包括具有高開關速度的電子元件的設備的制作方法與工藝

本發明涉及用于具有高開關速度的電子元件的電子開關設備。本發明尤其應用于鐵路段中。

背景技術：
現在，市場上出售由具有寬帶隙的半導體材料制成的電子元件。例如，市場上存在由碳化硅或氮化鎵制成的元件。這些元件損耗較低并且工作在比由普通材料制成的元件更高的開關速度。此外，它們的結溫通常較高。期望把這樣的元件使用在功率轉換器中，這是因為它們在重量和體積方面提供增益并且在相當大的程度上減少電損耗。由碳化硅制成的元件可用于幾種元件類型，如：二極管，MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）類型晶體管，或JFET（結型場效應晶體管）類型晶體管。這些元件以各種形式存在，無論是小包裝（封裝）還是功率模塊。以自明的方式，功率模塊通常包括若干元件，例如并聯的元件。無論這些元件以何種方式被出售，都要考慮幾種要求，以便從通過使用這些新元件而獲得的優點中受益。特別地，所使用的開關頻率應該幾十kHz的量級以便使無源元件的尺寸最小化。開關速度還必須較高以便使開關損失最小化。在本發明的上下文中，高開關速度是至少每微秒10千安（kA/μs）或每微秒20千伏（kV/μs）的開關速度。已知實踐是使用稱為IPM（智能功率模塊）的元件。在這種情況下，所有元件都在功率模塊中，在功率模塊上模制有部件。該部件包含控制電路并因此是一個單體部件。不過，使用根據當前設計的IPM元件，不能得到碳化硅的全部優點，這是由于當開關速度變高（大于10kA/μs）時發生在控制部件和功率半導體之間的振蕩問題。因此需要使得能夠從快速開關電子元件的高開關速度獲益的設備。

技術實現要素：
為此，本發明提供電子開關設備，包括：至少一個電子元件以及被設計為控制元件或每個元件的控制電路。每個元件通過相應的連接而被連接到控制電路。元件具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的開關速度，并且連接或每個連接具有小于10nH的電感。本發明還涉及電子開關設備，包括：至少兩個電子元件以及被設計為控制元件或每個元件的控制電路。每個元件通過相應的連接而被連接到控制電路。每個元件具有大于10kA/μs或大于20kV/μs的開關速度，并且連接或每個連接具有小于10nH的電感。根據特定實施例，該設備包括一個或多個以下特征，單獨考慮或根據技術上可能的組合被考慮：－元件由從金剛石、碳化硅和氮化鎵中選擇的材料制成，－控制電路包括信號放大器，連接把放大器連接到元件，－元件在1kHz和500kHz之間的開關頻率工作，－元件在10kHz和40kHz之間的開關頻率工作，－設備包括N個元件，N是嚴格大于1的整數，并且電路包括[(N+1)/2]個控制單元，其中[]表示取整數部分，控制單元中的每個控制單元連接到一個或兩個電子元件，－設備包括N個元件，N是嚴格大于1的整數，并且電路包括N個控制單元，每個元件連接到不同單元，－設備包括多個連接，每個連接具有相同的電感，上下相差不超過3％，－連接具有小于5nH的電感，－每個元件具有大于15kA/μs或30kV/μs的開關速度，－電路包括多個彼此同步的控制單元，以及－通過把這些單元的輸出端中的每個輸出端連接到相同電勢來使這些單元同步。本發明還涉及一種功率轉換器，包括前面所述的設備。本發明的目的還在于一種鐵路車輛，具有前面所述的功率轉換器。附圖說明通過閱讀以下參照附圖并僅作為示例給出的對本發明的實施例的詳細描述，本發明的其它特征和優點將變得清楚。－圖1是根據本發明的電氣開關設備的示例的示意圖，－圖2是設備的另一示例的示意圖，－圖3示出對根據現有技術的設備的數字仿真的結果的圖，－圖4是示出基于根據現有技術的設備的另一數字仿真的結果的圖，－圖5是用根據本發明的設備獲得的結果的圖，－圖6和7是示出對根據現有技術的設備的開關仿真的結果的圖，以及－圖8和9是示出對根據本發明的設備的開關仿真的結果的圖。具體實施方式圖1所示的電氣開關設備10包括六個電子元件12。元件12具有快速開關速度。詞語快速開關速度被理解為高于10kA/μs或20kV/μs的開關速度。根據優選實施例，元件12的開關速度大于15kA/μs（相應地，30kV/μs）。例如，由金剛石、碳化硅或氮化鎵制成的元件12具有較快開關速度。例如，元件12是MOSFET晶體管，JFET晶體管，或具有前述開關速度的任何其它電子元件。設備10還包括控制電路14或點火器。控制電路14用于控制元件12。例如，控制電路14能夠發送被施加到晶體管的輸入“柵極”上的命令。根據圖1的示例，控制電路14包括多個控制單元16。在所示的情況下，電路14包括兩個單元16。此外，根據圖1，每個單元16的輸出端連在一起。這意味著所有單元16的輸出端全都在相同電位。