基于碳化硅MOSFET功率模块的牵引变流器电磁兼容应用研究

宽禁带器件已逐渐可以满足高压、大功率的应用场合,其中碳化硅MOSFET功率模块因具备开关速度快、损耗小及高热导率的特性,已逐渐在铁路行业推广应用。使用碳化硅MOSFET功率模块代替传统的IGBT功率模块,可降低牵引变流器的体积和质量,从而实现更高的功率密度。文章中通过对碳化硅MOSFET功率模块的模型进行分析,着重解决其在高功率运行过程中产生的电磁干扰问题,为碳化硅MOSFET功率模块的广泛应用提供理论及实践依据。

提升充电效率,基本半导体应用于高压快充的E2B碳化硅功率模块方案解析

充电桩采用碳化硅模块可以增加近30%的输出功率,减少50%的损耗。目前在充电桩领域,碳化硅应用处于快速增长阶段,预计到2025年将提升至35%,市场规模将达200亿元。近年来,充电时长已经成为影响新能源汽车驾驶体验的关键因素,市场对提高车辆充电速度的需求变得越来越迫切。高电压和大电流都可缩短充电时间,但考虑到铜线损耗的因素,高压大功率比大电流方案更有效率。

电压自平衡碳化硅MOSFET间接串联功率模块

目前,常见商用宽禁带碳化硅金属-氧化物场效应晶体管(SiC MOSFETs)的阻断电压不超过1.7kV,为提高其等效耐压等级,提出一种二极管-电容混合钳位的间接串联拓扑和准两电平开环调制方法,可实现拓扑中串联器件的电压自动均衡。基于此,该文利用SiC MOSFET裸芯片封装制作了一个3.6kV/20A的间接串联功率模块,并设计出与之配套的驱动保护电路,整体等效为通用中压、两电平功率模块,具有体积小、集成度高的优点。最后通过实验验证了该模块的通用性,以及其在开关损耗和经济性等方面的优势。

碳化硅功率模块封装及热管理关键技术

碳化硅功率器件具有耐高压、开关速度快和导通损耗低等优点,因此正在逐渐成为电力变换系统的核心器件,尤其在新能源汽车、可再生能源、储能、数据中心、轨道交通和智能电网等领域,器件的应用越来越广泛。然而,碳化硅器件持续的小型化和快速增长的功率密度也给功率模块封装与热管理带来了新的挑战。传统封装结构和散热装置热阻较大,难以满足碳化硅器件高热流密度冷却需求,同时,高功率密度模块散热集成封装需求也日益增长。针对上述挑战,文章对国内外现有的典型功率模块封装结构进行了详细介绍和分类对比;枚举比较了不同功率模块散热方式及其技术特点,如热扩散装置、对流换热和相变散热等;最后,结合以往的碳化硅功率模块热封装研究,对下一代碳化硅模块封装与热管理技术面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望。

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。

达产后年产值超过30亿!上海林众IGBT及碳化硅功率模块制造基地项目顺利奠基

2023年2月26日上午,上海林众电子科技有限公司智能质造中心项目基地开工仪式隆重举行。林众电子本次建设的智能质造中心项目位于上海市松江区,土建投资3.6亿元,含设备总投资预计8亿元,占地约35亩,建筑面积近60,000平方米。建成后将为林众电子新增2000万只IGBT及碳化硅功率半导体模块的年生产能力,达产后年产值将超30亿元,成为业内领先的功率半导体智能制造基地.

东风首批自主碳化硅功率模块下线

近日,首批采用纳米银烧结技术的碳化硅模块从智新半导体二期产线顺利下线,完成自主封装、测试以及应用老化试验。碳化硅宽禁带半导体是国家“十四五”规划纲要中重点关注的科技前沿领域攻关项目,凭借其优良的高禁带宽度、高电子迁移率、高导热等特点,使得碳化硅模块具有显著的高效率。

采用大芯片的高功率密度SiC功率模块设计

碳化硅SiC(silicon carbide)器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合这2种情况下模块温度进行对比研究。仿真结果表明,在相同工作条件下,采用大芯片封装设计的SiC MOSFET功率模块导通电流能力更强,温度变化更小,电气性能有所提升。

总投资10亿!第三代半导体功率模块研发生产基地项目签约落户

6月5日,在北京昕感科技有限公司总部,在锡山区委书记方力与昕感科技董事长王哲共同见证下,第三代半导体功率模块研发生产基地项目签约落户锡东新城。昕感科技聚焦于第三代半导体碳化硅功率器件、模块、模组产品的创新突破与研发生产,致力于成为国内领先和具有国际影响力的功率半导体变革引领者。此次签约的项目总投资超10亿元,主要建设车规级第三代半导体功率模块封装产线,可同时覆盖汽车主驱、超充桩、光伏、工业等应用场景。项目预计2025年投产,实现满产产能约129万只/年,产值超15亿元/年。

用现代MOS场效应管开关与碳化硅二极管构成的小型功率模块可获得高频、紧凑的三相正弦输入整流器

本文阐述以小型、低电感的功率模块,获得紧凑的电源系统的优点。为了提高工作频率和达到最高效率,本功率器件集成了现代工艺的超结MOSFET器件和最新SiC(碳化硅)二极管。作为示范,苏黎世ETH电力电子系统实验室开发了一个10KW输出功率,功率密度高达8.5kW/l(85W/cm3),高效率和嵌入功率模块中的一个6-开关维也纳整流器。

