碳化硅功率器件技术综述与展望

碳化硅(silicon carbide,Si C)器件作为一种宽禁带半导体器件,具有耐高压、高温,导通电阻低等优点。近20年来,Si C器件是国内外学术界和企业界的一大研究热点,该文对近些年来不同Si C器件的发展进行分类梳理,介绍二极管、结型场效应晶体管、金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管及门极可断晶闸管器件,并对比分析器件结构及参数性能,针对关键问题展开论述。最后,对SiC器件近年的发展进行总结和展望。     

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。     

碳化硅功率器件

碳化硅材料具有优越的电性能，如高的击穿电场，高的电子饱和速度，大的热导率使其在功率器件方面具有很大的潜力，近年来引起人们的高度关注。 本文将从材料特性，器件工艺和特性，以及国内发展情况几个方面介绍碳化硅功率器件的现状。     

碳化硅IGBT电力电子器件封装和绝缘研究综述

基于传统Si(碳)材料的制约和宽禁带材料SiC(碳化硅)的大力发展,对电力电子的发展、电力电子器件的结构和封装工艺、电力电子器件的检测技术以及电力电子绝缘材料的研究进行了梳理。主要的检测技术是局部放电和电树枝测量技术,而对于材料介电性能的研究方法包括击穿强度、介电常数、电导率、时域介电弛豫等。对于材料理化性能主要是采用扫描电镜、超声波扫描显微镜、傅里叶红外光谱、热失重、差式扫描热分析等研究手段。     

碳化硅功率器件的串扰问题及抑制方法

为了改善碳化硅功率器件的快速开关瞬态带来的串扰问题,研究碳化硅功率器件的驱动参数对串扰问题的影响,总结抑制串扰的驱动策略,并提出串扰抑制的谐振型驱动方法。首先,明确米勒电容和共源极电感的耦合作用,分析得到半桥结构中碳化硅功率器件的串扰机理;其次,通过LTspice仿真研究碳化硅功率器件驱动器的栅极电阻和栅源电容对串扰的影响;然后,提出抑制串扰的驱动策略和谐振型驱动方法;最后,通过双脉冲测试电路实验观测串扰影响,并对比分析所提方法与有源米勒钳位方法的实验结果。研究结果表明：在开通串扰下,有源米勒钳位方法下的栅源电压负尖峰为-13.2 V,串扰抑制的谐振型驱动方法下的电压负尖峰仅为-7.3 V;在关断串扰下,有源米勒钳位方法下的栅源电压正尖峰为-2.4 V,串扰抑制的谐振型驱动方法下的电压正尖峰仅为-3.81 V。上述结果验证了所提方法的有效性。     

碳化硅功率器件在电力电子中的应用

从碳化硅(SiC)功率半导体器件的等效电路入手,分别讨论了碳化硅肖特基二极管(SiC SBD)与碳化硅结型场效应功率晶体管(SiC JFET)的稳态与暂态特性。分析并解决了碳化硅器件开通电压与驱动电压不匹配的问题,设计了一种SiC JEFT功率开关器件的驱动电路。实验结果表明,SiC新器件具有良好的开关特性,驱动电路可以有效驱动SiC JFET器件。     

基于碳化硅功率器件的高频感应焊机设计

高频感应焊机可用于钢管直缝焊接,主要特点为开关频率高和设备功率大,功率器件为硅MOSFET和硅快恢复二极管。由于硅基功率器件的特性限制,高频感应焊机的效率、容量和成本受到了一定制约。随着碳化硅功率器件技术的不断成熟,其性能特点尤其适用于大功率高频感应焊机设备。通过对硅和碳化硅功率器件参数进行对比分析,使用碳化硅功率器件对现有串联型高频感应焊机主电路进行优化,并设计了适用于多器件并联的SiC MOSFET驱动电路和功率单元。最后,搭建了1台100 kW/500 kHz的SiC MOSFET串联型高频感应焊机样机,进行实验测试。实验结果表明,所设计的高频感应焊机性能和焊接效率均高于现有设备。     

基于碳化硅功率器件的光伏逆变电路设计

文中基于对碳化硅(SiC)功率MOSFET器件的理论研究,设计了用于大功率光伏逆变的ZVT PWM Boost逆变器电路。针对基本的逆变器电路结构并结合ROHM公司的SiC功率器件特性,优化了电路中的其他元器件参数。针对逆变器主电路结构以及实际光伏逆变过程中的需求,确定了驱动芯片选型和电路模块的拓扑结构。最后文中使用Or CAD Capture CIS软件对逆变器的主电路和控制驱动电路模块进行模拟仿真,验证了逆变器的功能。所设计的逆变器仿真结果表明,其效率为98.15%,与Si基的IGBT电路相比在效率方面提高了3.15%。     

