[07-2025] Современные силовые полупроводниковые приборы для железнодорожного транспорта

[Admin]

Современные силовые полупроводниковые приборы для железнодорожного транспорта

А.В. СТАВЦЕВ, технический директор, АО «Протон-Электротекс», г. Орёл
Аннотация. Силовые полупроводниковые приборы играют ключевую роль в современных тяговых приводах железнодорожного транспорта и системах собственного электроснабжения поездов. Преобразователи, используемые в железнодорожной отрасли, оснащаются мощными полупроводниковыми приборами. Эволюция элементной базы — от простых диодов и тиристоров до биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и современных транзисторов на основе широкозонных материалов, таких как карбид кремния (SIC) и нитрид галлия (GaN), — позволила существенно повысить энергоэффективность, точность регулирования и надежность преобразовательной техники [1]. Новые полупроводниковые технологии обеспечивают более высокую эффективность и плотность мощности по сравнению с традиционными кремниевыми компонентами [2]. Железнодорожный сектор активно стимулирует спрос на такие инновации, что обусловлено стремлением к энергосбережению и снижению стоимости жизненного цикла.
Параллельно с развитием новых технологий возрастают требования к надежности силовых приборов. Железнодорожный транспорт характеризуется длительным сроком службы подвижного состава и экстремальными условиями эксплуатации, включая электрические перегрузки, вибрации и значительные перепады температуры окружающей среды. В связи с этим вопросы устойчивости приборов к многократным термоциклам, методы ускоренных испытаний и модели прогнозирования ресурса становятся ключевыми при проектировании и производстве силовых полупроводниковых приборов.
В данной статье представлен расширенный обзор современных силовых полупроводниковых приборов, применяемых в железнодорожной технике, с акцентом на энергоэффективность, надежность, долговечность и снижение стоимости жизненного цикла. Проведено сравнение различных технологий, включая тиристоры, IGBT и SiC MOSFET.
Ключевые слова: силовые полупроводниковые приборы, тиристоры, IGBT, SiC MOSFET, железнодорожный транспорт.
 

• 1ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
• 2ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ СИЛОВЫМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРИБОРАМ
• 3КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ НА ТИРИСТОРАХ
• 4СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРОВ С СОВРЕМЕННЫМИ ПОДХОДАМИ НА БАЗЕ IGBT, SIC И GAN MOSFET
• 5ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
• 6НАДЕЖНОСТЬ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
• 7ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• 8Библиография

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Железнодорожный электрический транспорт играет ключевую роль в экономическом, социальном и техническом развитии мирового сообщества. Он обеспечивает грузовые и пассажирские перевозки, способствует развитию городов и промышленности, а также представляет собой экологичную и энергоэффективную альтернативу другим видам транспорта. Кроме того, железнодорожный транспорт является драйвером научно-технического прогресса в широком спектре отраслей промышленности.
В последние десятилетия железнодорожный транспорт развивается стремительными темпами. Современные проекты в этой области ориентируются на следующие направления:
> высокоскоростные поезда;
> водородные, гибридные и полностью электрические локомотивы;
> бесшумный городской электротранспорт (метро, трамваи, электропоезда);
> поезда на магнитной подушке.
Все эти сегменты требуют использования эффективных, компактных, легких и надежных тяговых преобразователей и преобразователей собственных нужд, способных работать при высоких напряжениях и повышенных частотах коммутации.
К создаваемым образцам преобразовательной техники предъявляются следующие требования:

1. повышение надежности и срока службы;
2. снижение стоимости жизненного цикла и эксплуатационных расходов;
3. увеличение КПД и энергоэффективности в целом; уменьшение массогабаритных показателей;
4. минимизация негативного воздействия на качество электроэнергии питающей сети.

Ключевым элементом преобразовательной техники являются силовые полупроводниковые приборы, которые во многом определяют их базовые характеристики. Таким образом, потенциал и развитие силовых полупроводниковых приборов напрямую влияют на технические возможности преобразователей для железнодорожного транспорта и, в конечном итоге, на характеристики подвижного состава в целом.

ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ СИЛОВЫМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРИБОРАМ

Исходя из требований, предъявляемых к современной преобразовательной технике для железнодорожного транспорта, формируются соответствующие требования к силовым полупроводниковым приборам, используемым в этой отрасли. Одним из ключевых требований является повышение плотности тока, которое достигается благодаря снижению динамических и статических потерь, увеличению максимальных рабочих температур и улучшению тепловых характеристик приборов.
Кроме того, для улучшения потребительских свойств преобразовательной техники необходимо повышение частоты коммутации, что требует снижения паразитных индуктивностей в конструкции приборов и оптимизации распределения токов потоковедущим цепям.
Не менее важным требованием является повышение ресурса и надежности приборов. В условиях интенсивной эксплуатации железнодорожного транспорта долговечность и стабильность работы силовых полупроводниковых приборов становятся критически важными параметрами.
Современные тенденции также включают требования к повышению степени интеграции, что позволяет создавать более компактные и функциональные устройства. При этом разработка кастомизированных решений под конкретные задачи железнодорожной отрасли становится все более востребованной, обеспечивая оптимальное сочетание характеристик и стоимости. Наконец, снижение стоимости удельной мощности остается важным экономическим требованием, позволяющим внедрять передовые технологии без значительного увеличения затрат. Это особенно актуально для массового применения в железнодорожной инфраструктуре.
Таким образом, современные силовые полупроводниковые приборы для железнодорожной отрасли должны сочетать высокую эффективность, надежность, компактность и экономичность, что требует постоянного совершенствования технических решений и технологии их производства.

КЛАССИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ НА ТИРИСТОРАХ

Несмотря надоминирование транзисторных технологий всовремен-ных технических решениях, тиристоры не утратили своей актуальности и продолжают использоваться в силовых системах железнодорожного транспорта. Во-первых, значительное количество эксплуатируемой техники оснащено тиристорными преобразователями. Например, в России и странах СНГ до сих пор работают тысячи электровозов постоянного тока с тиристорными регуляторами. Эти системы зарекомендовали себя как надежные и легко ремонтируемые, а внедрение техники на основе IGBT происходит постепенно, по мере износа существующего парка или при необходимости повышения эффективности. Во многих случаях тиристорные схемы остаются простыми, хорошо освоенными и экономически выгодными в эксплуатации.
Тиристоры классического типа также активно применяются во вспомогательных узлах и инфраструктуре железных дорог. Например, в выпрямительных блоках тяговых подстанций для питания контактной сети постоянного тока предпочтение отдается мощным кремниевым тиристорам и диодам благодаря их высокой эффективности и надежности. Там, где не требуется быстрого переключения, и коммутация может осуществляться посредством перехода тока через ноль, тиристоры остаются оптимальным решением по соотношению цена/потери.

Кроме того, тиристоры используются в устройствах плавного пуска и рекуперативного торможения электропоездов на постоянном токе. Например, схема рекуперации может включать полууправляемые тиристоры, которые возвращают избыточную энергию обратно в контактную сеть или направляют её на тормозной резистор.
Еще одно важное применение тиристоров — защитные устройства. Тиристоры могут функционировать в качестве электронных предохранителей или коммутаторов, отключая цепь при превышении допустимого тока. В новых составах такие функции часто выполняют быстродействующие выключатели на основе IGBT (Solid State Circuit Breaker), однако тиристорные аналоги (TSCB) также существуют и могут быть более надежными, поскольку тиристор в открытом состоянии обладает крайне низким сопротивлением и способен выдерживать огромные импульсные токи (десятки килоампер) в течение короткого времени.
Производители продолжают совершенствовать характеристики тиристоров. Современные быстродействующие тиристоры обладают сокращенным временем выключения, что расширяет область их применения. Появились тиристоры с элементами самозащиты, способные корректно переключаться при превышении предельного значения dV/dt, перенапряжении или приложении повторного напряжения в момент неполного восстановления. Также разработаны тиристоры с повышенной устойчивостью к циклическим нагрузкам.

Таким образом, тиристоры остаются важной частью силовой электроники железных дорог, хотя их применение ограничивается более узкими сегментами: либо в существующем парке, где их ресурс еще не исчерпан, либо в специализированных задачах, требующих уникальных свойств (например, способности выдерживать сверхбольшие перегрузочные токи). В целом наблюдается тенденция к замене тиристорной техники на решения с использованием IGBT/SiC там, где это экономически и технически оправдано. Однако для некоторых задач классические тиристоры еще долгое время будут использоваться параллельно с современными технологиями.

СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРОВ С СОВРЕМЕННЫМИ ПОДХОДАМИ НА БАЗЕ IGBT, SIC И GAN MOSFET

Тиристоры. Различные поколения силовых приборов обладают уникальными преимуществами и ограничениями, которые определяют их область применения в тяговых приводах. Тиристоры были основой тяговой электроники в 1970 — 1990-х годах. Тиристор имеет четырехслойную структуру р-п-р-п и управляется токовым импульсом на управляющем электроде. После открытия он остается в проводящем состоянии до тех пор, пока анодный ток не снизится до нуля. Это означает, что обычный тиристор не может самостоятельно отключаться — для этого требуется либо естественная коммутация от сети, либо использование внешних цепей принудительного гашения.
Достоинства тиристоров:
И высокая устойчивость к токовым перегрузкам (тиристоры способны выдерживать значительные токи короткого замыкания, что делает их надежными в условиях возникновения нештатных ситуаций);
• / низкие статические потери (в открытом состоянии тиристоры имеют минимальные потери, что повышает их энергоэффективность; в проводящем состоянии тиристор ведет себя как диод с малым падением напряжения [—1,5 — 2 В], тогда как у IGBT падение напряжения насыщения может составлять 2 — ЗВ). Это обеспечивает более высокий КПД в мощных системах с относительно низкой частотой коммутации, где тиристоры демонстрируют меньшие потери на проводимость;
■ И высокие циклостойкость и ресурс (тиристоры обладают длительным сроком службы и устойчивостью к многократным температурным циклам);
И надежность и отработанность решений (благодаря многолетнему опыту применения, схемы на основе тиристоров хорошо изучены и отличаются высокой надежностью).
Ограничения тиристоров:

• Е> низкая частота коммутации (тиристоры не способны работать на высоких частотах, что ограничивает их применение в современных высокочастотных системах);
• Е> необходимость сложных схем управления (для отключения тиристоров требуются дополнительные цепи, что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость системы);
• Е> высокие динамические потери (при переключении тиристоры теряют значительное количество энергии, что снижает общую эффективность системы);
• Е> низкая скорость переключения (в схемах на тиристорах невозможно быстро изменять режим работы, что приводит к заметным пульсациям тока и необходимости использования больших сглаживающих реакторов).

Линейка отечественных тиристоров охватывает диапазон напряжений от 800 до 6500 В с возможностью расширения до 8000 В. Средние токи варьируются от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер. Приборы выпускаются в прижимной конструкции в модульном, таблеточном и штыревом исполнениях. Помимо низкочастотных тиристоров, адаптированных для групповой работы в последовательно-параллельных схемах, существуют также высокочастотные тиристоры, которые применяются на подвижном составе железнодорожного транспорта.

Линейка отечественных тиристоров и диодов на примере продукции компании АО «Протон-Электротекс» приведена на рис. 1 и 2.
IGBT. Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) совершили качественный скачок в тяговой электронике начиная с 1990-х годов. IGBT представляет собой трехслойный прибор (р-п-р) с MOSFET-структурой управления затвором, объединяющий достоинства биполярного транзистора (высокая токовая нагрузочная способность, низкое напряжение насыщения) и MOSFET (высокое входное сопротивление, управление напряжением). В отличие от тиристора, IGBT — полностью управляемый ключ, способный включаться и выключаться по сигналу затвора в любое время, независимо от протекания тока через него. Это упрощает управление током и позволяет работать на значительно более высоких частотах.
Достоинства IGBT:

• высокая частота коммутации. IGBT может переключаться на частоте до нескольких килогерц (благодаря этому тяговые инверторы на IGBT формируют ток почти синусоидальной формы с минимальными пульсациями, что улучшает плавность хода, снижает нагрев двигателей и акустический шум, а более высокая частота ШИМ позволяет использовать двигатели без массивных сглаживающих дросселей);
• простота реализации схем и монтажа. Модули IGBT с изолированным основанием достаточно легко монтировать на охладитель и подключать к ним силовые шины, не требуются сложные и массивные снабберные цепи, обязательные для тиристоров. Кроме того, IGBT-модули легко включать параллельно для увеличения тока и последовательно для повышения напряжения, практически без сложных согласующих цепей (достаточно небольших RC-фильтров для равномерного распределения напряжения) [1]. Это существенно облегчает создание многоуровневых и многомодульных систем;
• защищенность от аварий. IGBT обладает встроенной способностью ограничивать ток при коротком замыкании (КЗ). В режиме КЗ транзистор входит в насыщение и удерживает ток на уровне порядка 5 номиналов, после чего за десятки микросекунд может быть выключен сигналом затвора. Таким образом, IGBT способен пережить короткое замыкание без разрушения, в то время как для тиристорных схем необходимы специальные быстрые предохранители или разрядники, иначе прибор выходит из строя. Это свойство существенно повышает надежность и живучесть тяговых преобразователей с IGBT;
• низкие динамические потери (относительно низкие динамические потери IGBT позволяют их использовать на повышенных частотах и эффективно организовывать отвод выделяемого тепла);
• высокая плотность мощности (по совокупности факторов IGBT модули дают возможность построить более эффективные преобразователи по плотности мощности);
• решения на IGBT обладают меньшими размерами и массой при одинаковой мощности преобразователя по сравнению с решениями на тиристорах.

