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。

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。

SiC基反向开关晶体管RSD关键工艺概述

本文首次概述了采用宽禁带半导体材料4H-SiC制备脉冲功率开关反向开关晶体管(RSD)所涉及到的关键工艺。包括选择性刻蚀、选择性掺杂、欧姆电极制备以及台面终端造型等在内的多步主要工艺均与Si基RSD完全不同,采用氟基气体感应耦合等离子体(ICP)刻蚀得到了合适的刻蚀速率、表面粗糙度及形貌,采用多次氮离子注入及高温退火完成选择性掺杂,采用Ni/Ti/Al多层金属配合适当退火温度完成欧姆电极制备,采用机械切割斜角完成台面终端造型,最终得到了合理的器件正反向阻断特性。

SiC MOSFET与Si MOSFET在开关电源中功率损耗的对比分析

碳化硅(SiC)MOSFET是一种新型高压功率开关器件,具有导通电阻低、开关速度极快的特点。本文分析了功率MOSFET在开关电源中的功率损耗,以1 200 V/24 A的SiC MOSFET和硅(Si)MOSFET在相同的测试条件下进行了功率损耗的对比测试。实验结果表明,在相同的驱动条件和负载条件下,SiC MOSFET的开关速度明显快于Si MOSFET,同时功率损耗明显降低,即使直接采用SiC MOSFET替代Si MOSFET也会使得开关电源的效率明显提升。

150℃半桥式SiC高温直流开关电源设计

为了满足极限环境对电源系统的要求,本文设计了一种基于SiC器件的高温隔离开关电源。针对光耦反馈的温度局限,本文提出了直接反馈隔离驱动的结构,设计了高温隔离驱动模块,能够对输出电压实现高精度、高效率的控制,并且能够较好地降低温度对反馈精度的影响。测试结果表明所设计的高温直流开关电源系统可以稳定工作在150℃的高温环境中。

SiC肖特基二极管在大功率PFC中的应用

有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,简称APFC)是大功率电源应用的一项关键技术。分析了Boost PFC电路中半导体器件的开关损耗以及SiC肖特基二极管的工作特性。SiC肖特基二极管可以有效降低开关损耗,并有助于大功率APFC电路实现高频率应用。在一台3.6kW的样机上,利用SiC肖特基二极管实现了150kHz的开关工作频率。

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。

SiC MOS在有源功率因数校正电路中的应用

为了提高开关电源的工作频率,降低开关损耗,减少电磁污染等,采用第三代半导体功率器件SiC MOS代替传统的Si MOS,同时采用有源功率因数校正技术来提高开关电源的利用率。该文分析了整个电路的工作原理,利用Matlab仿真软件对电路进行了仿真。仿真结果表明,在开关电源中使用SiC MOS可以提高开关频率,降低开关损耗,提高电源的利用率。功率因数可达0.998以上,负载上输出的直流电压稳定,纹波电压误差小。

SiC JFET SJEP120R063特性分析及其在逆变器中的应用

介绍了SiC JFET SJEP120R063的工作特性,由于该器件正向损耗低,可有助于提高大功率逆变电路的开关频率和工作效率。设计了采用SJEP120R063实现的三相逆变器,并进行了实验研究,结果表明用具有较小的导通电阻和正向损耗的SJEP120R063,逆变器的工作效率可以提高到98%。

SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。

基于SiC BJT典型双电源阻容驱动电路的开关过程分析及损耗最优的实现

为降低碳化硅(SiC)双极型晶体管(BJT)开关过程中的总损耗,针对SiC BJT典型的双电源阻容驱动电路,研究了考虑回路寄生参数情况下SiC BJT的详细开关过程,分析了加速电容对Si C BJT开关损耗和驱动损耗的影响,推导出了加速电容对SiC BJT开关过程各阶段持续时间的数学关系。理论分析表明,随着加速电容的增大,SiC BJT的驱动损耗成比例上升,而对开关损耗的优化并不明显。实验测试了加速电容从3. 3nF到94nF变化时SiC BJT的开关波形,并对加速电容变化时的SiC BJT的驱动损耗以及开关损耗进行了对比。实验结果表明,随着加速电容的增大,开关过程中的总损耗呈现先减小后增大的趋势,通过合理选取加速电容值,能够有效降低SiC BJT开关过程的总损耗。

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。

应用于电力系统的SiC MOSFET器件开关特性优化控制方法

SiC MOSFET器件具有电压等级高、功率密度大、耐高温的特点,已经逐渐应用到电力电子变压器等高压大容量电力电子装置中。然而,SiC MOSFET高速开关过程对寄生参数非常敏感,容易导致严重的电压电流尖峰、开关振荡等现象,EMI问题突显,这将严重影响设备运行的稳定性和安全性。针对SiCMOSFET器件的应用问题,提出一种分级驱动控制方法,主动对开通过程的di/dt和关断过程的du/dt进行控制,从而优化SiC MOSFET的开关特性。进而,基于CREE公司的CAS300M17BM2SiCMOSFET半桥模块,搭建仿真模型和模组试验平台,开展理论分析和损耗计算,并通过仿真与试验验证该方法的有效性。