換句話說，輸出端發出相同信號。因此，確保了單元16的最優同步。這樣的同步確保了控制信號同時到達所有元件12。因此，功率電流均勻地分布在所有元件12中。作為變型，這些輸出端不連在一起。在這種情況下，每個單元16的點火（或阻塞）的順序被控制以便提高元件12之間的平衡并且便于設備10的制造。還是在該變型中，經由點火順序，控制單元16彼此同步。每個元件12經由連接18而接到單元16。如圖1所示，連接18是有線類型，應當理解可以考慮在元件12和相關聯的單元16之間提供導電性的任何類型的連接。作為示例，這些連接由鋁線制成（稱為引線接合）或形成在印刷電路板上（例如直接焊接銅，DirectBondCopper）。這些引線的長度必須受限制以便能夠加快開關速度而不會引起控制系統振蕩。1cm的距離導致約10nH的引線電感。1cm的距離似乎是高開關速度與可能以合理制造成本生產的設備10之間的較好折衷。連接18中的每個連接的電感小于10nH。由于電路14被放置在受控元件12的附近，所以這樣的電感值確保了元件12的快速開關。優選地，連接18都具有相同的電感（上下不超過3％）以便確保所有元件12的較快開關速度。為了進一步提高元件的開關質量，優選使連接18的電感低于5nH。為了容易的獲得用于連接18的這樣的較低電感，提出（根據圖1）了控制電路14相對接近元件12。接近意思是電路14與每個元件12最多相距約10mm。因此，設備10呈現為包括元件12和控制電路14的功率模塊20的形式。功率模塊20事實上具有限制的尺度。根據圖1的示例，存在具有長方體形狀的外殼，該長方體的任一邊都不大于12cm。該集成提供使設備緊湊的優點。對于單元16中的每一個，至少三個元件12與其相關聯。這允許把元件12放置為相對接近單元16。作為變型，對于包括N個電子元件12的設備10，有利的是為控制電路14提供：[(N+1)/2]個單元16，其中[-]表示取整數部分。事實上，每個單元16都連接最多達兩個元件。因此，單元16和與單元16連接的元件12之間的距離大大減小。在特別情況下，數量N為奇數，模塊20包括：(N-1)/2+1個單元16。(N-1)/2個單元16分別連接到兩個元件12并且1個單獨單元16連接到單個元件12。與單個單元相關聯的該元件12被放置在其它元件12中間。圖2示出另一變型，其允許獲得用于在元件12和單元16之間的每個連接18的較低值的電感。根據該變型，每個元件12與一個控制單元16關聯。根據該圖，設備10僅包括4個元件12。因此控制單元14包括4個單元16。每個元件12都有單獨的控制單元16使得能夠確保對元件12的更好控制。此外，根據圖2中的示例，單元16包括第一子單元22和第二子單元24。第一子單元22包括單元16的對元件12的用于高開關速度的正確運轉具有影響的部件。因此，該子單元22可被認為單元16的有源部分。例如，子單元22具有信號放大器。該第一子單元22放置在模塊20中以便在元件12的附近。第二子單元24不集成在模塊20中。結果，子單元24比子單元22距離元件12更遠。子單元24例如包括：DC-DC轉換器，用于提供電流隔離的裝置，缺陷管理檢測器，以及用于確保根據所考慮的各種實施例的其它功能的裝置。在圖1所示的實施例中，子單元24的元件在很遠處運轉，因為它們對元件12的用于高開關速度的正確運轉沒有影響。特別地，子單元24與模塊20的距離大于10cm。為此，在模塊20中，僅子單元22存在于模塊20中。在操作期間，電開關設備10從元件12的快速開關屬性中受益。本發明中的連接18的電感的較低值使得能夠實現這一點。為了表明這點，進行了各種測試和仿真。下面的表1在此示出針對若干配置進行的測試的結果。配置1和2基于現有技術而配置3根據本發明。表1表示用于開關的相關性能等級。更具體地，給出了元件12的以kA/μs表示并用于測試的開關速度。還給出了切換時間。該切換時間以納秒ns表示。此外，還給出了對應于開關損耗的開關功率。其表示為mJ（毫焦）并在元件在750V、500A操作的配置中被測得。表1:電感的變化對元件的開關速度的影響配置1對應于控制電路被放置在模塊20的外部的情況。該配置對應于具有相對較低的開關速度的半導體設備的常規配置。在該情況下，控制電路和元件之間的連接典型約為1000nH。對于配置1，觀察到對于約30kA/μs的開關速度，具有約60mJ的損耗并且約160ns的開關時間。開關速度因此相對較低，開關時間較慢并且開關功率在較大等級。因此涉及對開關頻率的限制和較大損耗。結果，不可能顯著減小在涉及配置1中測試的元件的功率轉換器中使用的無源元件的尺寸。為此，根據配置1，由元件12組成的轉換器將相對較重和昂貴。根據現有技術的配置2對應于上面描述的IPM元件。在這種情況下，連接的電感較低，約100nH。元件12的開關速度比配置1的情況更高。