基于全碳化硅功率组件的变流器母排杂散电感解析计算方法

碳化硅(SiC)器件的高开关速度使得其对杂散参数更为敏感,容易激发高频振荡和超调.因此需要对功率回路杂散电感进行准确计算,其中以母排电感最为关键.该文首先对现有母排电感计算方法分析比较,并提出一种考虑趋肤效应影响的母排电感计算方法;在此基础上,结合有限元仿真定量分析空间几何参数、器件布局和母排开孔等因素对母排电感的影响,并通过最小二乘逼近得到多异结构母排电感解析计算公式.最后,使用该方法计算1200V/423A SiC MOSFET测试平台的母排电感,并分别与Ansys Q3D仿真提取结果和实验测试结果对比,结果表明,该方法计算大功率变流器叠层母排杂散电感具有较高的实用性和准确性,可为SiC MOSFET的应用研究和叠层母排的布局设计提供有益支撑.     

SiC MOSFET开关损耗模型

相比于硅(Si)功率器件,碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有耐高温、耐高压、低导通电阻、快速开关等优势,能够极大提升开关速度、减小损耗。传统封装所引入的寄生电感(特别是共源极寄生电感)及SiC MOSFET自身特性参数的非线性现象对于SiC器件的损耗有待进一步评估。针对上述问题提出一种SiC MOSFET的开关损耗模型,并采用热学方法进行了开关损耗的测试。实验结果验证了该模型的准确性,为SiC MOSFET的电路设计提供指导和帮助。     

基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器

针对目前家用光伏系统、电动汽车(EV)和航空航天等领域中对单相逆变器的高功率密度需求,首先提出了一种基于新型碳化硅(SiC)功率模块的高功率密度单相集成逆变器。该单相逆变器采用直流侧并联BoostAPF抑制二次纹波,以此减小直流侧电容;采用高频低损的新型宽禁带SiC器件,将boostAPF和逆变器的开关频率提高到100kHz,显著地减小无源元件的体积。再提出一种新型高功率密度低感全SiC半桥混合封装结构,其尺寸仅为10mm×20.5mm,可以极大地减小杂散电感,显著降低了器件的开关应力、EMI干扰及开关损耗;通过采用直接散热结构,并对散热器及整机热流动进行优化设计,使得装置实现高效散热。最后,基于封装集成技术,研制出一台全数字控制的2kW、功率密度58.8W/in~3、CEC效率高达97.3%及最大效率98.3%的高功率密度单相逆变器。     

SiC MOSFET功率器件特性参数的提取与拟合

为了对碳化硅(SiC)MOSFET功率器件的特性参数进行全面的研究,提出了一种碳化硅(SiC)MOSFET变温度参数模型,该模型考虑了功率器件中封装引脚寄生电感、内部寄生电容、体二极管等特性参数,并根据器件的开关过程中的不同阶段,将功率器件中的导电沟道等效为不同电路模型.为获取该模型中的涉及的特性参数,搭建了基于Agi...     

SiC MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器研究

采用宽禁带半导体器件和软开关技术可显著改善逆变器效率和功率密度。提出采用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的新型磁集成软开关逆变拓扑。重点研究SiC MOSFET零电压开关(ZVS)关断损耗,通过深入探讨SiC MOSFET寄生电容对ZVS实现的影响及等效寄生电容的提取方法,并构建开关电感磁集成动态损耗模型,优化SiC MOSFETZVS的条件,修正器件电压、电流应力公式,获得了更高效的电路设计参数。最后通过一台20 kW SiC MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器实验样机证明了理论分析的正确性。     

碳化硅器件建模与杂散参数影响机理

为了更准确地评估碳化硅宽禁带半导体功率器件的性能和系统特性,需要搭建不同封装下器件的快速行为仿真模型,包括静态特性模型与动态响应模型。首先基于MOSFET器件EKV模型,舍去了原模型的漂移区电阻并赋予参数温度自由度后,实现一种仅需要器件数据手册的快速建模方法。对比原静态模型,改进模型收敛速度更快;器件转移特性和输出特性拟合精确度有明显提高;不同结温的静态特性可独立建模。其次,基于静态模型参数,校正了寄生电容和跨导,加入模块封装和层叠母排的杂散电感和分布电容参数,分阶段建立了开关过程中驱动回路和主回路微分方程,给出了器件杂散参数提取过程以及漏极电流、端电压的动态响应求解方法。最后搭建碳化硅功率模块双脉冲实验电路,结果显示模型可真实重现开关过程中的电压电流尖峰与振铃细节。     

