今天这篇介绍InfineonXHP™2系列3.3kVCoolSiC功率模块在列车系统中的应用
先介绍背景
为实现净零排放，铁路运输正从柴油列车转向混合动力列车（使用架空线、车载电池或氢燃料电池供电）。
混合动力列车对能量效率和重量优化要求极高，SiC功率模块因其高效、轻量化的特性成为理想选择。
相比Si基IGBT模块，SiC功率模块存在如下五大优势：
1、高效：相比Si基IGBT模块，SiC MOSFET模块可提升约10%的系统能效，单机车年度节电量约300MWh（相当于100户家庭年用电量），
2、高功率密度：相比Si基IGBT模块，SiC MOSFET模块体积减少10%~25%，使系统更加紧凑，
3、高频工作能力：相比Si基IGBT模块，SiC MOSFET模块可支持更高的开关频率，减少磁性元件尺寸与重量，
4、低损耗：相比Si基IGBT模块，通过采用同步整流模式，SiC MOSFET模块可降低动态损耗，并将高温损耗降低约30%，
5、静音与散热优化：相比Si基IGBT模块，SiC MOSFET模块对冷却的需求较低（可改用被动风冷），从而降低电机噪音。
对混合动力机车而言，能源效率和轻量化至关重要，因其有助于延长机车依靠电池或燃料电池供电时的续航里程，
若无需延长机车续航里程，那么能效的提升和重量的减轻可用于减小电池尺寸，进而实现成本降低，
这一点尤为重要，因为电池仍是此类机车的主要成本项。
接下来，详细介绍Infineon的3.3kVCoolSiC功率模块产品，
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XHP™2系列3.3kVCoolSiC MOSFET产品如上，
左栏是不同额定电流的产品型号，中间是关键技术，采用SiC MOSFET芯片，XHP™2是模块封装形式，以及.XT技术，
右栏是应用场景，包括铁路牵引、风力发电、光伏逆变器、储能系统等严苛高功率应用设计。
这里解释一下，何为XHP™2？
eXtremeHighPower2，针对极端严苛应用环境的高功率模块封装，
何为.XT？
eXtremeTechnology，针对极端工况下的功率循环、温度冲击所采用的技术，
比如，针对铁路应用中的高频启停（约90万次/30年）导致的功率循环与热机械应力要求，Infineon采用铜键合线、芯片烧结等工艺，替代传统的铝键合与焊接，
仿真显示，.XT技术使SiC模块寿命从4年延长至40年，提升10倍。
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如上，区域列车在30年生命周期内，约有90万次启停，每次启停都伴随一次温度和功率循环，
啥叫区域列车？
比如连接城市与郊区的通勤列车，特点是站间距短、启停极其频繁。
每次“启动-运行-制动-停止”过程，对功率模块而言，都是一次完整的功率循环，伴随一次剧烈的温度循环。
启动/加速时，电机需要大电流，功率模块中的芯片（SiIGBT或SiC MOSFET）承载高负载，产生大量热量，芯片和内部连接点的温度急剧上升，
制动/停止时，负载消失或大幅降低，器件温度下降。
周期性的温度波动导致模块内部不同材料（芯片、焊料、铜/铝键合线、陶瓷基板、铜底板等）因热膨胀系数不同而发生反复的膨胀、收缩，
一般来说，键合线或芯片下方的贴装层，是功率模块最脆弱的区域。
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如上，有无.XT技术的仿真结果对比，左图为标准连接技术，右图为.XT连接技术，
左图寿命只有4年左右，远低于列车设计寿命，
寿命终止机制包括键合线翘起、芯片焊料退化等，
右图寿命40年左右，超过列车设计寿命，
寿命极大延长的原因，是.XT技术消除了键合线翘起和芯片焊料退化，
为什么能消除？
看左右模块结构的差异，主要有四点，
1、用铜键合线（CuBondWire）替代铝键合线，散热更佳，机械强度和热应力承受能力更强，与芯片烧结层实现更优的热膨胀匹配，
2、芯片表面，用铜取代了铝（Cumetallization），为铜键合线提供一个更坚固、更可靠的连接界面，避免铝-铝界面在高温下的脆化问题。
3、芯片烧结（Sintering）取代芯片焊料，通过银烧结工艺，在高温高压下形成多孔、坚固的银层连接，熔点极高，导热性远超焊锡，且多孔结构可吸收应力，提升抗疲劳能力。
4、高可靠性系统焊料（High-relsystemsolder），仍然是焊料连接，但采用抗疲劳能力更强的焊料合金，延缓其退化过程。
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如上，XHP™2系列3.3kVCoolSiC MOSFET功率模块产品抗浪涌能力，
采用标准互连技术的3.3kV硅基IGBT模块，i2t为68kA2s，
而采用.XT技术的3.3kVCoolSiC MOSFET功率模块，i2t为500kA2s，
i2t意味着什么？
意味着器件能安全吸收的瞬态能量大小，这是衡量器件承受浪涌电流能力的核心指标。
为什么SiC模块的i2t提升7倍之多？
见图中右边列出的三条，
