SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料的研究现状

SiC颗粒增强含Si铝基复合材料在制备过程中由于Si颗粒的析出,使其成为SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料。SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料具有比强度和比刚度高、耐磨性和耐疲劳性好、尺寸稳定性强、轻质等性能,广泛应用于航空、航天、电子电器等工业领域。主要介绍了SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料的研究现状及几种制备工艺,分析了其显微组织中存在的缺陷及复合材料性能的影响因素;展望了SiC和Si混合颗粒增强铝基复合材料的应用前景。

基于热网络分区等效策略的Si/SiC混合器件耦合热参数辨识方法

由硅(Si)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并联构成的混合器件可打破单一Si基器件和SiC基器件的局限性,实现损耗和成本间的有效均衡。结温估计对于Si/SiC混合器件的可靠运行至关重要,然而,目前针对热监测的研究往往需满足热稳态平衡和功率损耗可测两大条件,在实际变流器中实用性较低。基于此,该文以零输入响应法为切入点,首先,对Si/SiC混合器件热结构特性进行分析,详细阐述零输入响应法直接应用于混合器件时所带来的高阶热约束条件难以表征的问题;其次,通过对SiIGBT与SiC MOSFET进行热网络分区处理实现模型的降阶,构建出壳温降温曲线时间常数与热参数之间的约束关系,提出了基于热网络分区等效思想的混合器件耦合热参数辨识方法,所提方法简化了功率损耗测量步骤与热平衡态条件,在并联器件耦合热参数辨识研究中具有简单、通用、流程化高的应用优势;最后,通过实验验证了该文所提方法的准确性和有效性。

考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略

硅基(Si)绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和碳化硅基(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)并联组成的Si/SiC混合器件,已被证实具有SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力、低成本的优势。然而,目前Si/SiC混合器件性能提升的研究并未兼顾效率和可靠性,且存在调控手段单一的劣势。基于此,该文详细分析不同负载电流下驱动电压、开关时序等调控参数对Si/SiC混合器件损耗和电应力的影响,提出一种考虑驱动电压与开关时序协同调控的Si/SiC混合器件开关策略。所提开关策略通过不同电流区间采用驱动电压与开关时序相配合的方式,在保障Si/SiC混合器件可靠性的前提下,提高其运行效率。该文搭建双脉冲测试实验平台与稳态参数测量实验平台对所提开关策略进行验证。实验结果表明,相较于传统开关策略,Si/SiC混合器件采用本文所提开关策略在开通损耗、关断损耗以及导通损耗方面分别减少13%、21%和32%。

基于Si和SiC器件的混合型级联多电平变换器及其调控优化方法

针对现有级联型多电平变换器器件多、损耗大、功率密度低等问题,该文提出一种基于Si和SiC器件的混合型级联多电平变换器(HCMC)拓扑结构。HCMC由全Si IGBT器件的中性点钳位(NPC)型三电平单元与由SiIGBT、SiCMOSFET器件混合的级联H桥(CHB)单元串联构成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥SiC MOSFET开关损耗低、SiIGBT通态损耗低的优势,并对NPC单元直流侧电压和CHB单元子模块数进行优化设计。此外,为解决子模块电容电压不平衡问题,提出一种轮换均压控制策略。最后,在6kV系统无功补偿工况下进行仿真和实验,验证了HCMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将HCMC和现有级联型多电平变换器进行综合对比,证明了所提拓扑在保证输出性能的条件下大大降低了运行损耗。

SiC颗粒增强铝基复合材料氦-氩混合气体TIG焊研究

以氦-氩混合气体为保护气氛,采用填加铝硅焊丝的方法对SiC颗粒增强铝基复合材料进行了TIG焊的研究。获得良好焊逢的最佳工艺参数为:焊接电流60 A,氦-氩混合气体流量115 mL/s,焊接速度3.2 mm/s。金相组织观察表明,焊缝区全部由均匀细小的等轴晶组成,热影响区组织较粗大。焊件的抗拉强度为母材的70%左右,断裂发生在热影响区,属于韧-脆混合断裂。

Si/SiC混合开关最优门极延时及其在逆变器中的应用

由大电流硅绝缘栅双极型晶体管(Silicon Insulated-Gate Bipolar Transistor,Si IGBT)和小电流碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Silicon Carbon Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)并联构成的Si/SiC混合开关具有低成本、高效率的特点. Si/SiC混合开关门极关断延时的控制是提高混合开关效率的关键因素.本文首先研究了在不同工作电流下Si/SiC混合开关关断损耗随门极关断延时的变化,结果表明,Si/SiC混合开关有一个最优的关断延时,此时混合开关的关断损耗最低,并且最优门极关断延时随混合开关工作电流的增大而减小.将所得到的Si/SiC混合开关最优门极关断延时应用在单相全桥逆变器中,实验结果表明,逆变器的转换效率比同等条件下固定关断延时的最高转换效率提高了0.67%.