Ограничения IGBT:

• ограниченная перегрузочная мощность в режиме короткого замыкания (тиристоры выдерживают токи перегрузки в несколько десятков крат по отношению к номиналу, в отличие от IGBT, которые выдерживают пятикратное превышение тока и в случае затруднений с выключением транзистора в данном режиме возможен выход его из строя);
• относительно низкая циклостойкость (более низкая циклостойкость и ресурс IGBT приборов в массовом модульном исполнении с изолированным основанием по сравнению тиристорами прижимной конструкции);
• высокие статические потери, что не позволяет построить эффективное техническое решение, где преобладают статические режимы работы.
• В преобразователях собственных нужд используются IGBT приборы на 1200 и 1700 В. В основном применяется решение на 1700 В.
• В тяговом преобразователе востребованы транзисторы:
• 1700 В (преимущественно для метрополитена);
• 3300 В (тепловозы и электровозы, в том числе построенные по многоуровневой схеме);
• & 4500 В (электровозы);
• 6500 В (маневровые электровозы, электропоезда «Ласточка», «Иволга», «Сапсан»).

Линейка отечественных IGBTмодулей на примере продукции компании АО «Протон-Электротекс» приведена на рис. 3.
SiC MOSFET сравнительно недавно начал применяться в железнодорожной технике. По принципу действия это полевой транзистор с изолированным затвором, аналогичный кремниевому MOSFET, но изготовленный на основе карбида кремния с широкой запрещенной зоной —3,2 эВ (в сравнении с 1,1 эВ у кремния). Благодаря материалу SIC MOSFET сочетает высокое рабочее напряжение и устойчивость к повышенным температурам с крайне низкими потерями на переключение.
По сравнению с IGBT, у SiC MOSFET коммутационные потери значительно ниже. Он способен работать на частотах в десятки килогерц даже при напряжениях класса 3,3 — 6,5 кВ, в то время как кремниевый IGBT ограничен частотами в единицы килогерц. SiC MOSFET — это прибор, управляемый напряжением (как и IGBT), имеющий паразитный обратный диод. В контексте железнодорожной техники SiC MOSFET рассматривается как преемник IGBT для новых поколений тяговых преобразователей, что позволяет еще больше снизить потери и уменьшить габариты оборудования.
Ключевые преимущества SiC MOSFET:

• значительно меньшие коммутационные потери;
• более низкие статические потери при малых и средних токах;
• возможность работы при температуре кристалла 175 — 200 °C без ухудшения надежности;
• возможность работы в третьем квадранте, т.е. пропускание обратного тока через транзистор, что имитирует встречно-параллельный диод (это позволяет уменьшить габариты силовых полупроводниковых приборов по сравнению с IGBT и исключить высокие перепады температур в цикле работы транзистора и встречного диода).

Ограничения SiC MOSFET:

• высокая стоимость;
• сложность производственной технологии;
• недостаточно изученные вопросы долговечности (например, надежность подзатворного оксида и встроенного диода при длительной эксплуатации);
• сложность обеспечения электромагнитной совместимости (ЕМС);
• высокие скорости фронтов тока и напряжения, что может повредить изоляцию трансформатора или двигателя;
• проектирование полупроводников и преобразователя в целом требует специфических знаний.

