高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

EconoDUAL封装、母线电压800V的1200A IGBT功率模块设计与开发

提高车规级功率模块的功率密度对电动汽车的性能具有重要意义,而传统功率模块内部采用的二维布局杂散电感大,限制了开关速度与母线电压,影响功率密度的提高。为此,以EconoDUAL封装的IGBT功率模块为对象,使用叠层DBC的方法进行三维布局设计,开发出了1200 V/1200 A的IGBT功率模块;详细介绍了所提功率模块的布局结构,与传统二维布局方法相比,杂散电感下降了58%;同时,对功率模块进行电气性能测试,通过了母线电压800 V下脉冲电流为1200 A的双脉冲实验,证明了模块功率密度的提高。为了在提高功率密度的情况下不影响散热性能,功率模块底部使用了水冷PinFin散热器,并对其进行了散热仿真和结-水热阻的测试,结果表明,IGBT热阻为0.084 K/W,二极管热阻为0.124 K/W,与同封装下商用1200 V/900 A模块相比并无明显差异,证明了所提设计方法的正确性及有效性。

一种低耦合电容的高压SiC MOSFET驱动隔离电源设计

高压SiC MOSFET更快的电压变化率dv/dt,导致其驱动遭受更严重的共模干扰,而现有高隔离电压驱动电源大多又存在耦合电容高、共模瞬态抗扰度(CMTI)能力弱、转换效率低等问题,因此该文设计一种兼具高隔离电压、高转换效率的低耦合电容驱动隔离电源。首先,基于有源钳位反激变换器,提出一种驱动隔离电源耦合电容等效简化解析模型,并通过仿真、实验验证解析模型可行性;其次,基于该模型分析耦合电容影响因素及其优化方法,为低耦合电容的驱动电源设计提供参考;最后,通过实验评估所提低耦合电容高压SiC MOSFET驱动隔离电源性能。结果表明,该文驱动隔离电源额定转换效率约80%,工频耐压高达18 kV,且耦合电容不足2 pF,CMTI能力强。

高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究,揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律,明确了封装结构电磁薄弱环节,为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台,对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明,大电流工况下,所提封装电流开通速度提升48%,关断速度提升50%,开通损耗降低54.6%,关断损耗降低62.8%,实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

空间辐射环境下SiC功率MOSFET栅氧长期可靠性研究

利用等效1 MeV中子和γ射线对1200 V SiC功率MOSFET进行辐射,研究了电离损伤和位移损伤对器件的影响,并分析了辐射后器件栅氧长期可靠性。结果表明:中子辐射后器件导通电阻发生明显退化,与辐射引入近界面缺陷降低载流子寿命和载流子迁移率有关。时间依赖的介质击穿(TDDB)结果表明,栅泄漏电流呈现先增加后降低趋势,与空穴捕获和电子捕获效应有关。中子辐射后栅漏电演化形式未改变,但氧化层击穿时间增加,这是中子辐射缺陷增加了Fowler-Nordheim(FN)隧穿势垒的缘故。总剂量辐射在器件氧化层内引入陷阱电荷,使得器件阈值电压负向漂移。随后的TDDB测试表明,与中子辐射一致,总剂量辐射未改变栅漏电演化形式,但氧化层击穿时间提前。这是总剂量辐射在氧化层内引入额外空穴陷阱和中性电子陷阱的缘故。

功率MOSFET抗单粒子加固技术研究

针对功率MOSFET的单粒子效应(SEE)开展了工艺加固技术研究,在单粒子烧毁(SEB)加固方面采用优化的体区掺杂工艺,有效降低了寄生双极晶体管(BJT)增益,抑制了单粒子辐照下的电流正反馈机制。在单粒子栅穿(SEGR)加固方面,通过形成缓变掺杂的外延缓冲层来降低纵向电场梯度,减弱了非平衡载流子在栅敏感区的累积,并开发了台阶栅介质结构提升栅敏感区的临界场强。实验结果表明,经过加固的功率MOSFET在满额漏源工作电压和15 V栅源负偏电压的偏置条件下,单粒子烧毁和栅穿LET值大于75 MeV·cm^(2)/mg。在相同辐照条件下,加固器件的栅源负偏电压达到15~17 V,较加固前的7~10 V有显著提升。

Synergistic effect of total ionizing dose on single-event gate rupture in SiC power MOSFETs

The synergistic effect of total ionizing dose(TID) and single event gate rupture(SEGR) in SiC power metal–oxide–semiconductor field effect transistors(MOSFETs) is investigated via simulation. The device is found to be more sensitive to SEGR with TID increasing, especially at higher temperature. The microscopic mechanism is revealed to be the increased trapped charges induced by TID and subsequent enhancement of electric field intensity inside the oxide layer.

