国产SiC功率模块热阻测试方法研究

为解决国产SiC功率模块的热阻不能准确测试的问题,开展了非开关式电学法在线测量模块热阻的研究。提出模块热阻测试方案,设计搭建模块热阻测试平台,结合器件结构特点和工艺特点,研究获得适用于模块的热阻测试方法,并选用两款典型SiC功率模块进行了验证,验证了测试结果的准确性。

基于3D封装的低感双向开关SiC功率模块研究

双向开关在固态断路器、光伏逆变器等领域具有不可替代的作用,而低损耗、高开关频率的双向开关SiC功率模块得到了越来越多的关注。然而,现有双向开关SiC功率模块仍然沿用传统Si功率模块的封装方法,难以适应SiC器件的高速开关优势。针对双向开关SiC功率模块的低感封装需求,提出一种芯片堆叠的3D封装集成方法。给出了3D封装的电路拓扑和几何结构,分析3D封装的换流回路和寄生电感规律,设计3D封装的技术工艺,并研制了双向开关SiC功率模块样机。采用双脉冲测试的实验结果验证了所提3D封装双向开关SiC功率模块的可行性和有效性。

基于石墨嵌入式结构的SiC功率模块热仿真与优化

SiC器件相比于Si器件,具有更高的功率密度,表现出高的器件结温和热阻。为了提高SiC功率模块的散热能力,提出了一种基于石墨嵌入式叠层DBC的SiC功率模块封装结构,并建立封装体模型。通过ANSYS有限元软件,对石墨层厚度、铜层厚度和导热铜柱直径进行分析,研究各因素对散热性能的影响,并对封装结构进行优化以获得更好的热性能。仿真结果表明,石墨嵌入式封装结构结温为61.675℃,与传统单层DBC封装相比,结温降低19.32%,热阻降低27.05%。各影响因素中石墨层厚度对封装结温和热阻影响最大,其次是铜柱直径和铜层厚度。进一步优化后,结温降低了2.1%,热阻降低了3.4%。此封装结构实现了优异的散热性能,为高导热石墨在功率模块热管理中的应用提供参考。

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。

SiC功率模块用氮化硅陶瓷AMB覆铜基板的研究进展

国内新能源汽车领域对SiC功率模块的高压、大功率和高可靠的要求,为氮化硅陶瓷活性金属焊接(AMB)覆铜基板的大规模应用提供了支撑。从氮化硅陶瓷AMB覆铜基板制备工艺流程入手,重点介绍国内氮化硅陶瓷AMB覆铜基板的研究现状。综述了氮化硅陶瓷基板的国内外研究进展,并总结了提升氮化硅陶瓷基板热导率和强度的主要方法。汇总了氮化硅陶瓷AMB覆铜用活性焊料的类型、作用机理和应用方法。阐述了获得低空洞率氮化硅陶瓷AMB覆铜基板的钎焊方法。简述了氮化硅陶瓷AMB覆铜基板刻蚀的工艺流程。从镀液选择、镀覆时间、镀液温度等方面,详细论述了氮化硅陶瓷AMB覆铜基板在镀覆工艺中的注意事项。最后指出了国内氮化硅陶瓷AMB覆铜基板在材料性能和生产工艺上的不足,并展望了未来氮化硅陶瓷AMB覆铜基板的研究及发展方向。

SiC功率模块封装材料的研究进展

随着SiC功率模块的高频高速、高压大电流、高温、高散热和高可靠发展趋势,基于封装结构和封装材料的SiC功率模块封装技术也在不断地更新换代。与封装结构相比,SiC功率模块封装材料的相关研究报道较少。该文从封装材料角度出发,综述近年来陶瓷覆铜基板、散热底板、黏结材料、互连材料及灌封材料的研究进展,同时引出相关封装材料的研究重点,以满足SiC功率模块的应用需求。

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。

基于智能算法的双面散热SiC功率模块多目标优化设计

双面散热功率模块凭借优异的电热特性,能够满足SiC器件封装的性能要求。但双面散热模块的电学、热学及力学特性互相制约,难以实现各性能的全部最优,为此,该文提出一种基于智能算法的多目标优化设计方法。首先,通过参数化仿真对功率模块的电热力性能进行了建模,并分析了待优化的尺寸参数对各性能指标的影响规律。然后,基于参数化仿真与流程控制方法得到学习样本,通过神经网络训练得到了待优化尺寸变量与各性能指标之间的函数关系,解决了尺寸变量与性能指标之间的函数难以获取的问题。得到目标函数后,基于遗传算法进行多目标优化求解,实现了定制化的多目标优化设计。最后,基于优化结果分别制备了优化前后的功率模块,并对其性能指标进行了测试和对比,结果证明了所提出的多目标优化设计方法的正确性。

基于扩展规格书数据的SiC功率MOSFET建模

本文提出一种实用的SiC功率MOSFET建模方法。所建立的模型可在图形化仿真软件中实现,用于电力电子电路损耗分析。首先,基于器件规格书数据建立器件的静态模型;然后,对SiC功率MOSFET的物理结构、物理特性进行分析,依据分析结果对规格书数据进行扩展,建立模型的各个动态部分,从而构成完整的模型;最后,建立多种商用SiC功率MOSFET模型,并对模型进行仿真和实验验证,验证结果显示模型具有令人满意的精度和适用范围。本文建模方法所用数据仅源自产品规格书,无须通过测量获取规格书之外的其他数据。