Тем не менее, в испытательных и опытных образцах подвижного состава SiC-инверторы продемонстрировали улучшение КПД и снижение потерь на ~10 — 15 % по сравнению с лучшими аналогами на основе IGBT [3]. Это напрямую способствует энергосбережению и снижению тепловой нагрузки на систему охлаждения. Отечественные силовые SiC MOSFET на примере продукции компании АО «Протон-Электротекс» приведены на рис. 3.
GaN НЕМТ (транзисторы на основе нитрида галлия) по параметрам дополняют SiC MOSFET. Они обладают еще более высокой скоростью переключения и малой емкостью затвора, что минимизирует потери на высоких частотах. GaN-приборы имеет смысл применять там, где требуются очень высокие частоты (сотни кГц и выше) и сравнительно невысокое напряжение. На железнодорожном транспорте GaN может найти применение во вспомогательных преобразователях, источниках бесперебойного питания, системах отопления/кондиционирования вагонов (для повышения эффективности и уменьшения размеров этих устройств). Для основных тяговых цепей GaN-технология пока не обеспечивает нужных уровней напряжения и тока, но такие разработки ведутся.
Несомненный плюс GaN — крайне низкие потери при высокочастотной работе, позволяющие существенно снизить массу фильтров и катушек, а значит, и общий вес оборудования. Ожидается, что по мере совершенствования технологий GaN займет свою нишу наряду с SiC в системах железнодорожной электроники.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Современные тенденции развития силовых полупроводниковых приборов для железнодорожного транспорта направлены на дальнейшее повышение эффективности, интеграцию интеллектуальных функций и освоение новых материалов. Рассмотрим некоторые перспективные направления.
О Интеллектуальные силовые модули (IPM, Intelligent Power Module). Это силовые модули, объединяющие в одном корпусе не только собственно транзисторы/диоды, но и встроенные драйверы управления, датчики тока, температуры, а также схемы защиты и диагностики. IPM изначально появились для промышленной автоматики и электроприводов, но они все более актуальны и для тяговых преобразователей железнодорожной техники. Их преимущества очевидны: высокая степень интеграции упрощает разработку системы, сокращает число внешних компонентов и повышает надежность благодаря оптимальному согласованию внутри модуля.
Например, типовой IРМ содержит встроенные защиты от перенапряжения, превышения тока, перегрева, а также выводит диагностические сигналы контроллеру [4]. В случае аварии такой модуль способен само-отключиться быстрее, чем сработает внешняя защита, предотвращая повреждение силовых элементов.

Благодаря близости драйвера и транзисторов внутри корпуса уменьшается паразитная индуктивность и улучшается управление — можно достичь оптимальных быстрых фронтов без риска перенапряжений, что важно для SiC/GaN приборов. Для железнодорожной техники создание высоковольтных IPM-модулей (напряжением 3,3 кВ и выше) с интегрированными функциями станет большим шагом вперед, позволяющим упростить топологию преобразователей и улучшить их отказоустойчивость.
© Системы мониторинга состояния и предиктивная диагностика. Внедрение датчиков и электронных измерителей прямо в силовые модули открывает возможность непрерывно контролировать их состояние. Перспективным является встроенный мониторинг параметров силового элемента: падения напряжения на открытом приборе, времени переключения, утечек, температуры кристалла, изменение теплового сопротивления и др. Уже сейчас реализуются решения, где каждая силовая ячейка снабжена микроконтроллером, собирающим такие данные и передающим их в центральную систему диагностики. Сочетание этих данных с алгоритмами машинного обучения позволит прогнозировать срок службы с высокой точностью.

Для железнодорожных операторов это чрезвычайно важно: переход от планово-предупредительной системы ремонта и обслуживания к обслуживанию по состоянию позволяет снизить издержки и избежать внеплановых простоев. Можно предположить, что в новых поколениях тяговых преобразователей появятся «умные» силовые шкафы, способные сами сигнализировать о необходимости замены определенного модуля задолго до его отказа.
© Новые полупроводниковые материалы и приборы будущего. Помимо SiC и GaN, которые уже вошли в практику, в лабораториях ведутся разработки силовых приборов на алмазе и других ультрашироко-зонных полупроводниках (оксид галлия Ga2O3, нитрид алюминия AIN и др.). Алмазные транзисторы обещают невиданные характеристики: ширина запрещенной зоны —5,5 эВ, критическое электрическое поле пробоя порядка 10 МВ/см, теплопроводность в 3 — 5 раз выше, чем у меди.
Теоретически алмазные приборы могли бы работать при температурах >300 °C, коммутировать тысячи вольт на частотах в сотни килогерц практически без потерь. За алмазом закрепилось название «крайний» или «ультимативный» полупроводник будущего, способный вывести электронику на новый уровень эффективности [5].
Уже достигнуты первые успехи: созданы опытные диоды Шоттки на алмазе с пробивными напряжениями порядка 5 — 10 кВ [6], отработаны технологии легирования алмаза для создания р-n переходов. В 2021 г. японские инженеры сообщили о первом n-канальном алмазном транзисторе, открывшем путь к полностью алмазным приборам [7]. Практическое применение алмаза пока сдерживается трудностями: малый размер доступных монокристаллов, сложность легирования, очень высокая стоимость.