此外，與配置1相比，盡管開關速度更快（7.0kA/μs），但開關功率（26.6mJ）和開關時間（71ns）僅是配置1中的約50％。最后情況對應于本發明的情況。在此情況下，連接的電感是10nH。可觀察到對于元件12的11.1kA/μs的開關速度，開關功率量17mJ并且開關時間等于僅45ns。這表明使用減少到10nH的電感使得能夠獲得較好的開關。對元件12進行控制的控制電路的其它測試的結果示于圖3、4和5中。在該情況下，元件12是晶體管，即功率MOSFET，其已知包括漏極、源極和柵極。所用的MOSFET晶體管是CRI牌（DMF20120D）的由碳化硅制成的MOSFET晶體管。圖3、4和5分別示出基于若干配置的測試的結果。可變參數是控制電路14和元件12之間的要被控制的連接18的電感，以及元件12的開關速度。根據圖3的示例，引線電感在控制電路和MOSFET晶體管之間等于100nH。這尤其對應于根據現有技術的配置2。在圖3的情況下，MOSFET晶體管被控制在約1.5kV/μs的較低開關速度。在圖3中，兩個曲線26和28隨時間的演變趨勢以示波圖（波形圖）的形式示出，時間單位是100ns/tile（納秒/網格）。第一曲線26是示出晶體管的漏極和源極之間的電壓隨時間演變的變化的曲線。一個網格表示100伏特。第二曲線是晶體管的柵極和源極之間的電壓變化的曲線。該曲線28用對應于5V/tile的縱坐標（y-坐標）表示。在圖3的情況下，在曲線28表示的命令和晶體管的輸出信號之間，似乎不存在任何較大的信號失真。這對應于該設備能夠在較低開關速度運轉的事實。圖4示出針對同一配置、但在較高切換速度（6kV/μs）獲得的隨時間的變化。圖4也是以示波圖（波形）的形式，其時間單位為50ns/tile。漏極和源極之間的電壓隨時間的變化用曲線30表示，而曲線32表示柵極和源極之間的電壓隨時間的變化。變化的單位在曲線30和32之間并不相同。對于曲線32，一個網格表示10V而對于曲線30，一個網格表示100V。該圖4的最值得注意的部分是在圓形部分34中觀察到的重新阻塞（re-blocking）現象。重新阻塞或重新點火現象與控制電路14和晶體管12之間的諧振有關。這些振蕩的緣由是這兩個元件之間的連接的相對較高的電感。這實際上示出在根據現有技術的配置2中，不可能把開關速度提高到超過10kA/μs或20kV/μs。這對于根據本發明的設備10是可能的。所獲得的試驗結果示于圖5中。這里圖5也是以示波圖的形式示出的。隨時間的變化是相對于漏極和源極之間的電壓以及柵極和源極之間的電壓被示出的。與漏極和源極之間的電壓相對應的曲線36用以下單位示出：5V/tile和橫坐標（X軸）上的100ns/tile。曲線38用縱坐標（Y軸）上的100V/tile和橫坐標上的100ns/tile。在此情況下，觀察不到對應于重新阻塞的振蕩。這示出對于相對較低的電感（低于10nH），晶體管12的開關是穩定且快速的。圖3、4和5的結果是在控制電路14控制單個元件12的情況下示出的。在功率模塊的情況下，并行布置若干元件（半導體芯片）以便形成可以承受高得多的電流的開關。根據現有技術，單個控制電路14被用于控制所有并行布置的元件12以及具有變化（方差大于3%）且相對較大值（大于10nH）的電感的相關聯的連接18。圖6和圖7示出針對由碳化硅制成的、并行布置（被單個控制電路14控制）的兩個MOSFET型晶體管12的開關仿真的結果。在圖6和圖7這兩個圖中示出元件12的漏極和源極之間的電流以及兩個晶體管12的柵極和源極之間的電壓隨時間的變化。在電流和電壓曲線上觀察到振蕩。這些振蕩是由于把控制電路14和元件12連接的不同連接18之間太大的差分電感而導致的。圖8和圖9，除了使用根據本發明的配置之外，示出與圖6和圖7相同的情況。在此情況下，可以使元件12的開關速度快得多，這是因為快速開關模塊的性能是穩定的。不過，在圖8和圖9這兩個圖中，可觀察到在電流和電壓曲線上仍有振蕩。這些振蕩對應于在元件12和電路14之間仍有殘余電感的事實。一旦開關速度變得大于12kA/μs，即使電感很低，這些振蕩也開始出現。這對應于控制單元16優選地被同步的事實。這樣的同步確保控制信號同時到達所有元件12。因此，功率電流均勻分布在所有元件12之間。本發明的優點是通過使用非常快的功率半導體12來優化功率模塊20的開關。此外，開關也是穩定的。這種優化使得能夠提高開關頻率并因此允許使用很適于高頻開關的其他類型的磁性材料。這樣的材料使得功率轉換器整體上具有較小重量和較小體積。舉例而言，50kW（千瓦）的硅逆變器的重量大約是90kg，而由碳化硅制成的同樣的逆變器僅是該重量的33%。碳化硅的適當使用還有助于減小功率轉換器的損耗。結果，由焦耳效應產生的熱量減少。這樣制冷系統就可不那么高效。因此，導致成本節約。