650 V IGBT横向变掺杂终端的设计与优化

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件的最重要参数之一是击穿电压(Breakdown Voltage,BV),影响IGBT器件BV的因素包括:平面工艺PN结扩散终端、界面电荷、杂质在Si、SiO2中具有不同分凝系数等。其中影响IGBT器件耐压能力的重要因素是芯片终端结构的设计,终端区耗尽层边界的曲率半径制约了BV的提升,为了能够减少曲率效应和增大BV,可以采取边缘终端技术。通过Sentaurus TCAD计算机仿真软件,采取横向变掺杂(Variable Lateral Doping,VLD)技术,设计了一款650 V IGBT功率器件终端,在VLD区域利用掩膜技术刻蚀掉一定的硅,形成浅凹陷结构。仿真结果表明,这一结构实现了897 V的耐压,终端长度为256μm,与同等耐压水平的场限环终端结构相比,终端长度减小了19.42%,且最大表面电场强度为1.73×10^(5)V/cm,小于硅的临界击穿电场强度(2.5×10^(5)V/cm);能在极大降低芯片面积的同时提高BV,并且提升了器件主结的耐压能力。此外,工艺步骤无增加,与传统器件制造工艺相兼容。

基于Fluent的IGBT模块散热器的优化设计

随着新能源电动汽车功率控制器中的IGBT模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌IGBT模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流通的进口和出口,在散热器前、中、后位置设计直径为4~5.5 mm、叉分式排布的扰流柱。利用ANSYS仿真软件,通过计算流体动力学(CFD)的流固耦合传热计算模型进行仿真分析。仿真结果表明,采用新型叉分式结构散热器的IGBT模块的最高温度为85.10℃,最低温度为65.28℃,平均温度为78.81℃,均低于传统均分式结构散热器模块。搭建实验平台对IGBT模块散热器的散热性能进行检测,实验结果表明新型叉分式结构散热器散热效果良好,有助于提升IGBT模块的可靠性。

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响

功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件(结温差100 K,最高结温150℃)下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。

新型大功率IGBT用有机硅凝胶的性能

有机硅凝胶凭借其优异的耐热性能和机械性能,广泛应用于IGBT器件的封装。详细介绍了有机硅凝胶的基本性能,采用Arrhenius方程计算出硅凝胶的表观活化能为23.16kJ/mol,具有较好的反应活性,通过热重曲线分析硅凝胶在200℃内基本没有分解,具有良好的耐热性能。应用到大功率IGBT模块中,通过复杂的力学和电性能应用性测试后,IGBT模块仍有较好的稳定性。最后对灌封后的IGBT模块进行力学和热学仿真,热仿真的结壳热阻为0.1044℃/W,机械冲击仿真最大值为349.86MPa,随机振动仿真最大值为6.2002MPa。该研究也将为硅凝胶在大功率IGBT功率器件的封装设计中提供重要的实用信息。

一种连续函数描述的高精度SiC MOSFET模型

传统SiC MOSFET模型为提高精度,通常采用分段函数对不同工作区进行建模,但这带来了模型收敛性不足的问题,难以应用于高频仿真电路。该文提出一种连续函数描述的、具有高精度和强收敛性的SiC MOSFET数学模型。构建单一连续函数描述SiC MOSFET在线性区和恒流区内的静态特性;提出带有收敛电阻的非线性电容模型,并针对不同寄生电容构造相应的拟合函数进行建模;此外,体二极管的建模考虑了结温和栅源电压的影响。仿真结果与手册实测数据的对比分析表明,静态模型仿真结果的皮尔逊相关系数大于0.99,寄生电容拟合的平均相关系数达到0.994 8,体二极管模型与实际伏安特性高度匹配。在室温(TJ=25℃)和高温(TJ=150℃)两种条件下基于C2M0025120D进行了300 V/30 A双脉冲实验,对比验证了仿真模型与实验结果在开断特性方面具有良好的一致性。最后将模型应用在级联H桥多电平逆变器,验证了其在复杂电路仿真中的收敛性。

车载变流器大功率IGBT数字驱动方法研究

文中首先对车载变流器大功率IGBT的驱动进行了深入分析研究,提出了数字驱动的保护构架与保护思想。随后阐述了数字脉冲分配保护作为IGBT驱动预处理的重要作用,列出了预处理的主要功能。之后着重分析了IGBT开关过程中驱动电阻对开关性能的影响,并提出了数字驱动的保护方案。最后设计试验,得到了开通关断过程中不同栅极电阻对应的驱动特性,并结合IGBT开关特性得到最优的开关方案,测试结果表明:数字驱动方案大大降低了开通过程中的损耗与di/dt及关断过程的损耗与du/dt。这一研究成果已在既有大功率机车和动车上装车运用。