Но перспективы внушительны: алмазные силовые транзисторы потенциально смогут радикально уменьшить габариты и массу тяговых преобразователей, практически устранив ограничения по нагреву и потери на проводимость [5]. Это приведет к упрощению охлаждения, снижению энергопотерь и даже удешевлению обслуживания и миниатюризации охлаждающих устройств. Ожидается, что алмазные приборы найдут нишу в сверхответственных применениях (например, авиация, космос) в течение ближайших 10—15 лет, а затем по мере удешевления могут прийти и на наземный транспорт, включая железнодорожный.

1. Новые методы охлаждения и компоновки. Параллельно с развитием самих приборов идут инновации в области их охлаждения. Появляются решения по двухстороннему охлаждению силовых модулей (охлаждение с обеих сторон чипа для равномерного отвода тепла) и использование тепловых трубок.
2. Глубокая интеграция комплектного электропривода. Также рассматривается интеграция силовых модулей непосредственно на тяговых двигателях — интегрированный привод, где инвертор крепится на корпус двигателя, что сокращает длину кабелей, уменьшает потери и помехи. Все это требует очень надежных и компактных силовых компонентов, что становится возможным благодаря новым полупроводникам.
3. Улучшение характеристик IGBT. Нельзя забывать, что и традиционные кремниевые IGBT продолжают совершенствоваться. В настоящее время доступны IGBT VII поколения с еще более низким падением напряжения и возможностью работы при +175 °C. На подходе технологии с тонкопленочным затвором и новые конструкции ячеек, снижающие паразитные емкости и повышающие скорость. Это означает, что даже перед лицом конкуренции SIC, кремниевые приборы будут оставаться востребованными благодаря оптимальному сочетанию цены и отличных характеристик в своем диапазоне.

Более того, появляется концепция гибридных модулей, где в одном корпусе используются и кремниевые IGBT, и SiC-диоды (для снижения обратных потерь), или параллельное включение SIC MOSFET и IGBT для сочетания их преимуществ (SIC берет на себя быстрые переключения, IGBT — проведение больших токов).

НАДЕЖНОСТЬ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Надежность силовых полупроводниковых приборов — критически важный параметр в железнодорожной технике, где отказ тягового привода может вывести из строя локомотив и повлиять на безопасность движения. При проектировании преобразователей закладывается ресурс, рассчитанный на десятилетия интенсивной эксплуатации (до 30 лет, что эквивалентно миллионам циклов нагрузки).
Для обеспечения высоких требований к качеству силовых полупроводниковых приборов, применяемых на железнодорожном транспорте, деятельность компании-производителя должна быть организована соответствующим образом как в области разработки, так и испытаний. В целом система качества менеджмента обязана быть нацелена на выпуск продукции, соответствующей высоким требования железнодорожной отрасли.
Разработка. На этапе разработки, по сути, закладываются качество будущей продукции и её себестоимость. Для гарантированного обеспечения качества необходимо применять методы оценки технических рисков и выстраивать целенаправленную работу по их снижению посредством технических решений и (или) внедрению специализированных методов контроля при квалификации продукции или во время серийного производства.
Испытания. Реализуется комплекс испытаний, направленный как на определение базовых технических характеристик разрабатываемых и производимых приборов, так и на комплексное исследование и подтверждение высокого уровня надежности продукции.

