 万次启停。

每次启停都会伴随温度循环与功率循环，这会对功率模块的互连层(如芯片键合线或芯片下方的芯片附着层)产生热机械应力。这种热机械应力会导致设备老化，缩短功率模块在实际应用中的使用寿命(图 3)。

图3

图4

英飞凌 XHP 2 CoolSiC mosfet 方案通过将高功率碳化硅技术与.XT 互连技术相结合，解决了这一问题。.XT 技术专门针对循环过程中受热机械应力影响最大的层面(如键合线与芯片附着层)进行优化，提升其耐用性与可靠性，进而增强功率循环能力，延长产品在实际应用中的使用寿命 [5]。

为体现.XT 技术的优势，研究人员基于区域混合动力列车线路变流器的典型任务剖面进行了寿命仿真。英飞凌对比了采用标准连接技术的碳化硅模块(铝键合线、芯片铝正面金属化、基板焊接芯片、常规系统焊料)与采用.XT 技术的碳化硅模块(铜键合线、芯片铜正面金属化、基板烧结芯片、高可靠性系统焊料)。

仿真结果显示：采用标准连接技术的碳化硅模块使用寿命约为 4 年，而采用.XT 技术的碳化硅模块使用寿命可延长至约 40 年。这一改进表明，在铁路牵引等任务剖面严苛的应用中，.XT 技术能让碳化硅模块在更高结温下充分发挥性能(图 4)。

高鲁棒性：抗浪涌电流与抗短路能力

为让系统设计人员在应对故障时拥有更大灵活性，3.3 千伏碳化硅 XHP 2 功率模块在设计时着重强化了抗浪涌电流与抗短路能力 [5]。

碳化硅变流器的高开关频率使其可搭配体积更小、效率更高的变压器，这类变压器具有低欧姆电阻与低杂散电感的特点。由于变压器的寄生杂散电感有助于限制应用中的浪涌电流水平，因此改用低电感变压器后，系统需具备应对更高浪涌电流的能力。为此，3.3 千伏碳化硅 XHP 2 模块专门设计了更高的 i²t 鲁棒性(结温 175°C、脉冲宽度 10 毫秒时，i²t 值为 500 千安 ² 秒)。

图 5 对比了采用标准互连技术的硅基模块(FF450R33T3E3)与采用.XT 技术的碳化硅模块(FF2000UXTR33T2M1)的浪涌电流波形。FF2000UXTR33T2M1 模块之所以具备更优异的抗浪涌电流能力，得益于其集成的高可靠性体二极管、对称 XHP 2 模块设计与.XT 互连技术的协同作用。

图5

短路耐受时间是铁路牵引应用中普遍要求的性能指标，它能为栅极驱动器留出足够时间，以应对突发故障。在 3.3 千伏 CoolSiC MOSFET 的研发过程中，设计人员特别注重芯片设计，使其具备低导通电阻(RDS (on))与充足的短路耐受时间(漏源电压 2400 伏、结温 175°C、栅源电压 15 伏时，短路耐受时间为 3 微秒)[6]。

此外，XHP 2 功率模块通过在栅极回路中引入负反馈，减缓了短路电流的上升速度。实测显示，模块级别的最大短路电流比按比例缩放的单芯片短路电流低约 35%(图 6)。

图6

3.3 千伏碳化硅 XHP 2 模块的并联应用

高功率需求的应用往往需要将功率模块并联使用，这一过程较为复杂，需谨慎考量多个技术层面，如电力系统设计以及并联模块电气参数的匹配。研究人员已对 3.3 千伏碳化硅 XHP 2 模块的并联应用展开深入研究 [7]，主要结论如下：由于导通电阻(RDS (on))具有强正温度系数特性，1)可最大限度减小并联模块间的电流失配;2)与将对称模块分组并联相比，随机选取模块并联的热性能更优;因此 3)无需将对称模块分组即可实现并联。

3.3 千伏碳化硅 XHP 2 模块得益于导通电阻(RDS (on))的正温度系数特性，在并联运行时能实现电流均匀分配与温度均匀分布(图 7)。导通电阻较小的模块最初会承载更大电流，导致温度升高;而温度升高会使导通电阻增大，形成负反馈回路，最终大幅减小导通电阻偏差(ΔRDS (on))、结温偏差(ΔTvj)与电流偏差(ΔID)。

图7

有趣的是，仿真与实验均表明：与随机选取模块并联相比，选取对称模块并联的热性能更差(详见文献 [7]，图 8)。

图8

需补充说明的是，栅极阈值电压(VGSth)的正反馈回路(栅极阈值电压越低→动态损耗越高→温度越高→栅极阈值电压越低)可能导致动态电流失配，但在本次研究中未观察到这一现象，不过它在极高开关频率下可能会产生影响。图 7c、d 显示了栅极阈值电压最大值(VGSth_max)与最小值(VGSth_min)的模块在开关频率 20 千赫兹下的并联运行情况，未发现动态电流失配迹象。

结论与展望

铁路交通的未来发展方向是电气化，英飞凌 XHP 2 CoolSiC MOSFET(搭配.XT 互连技术)等大功率技术正为这一目标的实现铺平道路。这些技术通过打造高能效、紧凑型、低噪音且使用寿命更长的系统，推动铁路交通脱碳进程步入正轨。