基于SiC的高电压平台电机控制器设计及研究

为解决纯电动车续航里程不足、充电时间长的痛点,开发一款基于SiC功率模块的800V电压平台电机控制器。文章首先对电机控制器高低压电路架构原理进行阐述,其次对主要高压元器件进行选型和设计,最后对控制器进行传感器标定,并进行台架测试验证。结果表明,所设计的电机控制器具有较高的电流电压采样精度、输出扭矩、功率、工作效率和系统效率,满足设计目标要求。

SiC宽禁带功率放大器的设计与实践

介绍了SiC宽禁带功率器件的特性,与Si功率器件相比,该器件在输出功率、功率密度、工作频率、工作带宽、环境适应性、抗辐射能力等方面有卓越的性能。利用SiC宽禁带功率器件设计制作了L波段100W功率放大器。对SiC宽禁带功率放大器进行性能测试和环境实验,分析了SiC宽禁带功率器件的性能特点和优势。SiC宽禁带功率器件有利于提高功率放大器的工作带宽,改善功率放大器的环境适应性。

新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用

新型宽带SiC功率器件由于其突出的性能优势在电力电子领域得到了广泛应用。首先介绍了SiC功率器件的发展现状,其次阐述了其性能特点,最后给出了SiC功率器件目前在新能源、民用输配电、航空航天等场合的应用情况,指出了SiC器件在电力电子领域的应用前景。

基于SiC功率器件的单相APF开关损耗分析及应用技术研究

提出一种应用于单相有源滤波器(active power filter,APF)的SiC功率器件的开关损耗模型。该模型考虑了封装和印制电路板(printed circuit board,PCB)的寄生参数与器件结电容的非线性。详细阐述四种单相APF工作状态下的建模原理,并给出了各工作状态下各时间段的开关过程分析与损耗计算方程。基于影响APF谐波补偿性能的关键因素的分析,结合APF的工作特点,提出SiC器件高开关频率兼容驱动方式与封装及电路布局优化方案。搭建基于单相APF的SiC功率器件测试实验样机,在不同电压点和电流点下进行测试,并将测试结果与估算结果进行比较。比较结果高度吻合,功率损耗误差在10%以内,验证了提出的开关损耗模型的准确性和有效性。

1kW宽带线性SiC功率放大器设计

简述了SiC宽禁带半导体材料的特性,通过与传统Si半导体材料相比较,该材料在击穿电场强度、截止频率、热传导率、抗辐射能力、结温和热稳定性等方面具有明显优势。SiC宽禁带功率器件在输出功率、功率密度、工作频率、环境适应性等方面具有卓越的性能,在雷达发射机中有良好的应用前景。文中利用SiC宽禁带功率器件设计制作了L波段1 kW功率放大器,对SiC宽禁带功率放大器进行了性能测试,根据实验数据分析了SiC宽禁带功率器件对固态雷达发射机性能的改善。

SiC功率器件辐照效应研究进展

SiC功率器件是许多航天器用电子设备的重要组成部分,是保障深空探测任务顺利进行的前提和基础。在梳理SiC功率器件发展概况的同时,针对不同SiC功率器件(SiC SBD、SiC JBS、SiC MOSFET)在空间辐射环境下的性能退化规律进行了概述,重点分析了辐射环境下SiC功率器件的损伤机理,为SiC功率器件抗辐射技术的长远发展提供了参考。

6.5 kV,5 A 4H-SiC 功率 DMOSFET器件

报道了在60μm厚、掺杂浓度1.3×10^(15) cm^(-3)的外延层上制备4H-SiC功率DMOSFET器件的研究结果。器件击穿电压大于6.5 kV,导通电流大于5 A,相对于之前的报道结果,器件导通能力提升了25倍。器件采用由55根环组成的,450μm宽的浮空场限环作为器件终端结构。通过1 250°C热氧化工艺和NO退火技术,完成器件栅介质层制备。通过横向MOSFET测试图形,提取器件峰值有效沟道迁移率为23 cm^2/(V·s)。器件有源区面积为0.09 cm^2,在栅极电压20 V、室温下,器件比导通电阻为50 mΩ·cm^2。在漏极电压6.5 kV时,器件漏电流为6.0μA,对应器件漏电流密度为30μA·cm^(-2)。基于此设计结构,通过设计实验,提取了SiC DMOSFET器件中电阻比例组成。

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功率器件图腾柱无桥PFC电路设计

设计一款基于SiC MOSFET图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路,使其工作在连续传导模式(CCM)中,电路的电压外环和电流内环实现双闭环控制;电流内环通过PI控制稳定输出电流,使电感电流与电网电压同相,从而提高电路的功率因数.通过对该拓扑进行仿真并计算出电路参数,分析了SiC MOSFET关断等效电路原理;通过负压解决SiC MOSFET的误导通问题,有效消除SiC MOSFET因寄生电容带来密勒效应的影响,提高电路效率和功率密度.实验表明,该PFC电路具有较高转换效率,较低谐波系数,功率因数接近1等特性.

SiC功率器件制造中的湿法工艺设备研究

简述了SiC功率器件制造工艺流程,对常用的抛光片清洗、RCA清洗、SPM湿法去胶、有机去胶、SiO2腐蚀、金属腐蚀和金属剥离等湿法设备进行了应用研究,对于提升SiC功率器件成品率起着重要的作用。

15 kV/10 A SiC功率MOSFET器件设计及制备

报道了在150μm厚、掺杂浓度5.0×10^(14)cm^(-3)的外延层上制备15 kV/10 A超高压SiC功率MOSFET器件的研究结果。对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件比导通电阻为204 mΩ·cm^(2),击穿电压大于15.7 kV,在漏极电压15 kV时,器件漏电流为10μA,漏电流密度为12μA·cm^(-2)。在工作电压1.7 kV、导通电流10 A条件下,开通时间和关断时间分别为140 ns和84 ns。