4500V碳化硅SBD和JFET功率模块的制备与测试

基于自主研制的碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)和碳化硅结型场效应晶体管(JFET)芯片,成功制备了4 500 V/150 A的碳化硅SBD功率模块和4 500 V/50 A的碳化硅JFET功率模块,并设计了JFET功率模块的驱动电路进行相应的静态和动态开关测试。测试结果表明,制备模块具备了相应的电流导通和电压阻断能力,同时开关特性良好,模块的容量是目前国内已报道的最高水平。

碳化硅功率模块焊接工艺研究进展

碳化硅(SiC)模块的封装技术是目前电力电子行业关注的热点,焊接材料和工艺是影响模块可靠性的关键环节。详细分析了当前国内外业界已使用或正在研究的焊接材料和工艺,包括应用于传统硅(Si)功率模块和SiC功率模块的常规无铅钎料、低温纳米银烧结、固液互扩散连接和纳米铜焊膏等。分析了各种工艺的焊接过程、焊层性能及存在的问题,明确了今后SiC功率模块高温封装焊接技术的发展方向,即低温纳米银烧结技术和固液互扩散技术将会是SiC功率模块焊接工艺的优选。

比导通电阻2.3 mΩ·cm^(2)的650 V,200 A碳化硅功率MOSFET器件

针对电动汽车、光伏、储能等战略性新兴产业对高可靠高效率碳化硅功率MOSFET器件的需求,开展了650 V碳化硅外延结构、芯片JFET区尺寸和掺杂等关键技术研究,研制出比导通电阻2.3 mΩ·cm^(2)的650 V、200 A碳化硅MOSFET。器件在漏极电压900 V时,漏源漏电流小于1μA;在环境温度150℃、栅极偏置电压22 V的应力条件下,经过1000 h的高温栅偏可靠性试验,阈值电压正向漂移量小于0.3 V,显示出良好的稳定性。

基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计

针对碳化硅槽栅MOSFET器件内部寄生二极管的反向恢复特性差的问题,设计了碳化硅槽栅MOSFET器件新结构,通过在碳化硅槽栅MOSFET器件元胞内部集成多晶硅/碳化硅异质结二极管,在不使器件的其他电学特性退化的基础上,改善器件的反向恢复特性。基于TCAD工具——ATLAS二维的半导体工艺与器件仿真软件,对碳化硅槽栅MOSFET器件的I-V特性、击穿特性以及反向恢复特性进行了研究。研究结果表明,与常规的碳化硅槽栅MOSFET器件相比,新结构的反向恢复特性明显改善,反向恢复时间减小了48.8%,反向恢复电荷减小了94.1%,反向峰值电流减小了82.4%。

全碳化硅功率模块开关瞬态特性及损耗研究

为了加快全碳化硅功率模块的实际工程应用,针对全碳化硅模块开通关断过程中电压电流变化率、栅极电压耦合、开通损耗和关断损耗开展了分析,并与传统IGBT功率模块进行了对比分析。在全碳化硅功率模块双脉冲试验的基础之上,研究了不同电压电流等级下开关瞬态特性和开关损耗,提取试验参数,获得了电压电流应力大小,为全碳化硅功率模块的工程应用提供有效参考。

高功率密度碳化硅MOSFET软开关三相逆变器损耗分析

相比硅IGBT,碳化硅MOSFET拥有更快的开关速度和更低的开关损耗。碳化硅MOSFET应用于高开关频率场合时其开关损耗随着开关频率的增加亦快速增长。为进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度,探讨了采用软开关技术的碳化硅MOSFET逆变器。比较了不同开关频率下的零电压开关三相逆变器及硬开关三相逆变器的损耗分布和关键无源元件的体积,讨论了逆变器效率和关键无源元件体积与开关频率之间的关系。随着开关频率从数十kHz逐渐提升至数百kHz,软开关逆变器不仅能够维持较高的转换效率,还能取得更高的功率密度。最后,在1台9 kW软开关三相逆变器和1台9 kW硬开关逆变器上进行了实验验证。

一种低感封装的1200V混合碳化硅功率模块

为了实现1 200 V混合SiC功率模块的低感封装,文章介绍通过芯片优选和芯片优化布局设计、采用低感母排取代键合铝线的跨接等措施,将功率模块的寄生电感减小到16 n H,有效降低了模块的峰值电流和振荡时长,缓解了混合SiC功率模块的电流振荡并降低了模块的开通损耗。将该低感封装设计的模块应用于30 k W光伏逆变器中,光伏逆变器的转化效率可提高至97.95%。

国内首条碳化硅智能功率模块（SiC IPM）生产线在厦门正式投产

近日，国内首条碳化硅智能功率模块（SiC IPM）生产线在厦门芯光润泽科技有限公司（简称“芯光润泽”）正式投产，标志着我国在碳化硅芯片这个战略新兴行业又实现了一次重要的突破。

大联大品佳集团推出Infineon 1200V碳化硅MOSFET,可为系统实现功率密度和性能上的突破

2018年4月10日，致力于亚太地区市场的领先半导体元器件分销商…大联大控股宣布，其旗下品佳代理的英飞；麦（Infineon）推出革命性的1200V SiC MOSFET，使产品设计可以在功率密度和性能上达到前所未有的水平。它们将有助于电源转换方案的开发人员节省空间、减轻重量、降低散热要求，并提高可靠性和降低系统成本。

赛米控锁定百亿车规级碳化硅功率模块合同

近日,赛米控与某德国领先的汽车制造商签订了一份十多亿欧元(超百亿人民币)的车规级碳化硅功率模块合同。该汽车制造商从本代产品的升级版到下一代的电动车控制器平台,将全面采用赛米控最新的eMPack®系列车规级碳化硅功率模块。