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。

基于裸片封装的SiC MOSFET功率模块热分析

SiC MOSFET因其耐高温、高压的优点,被广泛应用于大功率固态功率控制器的设计中。针对固态功率控制器工况,选用裸片封装的SiC MOSFET,对功率模块的堆叠结构进行设计及热阻分析;对键合结构的选型与布局进行设计;对封装连接铜线、铜带的热影响进行分析。在封装设计基础上,通过有限元仿真对功率模块热性能进行评估。最后,搭建平台进行单路热测试。结果验证了仿真的准确性,以及封装设计的合理性。

SiC MOSFET功率模块的并联均流研究

采用多芯片并联的方法可提高SiC MOSFET功率模块的应用电流等级,但由于并联支路的杂散参数差异导致流过各并联芯片的电流不一致,这将影响功率模块的可靠性。建立了典型的三芯片并联半桥模块电路模型,分别改变功率回路和驱动回路的杂散参数并计算其不均衡度,使用双脉冲测试方法测试相应的开、关电流,计算其电流不均衡度。研究了模块内部各杂散参数对多芯片并联均流能力的影响,结果表明,功率模块的瞬态均流能力受源极电感影响较大,稳态均流能力受杂散电阻影响较大。提出了一种基于芯片源极互连降低并联均流不均衡度的方法,仿真结果表明该方法可有效降低源极参数对多芯片并联均流能力的影响。

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。

最新第三代MOSFET功率模块兼顾尺寸和效率

通过优化芯片工艺和封装技术,最新第三代MOSFET功率模块实现了更高的效率、开关频率和功率密度,满足了服务器和基站等低压MOSFET应用市场的需求。

银茂微电子IGBT／MOSFET功率模块

通用型功率模块产品，外部结构完全兼容，可以直接替换国内外相同封装式样的产品。内部设计进行了优化，在提高功率端子连线的可靠性基础上，增加了低热阻、低损耗的设计理念，具有完全的自主知识产权。

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)。

T/R双模微波功率模块技术及其应用

微波功率模块(MPM)是真空电子器件和固态电子器件组合而成的一种新型微波功率器件,具有频率高、频带宽、功率大、体积重量小等特点,它使常规行波管的应用变得更加便利和广泛。现代战争向雷达、电子战综合一体化方向发展,这就要求功放既能工作在高峰值功率、低占空比的高模工作方式,也能工作在低峰值功率、准连续波的低模工作方式,针对这一需求,结合电子系统收发共孔径的要求,提出了T/R双模MPM技术。T/R双模MPM技术的核心是T/R双模行波管,基于三端口双向T/R行波管,通过在慢波系统的衰减器附近设置一个耦合口,实现行波管的信号反向接收功能;通过T/R双模行波管设计、双模放大均衡组件、双调制栅极电源等技术实现MPM的双模双向功能。T/R双模MPM应用前景广阔,特别是在基于无人机平台的作战应用中的具有明显优势。

一种L波段300W GaN脉冲功率模块

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻抗参数提取,并以此为基础设计了小型化匹配网络进行阻抗变换。基于高压驱动芯片和开关器件芯片设计了小型化高压脉冲调制电路。测试结果表明,在工作频率990~1130 MHz、工作电压50 V、脉冲宽度100μs、占空比10%下,功率模块脉冲输出功率大于300 W,功率附加效率大于53%,功率增益大于38 dB。功率模块尺寸为30 mm×30 mm×8 mm。

一种三维集成的Ku波段高功率T/R模块

基于硅基微电子机械系统(MEMS)三维(3D)异构集成工艺,设计并制作了用于相控阵天线系统的三维堆叠式Ku波段四通道高功率收发(T/R)模块。该模块由两层硅基封装堆叠而成,层间采用球栅阵列(BGA)植球堆叠,实现模块小型化;采用高低阻抗匹配建模,保证低损耗输出,采用导热垫加微流道散热板达到了良好的散热效果,实现模块高功率输出;对模块的微波垂直互连结构和散热进行建模和仿真。测试结果表明,在14~18 GHz内发射通道饱和输出功率大于40 dBm,接收通道增益大于21 dB,噪声系数小于3.5 dB,模块尺寸仅为14.0 mm×14.0 mm×3.3 mm。该模块在兼顾高集成度的同时性能指标得到了进一步提升。