基于SiC器件的单管无线电能传输电路研究

传统无线电能传输电路多采用全桥或半桥逆变拓扑,该拓扑电路及控制方式相对复杂、可靠性较低;单管LC谐振逆变电路具有结构简单、无直通问题、可靠性高、可实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS)等优点。但是由于LC谐振的影响,该拓扑开关管耐压较高,普通Si器件无法满足需求。为此,该文研究一种基于碳化硅(silicon carbide,Si C)器件的单管LC谐振逆变无线电能传输系统。采用互感等效的方式,给出参数详细设计方法;搭建基于Si C器件的单管无线电能传输平台,通过实验比较电路采用Si C器件和采用Si器件在驱动特性、输出特性、负载特性和效率特性上的不同,验证将Si C器件应用于单管逆变无线电能传输电路的可行性。

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV绝缘栅双极晶体管芯片在开关速度及开关损耗方面具有巨大优势,该款6.5kV SiC功率模块在智能电网、电能转换及配电网络领域具有广阔的应用前景。

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。

基于高压SiC MOSFET的高效谐振全桥变换器研究

对谐振全桥变换器而言,利用SiC MOSFET能提高开关频率,达到增大功率密度、降低系统成本、提高效率及简化拓扑电路的目的。文章研究了一种基于第三代SiC MOSFET的零电压(ZVS)LLC谐振全桥DC/DC变换器,利用Cree公司1 000 V/65 mΩ高压SiC MOSFET设计出高频、高功率密度20 k W ZVS LLC谐振隔离全桥变换器并进行了样机研制。实验结果表明,该变换器的开关频率范围扩大到180 k Hz至400 k Hz,最高效率可达到98.4%。该方案能广泛应用于高压直流电源、感应加热、电动汽车充电等三相隔离新能源领域。

一种适用于小功率可再生能源的单相高频双Buck全桥并网逆变器

提出一种适合小功率可再生能源并网发电应用的单相高频双Buck全桥并网逆变器。基于全碳化硅(Si C)功率器件,逆变器工作频率可达100k Hz,有效减小了电感体积,同时使并网电流纹波降低。进一步分析逆变器的控制策略:采用电压电流双环控制,在电流环利用一种三极点三零点(3P3Z)控制器使得受控并网电流快速跟踪电压环产生的电流给定,并采用一种简单线性化算法快速产生控制占空比信号,实现高频变换;电压环采用双极点双零点(2P2Z)控制器,在产生电流内环给定幅值的同时,控制输入侧直流母线电压稳定在电压给定值,使得逆变器能够向电网传输能量的同时维持母线电压恒定;逆变器采用一种二阶广义积分软件锁相环(SOGISPLL)产生与电网电压相位相同的相位信号。最后,通过实验样机对逆变器理论分析的有效性进行了验证。

大功率光导开关研究

设计了横向结构的半绝缘GaAs光导开关和SiC光导开关。在不同的直流偏置电压下,使用波长为1 064 nm的激光脉冲触发使开关导通,研究了非本征光电导方式下GaAs光导开关和SiC光导开关的光电导特性。实验中获得了GaAs光导开关的暗态伏安曲线和200-1 100 nm波长范围内吸收深度随波长的变化曲线,得到了大功率GaAs光导开关在线性模式和非线性模式下的电流波形,并进行了比较,讨论了非线性模式下大功率GaAs光导开关的奇特光电导现象。对非本征光电导方式下的SiC光导开关进行了初步实验研究,得到了偏置电压3.6 kV下开关的电压和电流波形。

基于全碳化硅功率组件的叠层母排优化设计研究

为减小全Si C功率组件开关振荡,满足高功率密度对功率器件的应用要求。定量分析三相两电平拓扑叠层母排元器件布局关系,建立考虑自感和互感的叠层母排数学模型,基于数学模型计算单个电容和2个电容对应的母排回路杂散电感等效值,仿真分析3个电容以上对应的叠层母排回路杂散电感等效值。计算与仿真结果均表明,随着支撑电容数量的增加,回路杂散电感逐渐减小,并且一致性更好。通过分析各支路杂散电感,优化了直流母线端口布局;通过双脉冲实验验证了叠层母排优化后抑制开关振荡的效果。实验结果表明,虽然优化后的功率组件开关时间及开关损耗有所增加,但开关振荡得到有效抑制,能更好地满足高功率密度应用场合对安全性能的需求。