无压低温烧结纳米银封装电力电子器件的进展与思考

无压低温银烧结技术是高功率密度SiC器件的无铅化关键互连技术,对SiC功率模块的可靠性提升具有重要的意义。针对典型Si基功率模块封装连接工艺及其可靠性,阐述了当前无压低温纳米银烧封装技术的进展与思考:(1)讨论了电力电子器件封装连接可靠性的典型风险和原因;(2)介绍了无压低温连接技术的最新发展;(3)基于Si基典型功率模块封装向高可靠SiC功率模块转变过程中在封装结构和材料方面的需求,阐述了无压低温银烧结技术在引线型、平面型和双面冷却功率模块封装方面的进展;(4)提出无压低温银烧结技术当前有待解决的技术难题。     

双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估

双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能大幅降低封装寄生电感和结壳热阻,提升电气装备的功率密度,是SiC功率模块的发展趋势。然而,DSC SiC功率模块的失效机理不明、寿命模型缺失,成为制约其商业化应用的关键瓶颈,亟待技术突破。传统加速老化实验方法的成本较高、耗时较长,不利于产品的快速迭代升级。针对DSC SiC功率模块的可靠性研究,文中提出一种基于有限元的分析方法,基于材料的疲劳老化模型及功率模块的失效判据,建立DSC SiC模块的寿命模型。基于大量功率模块的寿命测试结果,验证了有限元模型的可行性和有效性,相对误差小于6%。此外,详细分析SiC和Si功率模块焊层的应力和蠕变规律,建立不同封装功率模块的寿命模型。结果表明:相对于单面散热封装,DSC封装功率模块的寿命提升一倍。采用相同封装,SiC功率模块的寿命是Si功率模块寿命的30%左右。此外,还详细分析了不同封装材料对DSC SiC功率模块寿命的影响规律。为下一代DSC SiC功率模块的研发与应用,提供有益的参考。     

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。     

碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望

碳化硅(silicon carbide,SiC)功率器件作为一种宽禁带器件,具有耐高压、高温,导通电阻低,开关速度快等优点。如何充分发挥碳化硅器件的这些优势性能则给封装技术带来了新的挑战:传统封装杂散电感参数较大,难以匹配器件的快速开关特性;器件高温工作时,封装可靠性降低;以及模块的多功能集成封装与高功率密度需求等。针对上述挑战,论文分析传统封装结构中杂散电感参数大的根本原因,并对国内外的现有低寄生电感封装方式进行分类对比;罗列比较现有提高封装高温可靠性的材料和制作工艺,如芯片连接材料与技术;最后,讨论现有多功能集成封装方法,介绍多种先进散热方法。在前面综述的基础上,结合电力电子的发展趋势,对SiC器件封装技术进行归纳和展望。     

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%。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。     

15 kV超高压SiC功率模块封装研究

高压碳化硅(SiC)功率模块主要应用于功率逆变器和断路器等方面,可有效减小系统体积、提升系统功率效率。15 kV SiC MOSFET及20 kV以上IGBT器件在多个实验室研发成功,但针对高压大电流的SiC MOSFET模块封装仍然停留在6.5 kV等级,随着电压等级的升高,模块内部电气绝缘和局部放电引起的问题也越发突出。针对高压封装内部局部放电现象进行研究,通过实验对比探究了陶瓷的电气距离、灌封材料、DBC涂敷材料对局部放电的影响,并在实验基础上研制出一款15 kV高压SiC功率模块,绝缘耐压达到18.5 kV以上。     

全碳化硅大功率直流电源关键技术研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件的耐压、频率和损耗等特性均优于硅(Si)器件,然而SiC器件抗冲击能力差、电磁干扰大,且SiC器件对整个功率变换系统的贡献尚缺乏分析验证,因此,采用全SiC器件研制高性能的大功率直流电源具有一定挑战.首先针对SiC器件抗冲击能力差的问题,引入嵌入式保护策略,应对直流...     