1、无肖特基接触（未集成SBD），在高温大电流工况下，金属-半导体界面稳定性更优，
2、对称模块设计，指XHP2封装的物理布局对称，当大浪涌电流涌入，电流可以均匀分布在模块内部并联的多只芯片，避免集中流经某只芯片，从而防止局部过热，
因此SiC模块可承受更大浪涌电流。
3、XT技术，消除了键合线翘起和芯片焊料退化。
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短路测试波形如上，
结温175°C、漏源电压2400V、栅源电压15V条件下，短路耐受时间3μs，
右图强调了短路电流的缓慢上升，即上升斜率较小。
为什么会这样？
原文提到，XHP2功率模块通过在栅极环路中引入负反馈，以降低短路电流的上升速度，
按我的理解，负反馈过程大概如下：
短路电流急剧上升时，在模块的源极寄生电感上产生感应电压，
Infineon通过优化布局设计，将这个感应电压耦合到栅源驱动回路，使其抵消一部分驱动电压，
等效VGS的下降，导致短路电流降低，因此实现短路电流上升速度的减小。
文中提到，在模块层级测到的最大短路电流，比按单芯片缩放测量的短路电流低约35%。
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XHP™2系列3.3kVCoolSiC MOSFET功率模块在逆变器运行中易于并联，不需要为了并联而筛选模块，证据如上，
（b）为3kHz开关频率下，Rdon差异对均流的影响，
具体做法是，将Rdon最大和Rdon最小的两个模块（理论上最差的情况）并联，在3kHz开关频率下运行，
红色、橙色为IDS，深蓝、浅蓝为VDS，
在整个正弦波周期内，电流不匹配度仅为10%左右，
根本原因在于Rdon的正温度系数，
简言之，初始电流较大的模块，温度升高，而温升使其Rdon增大，于是流经该模块的电流减小，
如此形成的负反馈机制，自动实现均流。
（c）和（d）则是Vth差异对均流的影响，（c）仍为IDS和VDS，（d）为VGS，
具体做法是，将Vth最大和Vth最小的两个模块并联，在20kHz开关频率下运行，
结果并未观察到电流的重新分配，这意味着两个模块在每个开关瞬间的电流分配都很稳定。
自动均流机制意味着工程师不需要筛选出参数一致的模块，极大减少工作量和可靠性风险。
这也是SiC MOSFET相比SiIGBT的一大优势，后者的饱和压降具有负温度系数，易导致电流集中和热失控。
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这张图，更是给出一个反直觉的结论——英飞凌3.3kVSiCXHP2功率模块并联使用时，应采用“随机抽取，不追求对称匹配”的策略！
让我解释这个逻辑，
（a）、（b）两张图，绿蓝黄红四种配对方式，每组两只模块，
（a）是Rdon，（b）是Vth，
绿、红是对称分配，两只模块的Rdon和Vth基本一致，区别在于绿组的Rdon较小，红组的Rdon较大，
蓝黄是不对称分配，蓝组有一只的Rdon明显大于另一只，黄组有一只的Vth明显大于另一只，
（c）是并联模块间的电流分配，蓝组的电流不均衡最大，约10%，其他组两只模块的电流几乎一致。
（d）是并联模块间的结温变化，红组（对称设计，但两只模块的Rdon较大）的结温最高，
大概逻辑是：两只模块的导通电阻都大→单模块导通损耗更高→并联后这一相的总损耗最大→结温最高，
换言之，采用对称分配，如果不幸将两只电阻较大的模块分在一起，会导致最高的温升。
（e）、（f）都是系统级仿真，目的是验证上述结论，
最终结果是，
采用对称分配，将两只电阻较大的模块放在同一相，两只电阻较小的模块放在另一相，这种方式的热分布最差，峰值温度最高。
反而采用随机分组的逆变器，热分布更加均匀，最高结温显著降低，没有突出热点。
本质上仍然归功于SiC MOSFET电阻的正温度系数，既可在模块层级实现均流，也可在系统层级实现热分布均匀化。
当一热一冷两只模块并联时，系统会自动调整电流分配，使热模块减载、冷模块加载，最终实现热平衡。
小结：
1、混合动力列车对能量效率和重量优化要求极高，SiC功率模块因其高效、轻量化的特性成为理想选择，
相比Si基IGBT模块，SiC功率模块存在五大优势：高效、高功率密度、高频工作能力、低损耗、静音与散热优化。
2、InfineonXHP™2系列3.3kVCoolSiC MOSFET产品，采用3300VSiC MOSFET芯片，XHP™2是模块封装形式，以及.XT技术，
相比标准连接方式，.XT技术的改进主要有四处：铜键合线、表面铜金属、芯片烧结以及高可靠性系统焊料，因而消除键合线翘起和芯片焊料退化。
3、SiC MOSFET电阻的正温度系数，使其既可在模块层级实现均流，也可在系统层级实现热分布均匀化。
当一热一冷两只模块并联时，系统会自动调整电流分配，使热模块减载、冷模块加载，最终实现热平衡。
因此Infineon3.3kVSiCXHP2功率模块并联使用时，应采用“随机抽取，不追求对称匹配”的策略。
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