Si/SiC混合并联功率器件开关模式优化及特性分析

在对比SiC MOSFET和Si IGBT器件开关特性的基础上,提出了一种SiC MOSFET和Si IGBT混合并联器件的优化开关模式,并结合系统稳态模型,分析了其非理想开关过程特性。利用双脉冲测试,对不同开通/延迟时间下的混合并联器件开关特性展开了实验。实验结果表明,所提开关模式能够同步实现SiC MOSFET扩容并降低Si IGBT的开关损耗。该研究成果可对拓展两种开关器件的混合应用提供技术参考。

SiC颗粒增强Al-Si基复合材料的国内研究进展

综述了SiC颗粒增强铝基复合材料的发展历史和制备方法,重点阐述了SiC颗粒增强Al-Si基复合材料的国内研究现状,说明了SiC颗粒增强Al-Si基复合材料的优点及存在的主要问题,展望了其发展前景。

无压渗透法制备SiC颗粒增强铝基复合材料的研究

利用无压渗透法制备出SiCp/Al复合材料,研究了SiCp/Al系统的界面微观结构及复合材料的机械性能.研究表明:SiCp/Al系统的界面处存在着界面反应,生成Si、Al2O3和Al3C4等产物,在界面处存在着Si和Mg元素的富集;复合材料的机械性能受界面反应和Si元素富集的影响,其中界面反应是最重要的影响因素.当界面反应控制在一定程度时,在基体与增强相的界面处形成比较充分的"机械绞合",才会使复合材料的机械性能有较大提高.界面上Si元素的富集对机械性能的影响较为复杂,一方面它可以控制界面反应的过度发生,另一方面又会产生晶格畴变,这两方面效应的叠加,使之对复合材料机械性能的影响减弱,远小于界面反应对机械性能的影响.

Si_3N_4颗粒和纳米SiC晶须强韧化MoSi_2基复合材料

用真空热压法制备了Si3N4颗粒和纳米SiC晶须强韧化MoSi2基复合材料。采用X射线衍射仪、金相显微镜、扫描电镜分析了该材料的物相、微观组织结构和断口形貌,测算了其致密度、晶粒尺寸、抗弯强度和断裂韧性。结果表明:复合材料致密性好;添加的Si3N4和SiC与基体有着很好的化学相容性;与纯MoSi2相比,复合材料晶粒明显细化,抗弯强度和断裂韧性明显增加。其中MoSi2+20%Si3N4+10%SiC抗弯强度达400MPa,比纯MoSi2提高了58.7%;断裂韧性达6.1MPa.m1/2,比纯MoSi2提高了108.9%。复合材料的强化机制为细晶强化和弥散强化;韧化机制为细晶韧化、裂纹偏转和裂纹微桥接。

SiC_P/Al-Si复合材料颗粒偏析问题及力学性能

采用扫描电镜对基体中Si含量和冷却速度对SiCP/Al-Si复合材料颗粒偏析问题及Si含量和冷却速度对复合材料力学性能的影响进行了研究。结果表明,当基体分别为Al-7Si、Al-12Si和Al-21Si合金时,随着基体中Si含量的增加,SiC颗粒偏析得到明显改善,但当基体中Si含量大于12%时,随着Si含量的增加,SiC颗粒偏析改善的程度不明显。当基体为Al-7Si合金时,采用砂型时,SiC颗粒被排斥到共晶体内,形成颗粒偏析;采用石墨型时,由于冷却速度快,SiC颗粒没有充分的时间做长距离的移动,SiC颗粒分布均匀。随着基体中Si含量的增加,3种基体复合材料的力学性能逐渐降低。增大冷却速度可以明显提高材料的力学性能。

SiC晶须与Si_3N_4颗粒强韧MoSi_2复合材料

采用湿法混合和热压工艺制备了不同Si_3N_4(p)和SiC_((w))体积含量的MoSi_2基复合材料,研究了复合材料的显微组织、晶粒大小、硬度、断裂韧性和抗弯强度.结果表明,复合材料的晶粒比纯MoSi_2明显细化,且随着强化相添加量的增加而减小,抗弯强度和断裂韧性均大幅度提高,其中MoSi_2-20%SiC_((w))-20%Si_3N_(4(p))复合材料具有较好的综合力学性能,断裂韧性和抗弯强度分别427 MPa和10.4 MPa·m^(1/2).复合材料的强化机制为细晶强化和弥散强化,韧化机制为细晶韧化和裂纹偏转与分支韧化.

