SiC MOSFET模块化直流固态断路器的集成化封装

直流断路器是关断直流输配电网中短路电流的关键设备。与机械断路器相比,使用半导体器件关断短路电流的固态断路器(SSCB)和混合断路器在响应时间方面表现出很大的优势。多个半导体器件串联有助于直流SSCB承受直流母线的高压,但会导致高成本和大体积。提出了一种基于SiC MOSFET模块化主从驱动的直流SSCB,所有串联器件仅需一个驱动器,简化了栅极驱动电路。对模块进行单面散热封装,可以减小寄生电感并优化散热,使器件的性能得到更好的发挥。实验结果表明,该直流SSCB可以承受700X V的直流母线电压(X为模块数),可在20μs内关断70 A短路电流。模块化设计具有更高的灵活性和更低的成本。

一种双面散热SiC MOSFET功率模块的设计与测试

现有的SiC模块大多沿用传统的基于硅基模块的封装,难以支持SiC芯片在高温、高频下的应用。为了进一步发挥SiC芯片的性能,设计了一款双面散热半桥模块。模块内部由SiC MOSFET芯片与金属垫片构成,在实现双面散热的同时完全消除了键合线,提高了可靠性,降低了寄生参数。首先,通过ANSYS Q3D EXTRACTOR软件提取模块的寄生参数,结果表明模块功率回路的寄生电感为5.45 nH。利用多物理场仿真软件COMSOL证实该双面散热结构相比传统的单面散热结构能够减少30%的芯片结温。随后展示了模块的制备工艺流程。最后,动、静态实验测试结果表明该模块具有良好的动态与静态特性。

SiC MOSFET直流固态断路器短路特性及保护电路

为了提高用于直流微电网的SiC MOSFET固态断路器(SSCB)的可靠性,对其在较大电感条件下的短路特性和短路保护电路进行了研究。首先对SSCB短路电流分断过程进行了分析,给出了金属氧化物压敏电阻(MOV)的选型依据。在此基础上通过实验研究了不同直流母线电压、不同功率器件结温和不同故障电感下SSCB的短路特性,揭示了SSCB的短路失效模式,分析了SSCB短路电流分断能力的影响因素。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的电压源型退饱和保护电路,并制作了样机。实验结果表明,所设计的退饱和保护电路实现了短路保护的快速响应,响应时间为593 ns,可有效保护SSCB中的SiC MOSFET。