风冷SiC逆变器的设计方法与封装集成

SiC风冷逆变器省却了复杂的液冷系统,使电动汽车的动力系统更加紧凑。然而,风冷SiC逆变器缺乏系统的设计方法和关键的封装集成路径。提出一种风冷SiC逆变器的分层协同设计方法,包括功率模块、母线电容和散热器3个层次。在功率模块层,采用电-热-力多物理场分析方法,建立SiC功率模块的多维应力模型,提出一种改进的功率模块封装方法。在母线电容层,建立电容容值和纹波电流之间的数学模型,计及纹波电压、纹波电流和成本之间的相互制约,提出母线电容材料选择和电容值最小化的优化方法。在散热器层,采用电-热协同仿真方法,建立风冷散热器的热阻模型,对散热器的结构和材料进行优化设计。在分层优化设计的基础上,研制SiC功率模块和风冷SiC逆变器样机,实验结果验证了所提设计方法和封装集成的可行性。所作研究为SiC逆变器的研究提供了新的研究方向。     

基于碳化硅器件的无线充电系统电源设计

碳化硅(SiC)器件耐高频高温、散热性能好、导通电阻小,应用于无线充电系统可有效提高无线充电系统的效率。文中首先对比了SiC材料与Si材料的特性,在此基础上研制了一套基于SiC器件的无线充电系统电源装置。该装置由整流模块和逆变模块构成,输入端接市电,且装置的整流模块具有功率因数校正功能。文中详细给出了整流模块的整流桥选型策略、滤波电路参数设计方法、Boost电路功率器件和无源元件设计原则及开关管控制电路设计方法,还给出了逆变模块的开关管选型策略、开关管驱动电路和开关管保护电路的设计方法。最后,实验结果验证了方案的有效性和可行性,输入侧实现了高功率因数,逆变电路开关管电压振荡得到抑制,实验样机的效率峰值可达98.2%。     

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。     

电力电子中的碳化硅（SiC）

SiC是提高功率模块中功率密度的一种理想材料,SiC功率器件具有非常低的开关损耗,热传导率很低。本文介绍了SiC混合模块（传统IGBT和SiC肖特基二极管）和全SiC模块的性能,并与传统硅续流二极管（CALHD）和快速硅二极管进行比较。．     

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。     

基于全碳化硅的车辆辅助逆变器应用研究

为满足轨道交通高频化、小型化、轻量化、高功率密度的发展需求,在此研究一种基于高压全碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的轨道车辆辅助逆变器。采用某型号SiC器件建立20 kW试验平台,验证SiC器件运行的可行性与稳定性,并通过对比SiC器件与硅(Si)器件性能,证明SiC器件的高效性。     

Si/SiC混并联结构主动温度控制

Si/SiC混并联结构以更低的成本,提供了接近全SiC器件的性能,因此Si/SiC混并联结构逐渐成为新的研究热点.目前,Si/SiC混并联结构研究大多集中于如何减小损耗.然而,在Si/SiC混并联结构损耗优化过程中,作为辅助器件的小电流SiC MOSFET可能出现温度过高甚至超过最高结温限制的问题.为此,提出了一种适用...     

基于SiC器件同步整流的高效Boost电路

Boost电路的效率高低直接决定着其应用效果和其所在系统的性能,提高Boost电路的效率至关重要。深入研究SiC器件的特点,在Boost电路中采用新颖的SiC功率半导体器件替代传统的Si器件。设计了适用于SiC MOSFET的驱动电路,引入同步整流技术,并部分地实现了功率器件的软开关,最终设计出了高效的应用在高压场合的Boost电路。实验结果表明全采用SiC器件的Boost电路效率得到了较大提高,可在更高频率下工作,应用同步整流和软开关技术后进一步提高了效率。     

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。     

基于双脉冲实验的SiC与IGBT特性对比研究

SiC功率器件的应用要求对SiC半导体器件本身结构性能及工作特性等有系统认识和研究,其相关工作在国内才刚起步。通过搭建双脉冲实验平台,对SiC功率器件驱动工作特性进行实验研究,进行双脉冲测试,实现530 A大电流驱动关断实验。与IGBT模块的双脉冲测试结果对比,SiC功率器件比IGBT器件开关速度更快,开关损耗更小,续流管反向特性好,反向恢复电流更小。此外,针对SiC功率器件关断时的涌浪电压问题,采用纯C吸收电路可有效抑制涌浪电压,降低器件的关断损耗。     

混合模块及其应用

SiC器件是下一代电力电子器件,目前价高难推广应用,在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外,SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡,也为应用带来很大困难,混合模块有助于克服这困难。介绍两种Si和SiC混合模块的应用:硅IGBT和碳化硅BCD混合模块及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块。另外,还介绍全硅IGBT和MOSFET混合模块的应用,它也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处。