SiC、Si、混合功率模块封装对比评估与失效分析

随着SiC器件在新能源发电、电动汽车等领域的快速发展,对定制化、高可靠SiC功率模块的需求日益迫切。然而,现有SiC功率模块大多沿用Si模块的封装技术,存在寄生电感大等问题,无法适应SiC器件的高速开关能力,难以充分发挥SiC器件的优越性能。该文梳理了功率模块的材料选型准则,以及封装工艺方法,给出了自主封装功率模块的测试流程。针对全Si、混合、全SiC功率模块,基于相同的封装技术和测试方法,对比研究了3种功率模块的动态性能和温敏特性,为不同应用需求下的器件选型提供参考。针对全SiC半桥功率模块,提出了开关损耗的数学模型,并利用实验结果验证了其有效性。此外,结合功率模块的大量故障案例建立了数学模型,分析封装失效的机理,为下一代SiC功率模块的封装集成研究提供了有益的经验和思路。     

SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。     

共源极电感对SiC MOSFET开关损耗影响的研究

共源极电感同时存在于功率MOSFET的功率回路和门极驱动回路中,影响器件的开关特性和开关损耗。共源极电感的影响将随着器件开关速度和开关频率的提高而显得更为严重。碳化硅(SiC)MOSFET相对于硅器件的材料优势使其可以实现更快速的开关过程,共源极电感的影响更加需要考虑。首先分析了现有功率开关损耗测量方法的优劣,然后选用一种通过测量结温升和热阻的方法来测量SiC MOSFET的开关损耗,最后搭建了一台输出功率1kW、输出电压800V的全碳化硅Boost样机,从100kHz到500kHz进行实验验证。实验结果表明,当不含共源极电感时SiC MOSFET的开通损耗、关断损耗均有所减小。     

基于极低寄生参数SiC模块的传导EMI噪声抑制

为减小碳化硅(SiC)器件的高频电磁干扰(EMI),提出一种具有低寄生电感和对地电容的混合封装结构SiC功率模块来抑制传导EMI。构建了两个具有同样功率回路和驱动电路的Buck变换器进行实验验证。两个变换器分别采用所提功率模块和TO-247封装的商用器件。实验证明低寄生电感可大幅增加开关速率但对EMI影响甚微;而低对地电容能有效减小地面电流。考虑到软开关也能减小EMI,在此进一步对比两个变换器在两种工况下的EMI噪声,证明所提结构功率模块在两种工况下均可有效抑制共模噪声。     

并联碳化硅MOSFET短路振荡机理

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为高性能电力电子技术提供了技术保障,其短路承受能力是进一步提升电力电子变换器可靠性的关键;特别是在大功率场合,经常将SiC MOSFET并联使用,然而影响并联SiC器件短路振荡的关键因素并不十分明确,振荡机理有待进一步研究。此处以并联SiC MOSFET为研究对象,建立在短路工况下的等效数学模型,分析影响并联短路特性的关键因素并进行实验验证,归纳短路振荡机理。理论分析与实验结果表明,当并联SiC MOSFET发生短路故障时,栅极驱动电阻和功率回路杂散电感是导致器件并联系统振荡的主要因素,过小的栅极驱动电阻使得并联系统振荡频率和尖峰增大;过大的功率回路杂散电感导致系统振荡频率降低,而振荡尖峰增大,系统的剧烈振荡不利于SiC MOSFET稳定性提高。     

6500V SiC MOSFET模块测试与分析

碳化硅器件在高压、高频、高温、大功率、低损耗及抗辐射等方面均比硅基器件拥有巨大优势,可以极大提升电力电子系统的功率、效率、体积及重量等性能指标,在高压输变电、新能源汽车、航空航天、造舰航海等领域具有巨大的应用前景。其电气特性中的动静态特性及高温可靠性作为表征碳化硅功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块性能的必要参数是首先需要分析的环节。然而目前国内对于高压大功率碳化硅MOSFET模块的动静态及高温可靠性参数的测试分析较为贫乏。动静态参数测试是筛选功率模块性能是否达标的必备步骤,可靠性测试是验证模块处于长期高温环境中的极端工作性能,这些测试结果将是反馈优化器件设计和模块封装性能的重要基础,同时对于推动碳化硅功率MOSFET模块的发展和应用具有十分必要的意义。文中旨在较项目组前期4寸碳化硅晶圆制备的芯片封装而成的同等电压等级的碳化硅模块研究的基础上,选取优化芯片设计并在6寸碳化硅衬底上制备而成的碳化硅器件,封装成6500V/50A碳化硅MOSFET模块,并对其进行动静态及高温可靠性测试与分析,验证芯片设计、集成与封装...     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