Общее количество испытаний превышает 125 для квалификации одного типа IGBT-модуля. Объем базовых испытаний на надежность на примере IGBT-модулей, выпускаемых компанией АО «Протон-Электротекс», приведен ниже:

• ❖ стабильность утечек по затвору (HTGB);
• ❖ стабильность утечек по цепи коллектор-эмиттер (HTRB);
• ❖ стабильность утечек по цепи коллектор-эмиттер при повышенной влажности (H3TRB);
• ❖ электротермоциклирование;
• ❖ термоциклирование;
• ❖ тепловой удар;
• ❖ вибрация;
• ❖ механический удар;
• ❖ низкотемпературное хранение;
• ❖ высокотемпературное хранение;
• ❖ соляной туман;
• ❖ хранение при повышенной влажности.

Система качества менеджмента. Для обеспечения качества выпускаемой продукции система менеджмента должна гарантировать воспроизводимость её характеристик. Для этого необходимо автоматизировать бизнес-процессы компании, внедрить системы менеджмента качества, включая общепромышленную — ISO 9001 и специализированную для железнодорожного транспорта — IRIS, а также регулярно подтверждать применяемые подходы аудитами со стороны клиентов.
Ниже приведен подход в области менеджмента качества российской компании АО «Протон-Электротекс», поставляющей силовые полупроводниковые приборы для железнодорожной отрасли.
Сертификаты соответствия:

• ♦ 150 9001:2015;
• ♦ 150 14001:2015;
• ♦ ISO/TS 22163:2017 (IRIS).

Автоматизация бизнес-процессов:

• 100 % основных бизнес-процессов компании автоматизированы с помощью ERP-системы;
• 40 % вспомогательных и обеспечивающих процессов автоматизированы с помощью ВРМ-системы;
• оставшиеся процессы качественно документированы.

Методы менеджмента качества:

1. применяется система анализа технических рисков конструкции — DFMEA;
2. используется система анализа технических рисков технологии производства — PFMEA;
3. проводится оценка воспроизводимости ключевых технологических процессов с использованием статистических методов — SPC;
4. оценивается воспроизводимость измерений с использованием статистических методов — MSA;
5. применяются методы выявления коренных причин и анализ проблем: 8D, «5 Почему».

Пройденные аудиты со стороны клиентов, связанных с железнодорожной промышленностью:
Ну General Electric (США);
Трансмашхолдинг (Россия);
АВВ (Швейцария);
’Ф- Alstom (Франция);
’Ъ- Schneider Electric (Франция);
Fuji (Япония).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отрасль силовой полупроводниковой электроники для железнодорожного транспорта находится в фазе динамичного развития. Новые материалы и интеллектуальные технологии открывают возможности для создания еще более эффективных, надежных и «умных» тяговых преобразователей. Это, в свою очередь, будет способствовать появлению более энергоэффективного и экономичного тягового подвижного состава, с меньшими затратами на его жизненный цикл и лучшими эксплуатационными качествами. Инженерам, занимающимся разработкой и эксплуатацией железнодорожной техники, важно следить за этими трендами, чтобы своевременно внедрять передовые решения и сохранять конкурентоспособность подвижного состава в современных условиях.

Библиография

1. Силовые полупроводниковые приборы — в центре тихой революции // АББ Ревю. 2003. № 4. С. 27 — 31.
2. Silicon carbide power components for Mireo Plus В units // Railvolution: site. 2022. May 10. URL: https://www.railvolution.net/news/silicon-carbide-power-components-for-mireo-plus-b-units.
3. Towards more efficient, Silicon Carbide-based traction systems // Europa Rail: site. 2024. Jul 29. URL: https://rail-research.europa.eu/latest-news/towards-more-efficient-silicon-carbide-based-traction-systems/.
4. Intelligent Power Modules provide excellent protection for industrial equipment // Arrow: site. 2020. Apr 8. URL: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/on_semi_ipm.
5. The transistor of the future. URL: https://compoundsemiconductor.net.
6. Diamond Power Electronics: From 1 kV towards 10kV Breakdown / Z. Han, H.-P. Lee, B. Bayram, C. Bayram // 2022 Compound Semiconductor Week (CSW). Ann Arbor, Ml, USA, 2022. P 1-2. DOI: 10.1109/CSW55288.2022.9930383.
7. Danton T. New diamond transistor is a world-1 st paving the way for high speed com*Иванов**Иванов**Иванов**Иванов**Иванов*g at the highest temperatures // Livescience: site. 2024. March 27. URL: https://www.livescience.com/ technology/electronics/new-diamond-transistor-is-a-world-1st-paving-the-way-for-high-speed-com*Иванов**Иванов**Иванов**Иванов**Иванов*g-at-the-highest-temperatures/.