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。

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。

SiC功率模块引线键合参数优化与可靠性分析

在汽车电力电子器件开发技术中,功率模块正朝着小型化和高功率密度方向发展,而汽车动力装置的高频通断操作会增加键合线的疲劳失效风险。为了提高键合强度及可靠性,首先从键合原理角度出发,揭示键合参数在不同阶段的作用机理,利用单因素实验得到各参数的优化区间;然后通过数值计算与老化实验相结合的方法系统性研究了键合线材料对键合可靠性的影响。结果显示,Cu键合线的最高温度、最大等效应力均高于Al键合线,但受材料属性影响,Cu键合线的最大塑性应变仅为Al键合线的1/2,根据功率循环实验,其寿命约为Al键合线的4倍,并且Cu线键合质量分散性大,单根键合线脱落引起监测信号阶段性跃升的现象可以成为日常工作中的失效预警信号。

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。

适用多功率的最近电平调制下MMC子模块开路故障诊断策略

模块化多电平换流器(MMC)子模块(SM)发生故障时,快速检测到故障并定位故障SM是提升MMC可靠性的关键。现有研究基于经验的阈值设置在不同运行功率间难以推广。针对于此,提出一种适用于不同运行功率的最近电平调制(NLM)策略下MMC子模块开路故障诊断策略。所提策略通过判断SM电容电压预测值与实际值间的绝对误差是否超出阈值来检测并定位故障。通过数学推导给出了设置阈值的可靠依据,并验证了当运行功率发生改变时无需重新手动设置阈值,与现有研究相比降低了阈值设置难度。此外,所提策略整合了现有策略的优点,包括无需额外硬件,计算负担小,诊断速度快(<20ms),适用于多个SM发生故障的情形等。同时,通过理论分析验证了所提策略不仅适用于NLM策略的情形,在调整SM开关函数的预测方法后可推广至其他MMC调制策略。在硬件在环平台中的实验结果验证了该策略可以在不同功率点准确、快速地诊断出两种MMC子模块开路故障。

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MMC-BESS的子模块电池功率极限值分析

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)是电池储能系统(batteryenergystoragesystems,BESS)功率变换的最佳选择之一。在基于模块化多电平变换器的电池储能系统(MMC-BESS)运行时,会出现子模块之间的有功功率分布不平衡情况,为评估系统稳定安全运行的合理性,需要对子模块功率极限值进行分析。因此,该文首先对MMC-BESS建模,分析其桥臂环流的功率传输特性,再提出相应控制策略,包括外部交流及电池功率控制和内部电容电压平衡及环流控制,可以实现相间和桥臂间功率不平衡时的稳定运行,而对于桥臂内功率不平衡,根据安秒平衡原理,从过调制角度对子模块电池功率极限值进行详细分析,得出功率极限值的计算方法。最后,通过仿真以及实验验证功率极限值分析及计算的正确性。

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。

高频下功率模块有机硅凝胶封装材料中电树枝生长及自愈特性

有机硅凝胶因其良好的电、热及机械性能,被广泛应用于多能变换装备中功率模块的封装绝缘,电树枝是由于局部放电而产生的树枝状放电通道,是功率模块封装绝缘系统较为常见的失效形式。基于此,该文搭建高频正弦电压激励下有机硅凝胶中电树枝生长实验平台,开展不同频率下的电树枝生长实验,探究高频下有机硅凝胶中电树枝的起始及传播机制,分析频率对电树枝特性的影响机理;进一步开展不同温度以及组分配比下的电树枝自愈实验,研究有机硅凝胶中电树枝自愈行为及其影响机制。实验结果表明,随着频率的升高,硅凝胶中电树枝形态将更加复杂,起树电压也会随之下降,18kHz下起树电压较8kHz下降了约17%。分析认为,麦克斯韦应力是导致高频下电树枝起始的主要原因,而有机硅凝胶中电树枝的传播特性也有别于传统固体电介质。针对自愈特性,温度升高有利于电树枝的自愈,但在100℃下将会抑制自愈,分析得到温度通过影响气体状态来影响自愈的不同阶段。同时,组分配比不同也会影响硅凝胶的形态及电树枝特性。

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。