激光CVD法合成SiC-Si_3N_4复合纳米颗粒

用激光化学蒸汽沉积(CVD)法合成了SiC-Si3N4复合纳米颗粒,并用X射线衍射(XRD),透射电子显微镜(TEM)和电子自旋共振磁力计(ESR)分析了试料的晶体结构,颗粒形状以及悬空键的状况。合成的试料粒度分布集中,平均粒径为32nm,颗粒由直径为5～30nm的单晶或多晶组成。试料纯度高,颗粒为近似球形,十分适合于粉体的加工和烧结。另外试料有很高的热稳定性,在加热的过程中的变化首先是悬空键减少,然后是相分解和颗粒长大。

SiC原料颗粒级配对Si_3N_4结合SiC复合陶瓷材料的影响

采用SiC粉和Si粉高温氮化反应烧结制备Si3N4结合SiC复合陶瓷材料。研究四种SiC原料粉体(0-1mm、74μm、44μm、和0.5μm)中三种不同粒度不同含量颗粒级配对Si3N4结合SiC复合陶瓷材料的影响。通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜对试样的物相和显微结构进行表征,并对试样的耐压强度等力学性能进行测试。结果表明:采用三种SiC较细粉体颗级配且如下组成:74μm的含量为5 wt%,44μm的含量为10 wt%,0.5μm的含量为35 wt%,所制备的Si3N4结合SiC陶瓷材料的基本烧结性能较好,其体积密度为2.43g/cm3,耐压强度为324MPa。

一种高性能低成本的中压异质器件混合型模块化多电平变换器及其控制策略

针对少子模块数的中压模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)装置损耗、成本等指标难以综合提升的问题,该文提出一种基于Si基绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)混合的模块化多电平变换器,简称异质器件混合型模块化多电平变换器(heterogeneous device hybrid MMC,HDHMMC)。HDHMMC由全Si IGBT的低频模块和Si IGBT与SiC MOSFET混合的高频模块组成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥Si IGBT通态损耗低、SiC MOSFET开关损耗低的优势。此外,详细分析了高低频模块的能量波动机理,并针对高低频模块直流侧电容电压不稳定问题提出一种特定的稳压策略。仿真和实验结果验证了HDHMMC拓扑及其调制、稳压策略的可行性。最后,将HDHMMC与现有MMC拓扑进行损耗与成本对比,证明所提拓扑可以更好地平衡成本、效率、功率密度等性能指标。

颗粒对SiC_w/SiC层状陶瓷电磁屏蔽性能的影响

层状陶瓷材料的电磁屏蔽效能对结构功能一体化层状陶瓷材料的设计具有重要影响。采用流延法与化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)工艺相结合制备SiC_w/Si C层状陶瓷,研究碳化硅颗粒(Si C particle,SiCp)、氮化硅颗粒(Si_3N_4particle,Si_3N_4p)对SiC_w/Si C层状陶瓷电磁屏蔽性能的影响。结果表明:SiC_w/Si C层状陶瓷具有较高的电磁屏蔽性能,颗粒的加入有助于提高层状陶瓷的电磁屏蔽性能。颗粒粒径越小,材料的电磁屏蔽性能越好;并且SiCp的电磁屏蔽作用强于Si_3N_4p。

纳米SiC颗粒对Mg9Al-1Si合金组织及力学性能的影响

研究了纳米Si C颗粒对Mg9Al-1%Si(以下记作Mg9Al-1Si)合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:Mg9Al-1Si合金组织由α-Mg基体、网状β-Mg17Al12相及粗大汉字状或细长鱼骨状两种形态的Mg2Si相组成。加入质量分数为1%的纳米Si C颗粒,Mg9Al-1Si合金的α-Mg基体晶粒明显细化;β-Mg17Al12相变细变小,网状分布改善不大;粗大汉字状Mg2Si相消失,鱼骨状的Mg2Si相变得更加细小。合金的力学性能得到显著提高,屈服强度提高了13.5%;抗拉强度提高了54%;伸长率由0.48%提高到1.56%,提高了225%.

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。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

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。