考虑阈值电压漂移的SiC MOSFET功率循环寿命修正技术

在SiC MOSFET的功率循环测试(PCT)中,饱和压降主要表征键合线的老化状态,其值由导通电阻决定。SiC MOSFET的阈值电压漂移会在导通电阻中引入非键合线老化导致的芯片电阻增量,进而影响寿命判断。为了准确判定键合线失效,设计和搭建阈值电压漂移在线监测平台,并结合实测阈值电压漂移数据解耦出芯片电阻增量,进而对实测饱和压降进行补偿,实现对SiC MOSFET功率循环寿命的修正。结果表明,同一器件寿命修正前后的结果基本一致,阈值电压漂移主要影响PCT前期的饱和压降,对最终寿命判定结果没有影响。该研究成果可为SiC MOSFET封装可靠性测试提供参考。

意法半导体隔离栅极驱动器:碳化硅MOSFET安全控制的优化解决方案和完美应用伴侣

意法半导体(下文为ST)的功率MOSFET和IGBT栅极驱动器旨在提供稳健性、可靠性、系统集成性和灵活性的完美结合。这些驱动器具有集成的高压半桥、单个和多个低压栅极驱动器,非常适合各种应用。在确保安全控制方面,STGAP系列隔离栅极驱动器作为优选解决方案,在输入部分和被驱动的MOSFET或IGBT之间提供电气隔离,确保无缝集成和优质性能。

IGBT器件参数的自适应热网络模型分析

阐述功率器件参数自适应热网络模型的理论基础。分析功率器件的热特性和参数,介绍热网络模型的基本原理,通过建立功率器件的热传导路径来描述其热行为。提出一种自适应热网络模型的建立方法,根据实际的功率器件参数来调整模型的参数。该自适应模型可以提高功率器件的热管理效果。

SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性对比及其在DAB变换器中的应用

碳化硅(Si C)半导体器件由于其宽禁带材料的优良特性受到了广泛关注。Si C半导体器件作为一种新型器件,对其与Si半导体器件的特性对比及评估越来越有必要。本文主要对比了Si C MOSFET、Si Cool MOS和IGBT的静态特性。并搭建了基于Buck变换器的测试平台,测试条件为输入电压为400V,电流为4~10A,对比了三种器件的开关波形、开关时间、开关损耗、dv/dt、di/dt以及内部二极管的反向恢复特性。设计了一台2k W的双主动全桥(DAB)变换器的实验样机,对比了应用三种器件的DAB变换器的理论效率和实测效率。

SiC MOSFET静态性能及参数温度依赖性的实验分析及与Si IGBT的对比

碳化硅SiC(silicon carbide)MOSFET作为新型的电力电子器件,具有不同于Si IGBT的电热特性,且其静态特性在宽温度范围内变化特性并不明确。以Si C MOSFET为研究对象,从器件的工作原理入手,结合Si IGBT对比,分析了其静态特性及寄生参数受温度的影响,并在-55℃至165℃准确测量了包括阈值电压、导通电阻、泄漏电流、输出特性及寄生参数在内的多个参数,实验结果符合理论分析。根据实验结果分析了各项性能参数的温度敏感性,结果表明:Si C MOSFET静态性能及参数与温度具有极强的相关性;与Si IGBT相比,温度依赖性更为明显,并且能够为器件结温测量及Si C MOSFET电力电子系统状态监测提供理论依据与实验基础。

MOSFET与IGBT驱动电路的研究与设计

目前在桥式电路中上桥臂的驱动电路常采用自举驱动,由于各桥臂使用的是同一组电源因此相互之间存在着干扰,当参数选取不够合理时还会出现较高的电压尖峰损坏驱动芯片和开关管,在对驱动电路要求严格的场合通常需要为每个桥臂提供独立电源。目前市场上隔离DC/DC的产品较多,但专门为隔离驱动而设计的隔离DC/DC产品还比较少。通过对功率MOSFET和IGBT开通特性和关断特性的研究,得出了功率MOSFET和IGBT对驱动电路的要求。设计了一种带隔离DC/DC,适用于功率MOSFET和IGBT隔离驱动电路。并通过实验测试了该驱动电路的性能。

实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(上)

针对实际应用中Power MOSFET开关工作状况与现有文献的描述有很大不同,使用不当易造成器件的损坏和设备的崩溃这一现象,在应用条件下对Power MOSFET开关特性进行了研究,深入分析了Power MOSFET的开关过程,提出了关于开关过程四阶段的新观点,并采用对开关过程的等效输入电容进行分段线性化的新方法对不同阶段的开关参数进行了计算,搭建了开关特性实验电路,实验结果表明,提出的Power MOSFET开关过程四阶段的新观点是正确的,等效输入电容分段线性化的新方法是合理的。