碳化硅功率器件用有机硅灌封胶材料耐温性能研究

碳化硅(SiC)功率器件高功率密度化的发展趋势和航空领域的应用需求,对封装用有机硅灌封胶材料的耐高低温性能提出更高的要求。本文以SEMICOSIL 915HT、Duraseal 1533、R-2188 3种型号商用有机硅灌封胶材料为研究对象,比较三者的耐温性能。结果表明：灌封胶材料热降解过程中甲基氧化阶段的反应与灌封胶材料热氧老化过程的前期反应相同。R-2188的灌封胶材料具有较高的甲基氧化反应活化能(249.5 kJ/mol)、335℃的起始热分解温度和在甲基氧化阶段较低的质量损失(5%),更适用于高温运行条件下SiC功率器件的封装。SEMICOSIL 915HT具有-81.1℃的结晶起始温度和0.006 4 min^-1的结晶速率,更适用于低温运行条件下SiC功率器件的封装。     

SiC功率器件的研究和展望

分析了碳化硅(SiC)功率器件的研究现状与发展趋势,给出了在SiC功率整流二极管、SiC功率晶体管以及关键工艺中取得的最新研究成果.研制出了具有较好整流特性的SiC肖特基势垒二极管,并对其输运机理和高温特性进行了研究.研制成功了国内第一个SiC MPS二极管,耐压高达600V,正向电压为3.5V时电流密度可达1 000A/cm2.研制出国内第一个SiC MOSFET和第一个SiC BCMOSFET.所制备的SiC BCMOSFET可得到最高为90 cm2/(V·S)的有效迁移率.分析了界面态电荷和界面粗糙对SiC MOSFET反型层迁移率的影响,其结果对提高SiC MOSFET器件特性有一定指导作用.     

电力电子系统建模关键技术综述及展望

随着电力电子技术应用领域的快速发展,电力电子系统的复杂度进一步增加,给系统高效和可靠运行带来了巨大的挑战。电力电子系统是一种典型的多时间尺度非线性系统,为了充分发挥电力电子系统的优势,国内外学术界和工业界通过对其多时间尺度下的动力学行为进行建模,揭示了不同时间尺度下电磁特性及相互作用机理。该文从器件级、变换器级、系统级3个层级对比不同时间尺度下电力电子系统建模方法,并总结技术演进中面临的新的关键问题及对应的最新研究成果,主要包括高可靠的器件驱动及保护方法、良好的变换器动静态控制方法和电磁干扰抑制策略及电力电子系统的电磁暂态仿真及稳定性分析技术。最后,指出现有研究中仍需解决的问题,并对未来建模关键技术的发展方向进行展望。     

GaN功率器件预驱动芯片设计与封装集成

氮化镓GaN(gallium nitride)功率器件因其出色的导通与开关特性,能够实现系统高频化与小型化,有效提升系统功率密度。但是,增强型GaN功率器件由于其栅极可靠性问题,使其在电源管理系统中无法直接替换传统硅基功率MOSFET器件。为此,提出一种预驱动芯片,通过片内集成LDO与电平移位结构,实现兼容12～15 V输入,并输出5 V信号对GaN功率器件的栅极进行有效与可靠控制,达到兼容传统硅基功率器件应用系统的要求。此外,通过多芯片合封技术,将预驱动芯片与GaN功率器件实现封装集成,降低了寄生电感,使其应用可靠性进一步提升。     

功率器件热网络建模综述*

功率器件结温的准确监测,对其可靠性评估、寿命预测及所处系统的优化运行方面都有至关重要的影响。相较于其他方法,热网络建模法不仅能实现结温的离线预测,而且能在一定程度上实现在线监测,因此具有广泛的应用前景。以传统热网络理论的由来为基础,归纳了近年来热网络的发展状况,梳理了热网络参数的提取方式,重点介绍了瞬态热阻抗法,并通过相应的仿真进行说明。在此基础上概述了热网络在线监测的最新进展,展望了功率器件热网络建模的未来研究方向。     

宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用

以碳化硅(silicon carbide,SiC)为主的第3代半导体技术突破了硅材料半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗和开关速度上的极限,能够显著减少电力电子变换器的重量、体积、成本,提高电力电子系统的性能。一直以来,高功率密度电动汽车电力驱动系统一直是新一代大功率电动汽车发展的主要挑战,而宽禁带功率器件的应用,将对新一代电动汽车特别是混合电动汽车的发展产生重要影响。论文主要介绍SiC功率半导体器件的发展,对SiC器件在电动汽车中的研究现状与应用前景进行分析和展望,最后探讨SiC器件在电动汽车电力驱动系统应用中面临的主要问题。     

我国功率器件市场2016年发展展望

功率器件的功率比较大,很适合于各行各业的需求,需求量大。过去几年功率器件市场波动巨大,2009年全球功率半导体市场销售额下跌16%,2010年则暴涨44%,创下有史以来的最高增长记录,2011年增长11%。后面两年由于市场对于经济增长不确定性的担忧而采取去库存、压价与推迟购买等举措,功率器件市场又经历了30多年来首次连续两年下跌(2012年下跌8%,2013年下跌6%)。2014年功率器件市场增长     

高压功率模块封装绝缘的可靠性研究综述

随着高压功率模块在直流输电、高速铁路和新能源发电等领域的普及和应用,高压功率模块的可靠性问题将越来越突出。该文阐述高压功率模块封装结构、绝缘材料、放电检测、失效机理以及可靠性改进等方面研究的最新进展。首先,针对现有的高压功率模块封装结构,分析广泛应用的高压硅基IGBT和SiC MOSFET模块的封装结构,以及高压功率模块封装绝缘材料的类型与特性。随后,评述高压功率模块封装绝缘的老化和失效机理以及现有的局部放电评估标准和测量方法。此外,总结高压功率模块封装绝缘可靠性改进的方法。在综述的基础上,结合高压功率模块小型化、集成化、耐高温化的发展趋势,指出高压功率模块封装绝缘的主要威胁、挑战和发展趋势。     

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键.针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装...     

功率器件高电压封装用复合电介质灌封材料研究

封装绝缘材料是电力电子器件中最主要的绝缘组件,它的特性决定了高电压功率器件的适用性.该文提出了一种添加纳米级颗粒碳化硅的硅凝胶复合电介质材料,该新型硅凝胶基复合电介质材料具有显著的非线性电导特性,文中首先研究了其中碳化硅填充颗粒的掺杂比例和服役工作温度对其直流电导特性的影响规律.随后,采用制备的新型硅凝胶基复合电介质研...     

氮化镓功率器件/模块封装技术研究进展EI北大核心CSCD

氮化镓(Ga N)作为典型的宽禁带半导体材料,具有高耐温、高耐击穿电压以及高电子迁移速率的优势,封装技术对于充分发挥Ga N的以上优势并保障工作可靠性十分关键。文中首先对比分析Si基、Si C基和Ga N基器件/模块封装的异同,随后从封装杂散电感、封装散热设计和封装连接可靠性3个方面,分别介绍其带来的问题以及解决方案,讨论目前研究可能存在的不足。基于综述分析,最后提出未来Ga N功率器件/模块封装技术亟待解决的问题以及研究展望。     

硅烷偶联剂改性纳米AlN对碳化硅器件封装用有机硅弹体耐电及老化特性的影响

为了研究硅烷偶联剂改性纳米氮化铝（AlN）对有机硅弹体耐电及高温老化特性的影响,该文将纯有机硅弹体及其硅烷偶联剂改性纳米AlN复合材料在250℃高温下热老化500h,对老化前后的试样进行形貌分析、扫描电镜（SEM）断面表征、热重分析（TGA）、直流电导率及去极化电流测试、空间电荷测量、介电谱、直流击穿实验和量子化学计算,并对硅弹体基体和纳米AlN界面在老化过程中的状态变化进行分析,提出热老化前后的界面模型。结果表明：纯有机硅弹体热老化后热分解产生大量断链和内部微孔,其浅陷阱密度增加;对于纳米复合材料,老化前硅弹体基体与纳米AlN之间存在界面间隙,浅陷阱深度减小;热老化前后的界面状态对硅弹体纳米复合材料的热稳定性和电气性能产生了明显的影响,热老化后硅弹体基体与纳米AlN之间形成化学键和氢键,提高纳米复合材料的热分解温度,也使其深陷阱深度和密度增加。相比于老化后的纯有机硅弹体,老化后的纳米复合材料直流电导率更低、空间电荷积累更少、直流击穿场强明显提升,且质量分数3%纳米掺杂的复合材料具有最好的热分解抑制效果。研究结果表明,适量掺杂的硅烷偶联剂改性纳米AlN可显著提升有机硅弹体的耐电及老化特...