SiC MOSFET驱动参数的协同控制研究

碳化硅(SiC)器件的高开关速度使得其瞬态过程的非理想特性显著增加,对杂散参数也更为敏感,容易激发高频振荡和超调。为充分发挥其高速开关过程中的低损耗性能优势,在此采取理论定性与实验定量相结合的方式,揭示了驱动参数对SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关特性的调控规律。通过搭建双脉冲实验平台,在验证模型分析准确性的基础上,着重研究驱动参数的匹配关系,在获得同样振荡和超调抑制效果时,实现更低的开关损耗。     

SiC功率模块开关特性测试研究

碳化硅(SiC)功率模块在开关时电压、电流变化率高,测试系统的寄生电感容易引起电压、电流振荡,使得开关特性的准确测试成为难题。这里通过研制低寄生电感的开关特性测试平台,结合不同封装的SiC功率模块,研究了栅极电阻、不同测试系统对开关性能的影响,测试系统寄生电感越大,需选用的栅极电阻越大,否则电压、电流的振荡影响开关特性测试;测试系统寄生电感越小,可选用的栅极电阻越小,其开关损耗越小。     

SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战

高效、高功率密度和高可靠的性能指标一直是新能源变换器的发展目标。SiC器件可以突破传统Si器件的性能极限,是下一代高性能新能源变换器的基础。针对光伏发电系统,梳理了光伏逆变器的技术现状,总结了新能源变换器对效率、功率密度、可靠性和成本的持续技术需求,归纳了SiC器件在光伏逆变器中的技术优势和应用现状。最后,结合实验结果,从开关振荡、串扰、短路耐受能力、驱动、封装、大功率模块、热交互材料等方面,提出了SiC光伏逆变器的若干关键技术挑战,为下一代光伏逆变器的开发提供了若干研究方向。     

基于优化对称布局的多芯片SiC模块动态均流

由于开关速度非常快,多芯片并联碳化硅(silicon carbide,SiC)功率模块的电压、电流振荡问题比硅(silicon,Si)器件更加突出,对寄生参数的要求也更高。然而,现有的商业化大功率SiC模块采用多芯片并联模式,大多沿用Si器件的封装技术,寄生参数不仅偏大,且存在明显的不对称性,不能充分发挥SiC器件的优越性能,亟需新的封装结构,以改善模块内的电热应力分布。首先,针对直接覆铜板(direct bonded copper,DBC)寄生电感的计算,提出两种简化计算方法,并将计算结果与有限元进行对比,基于这两种方法进行新型DBC布局的辅助设计,针对几种不同的三芯片并联功率模块,对比研究DBC布局对寄生参数分布、电流分布特性的影响,揭示寄生参数对多芯片并联模块电流分布的影响机理。最后,提出一种物理对称的新型功率模块封装结构,以实现各芯片间的电流均衡。对比分析表明,所提出的新型DBC布局能够显著减小回路之间的寄生参数差异,提升了SiC芯片间的电流分布一致性,有利于提升并联芯片额定电流的使用率,改善模块电–热应力的均衡性。     

基于SiC器件的固态超高频感应加热电源

固态超高频感应加热电源由于工作频率高,工作状态受到主电路结构和器件性能的影响,工作频率和输出功率难以提升。通过能量守恒和傅里叶分解的方法,分析了双开关电路的工作原理和工作特性。采用SiC器件和双开关电路制作了一台1 MHz/1 kW的实验样机,并给出了实验结果。结果表明该电路具有电压泵升作用;母线损耗减小,杂散电感无影响;设计的负载电路和采用的SiC器件减小了寄生参数;开关器件无需设置死区时间,可以提升工作频率,且工作于近似零电压的开关模式,降低了开关损耗。     

碳化硅功率模块封装技术综述

碳化硅作为宽禁带半导体的代表，理论上具有极其优异的性能，有望在大功率电力电子变换器中替换传统硅IGBT，进而大幅提升变换器的效率以及功率密度等性能。但是目前商用碳化硅功率模块仍然沿用传统硅IGBT模块的封装技术，且面临着高频寄生参数大、散热能力不足、耐温低、绝缘强度不足等问题，限制了碳化硅半导体优良性能的发挥。为了解决上述问题，充分发挥碳化硅芯片潜在的巨大优势，近年来出现了许多针对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案，重点关注碳化硅功率模块封装中面临的电、热以及绝缘方面的挑战。该文从优化设计方法所依据的基本原理出发，对各种优化技术进行分类总结，涵盖了降低高频寄生电感、增强散热性能、提高耐高温能力以及提升绝缘强度的一系列相关技术。在此基础上，对相关的可靠性问题进行总结。最后基于碳化硅功率模块封装技术的现状，对相关技术的未来发展进行了展望。     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。