碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究

发布时间：2020-05-27 07:43

【摘要】：基于碳化硅等宽禁带半导体新材料的电力电子器件在电力电子应用领域展现出了巨大的潜力,但由于电路设计者和系统应用的厂商对这些宽禁带半导体电力电子器件的性能和优势缺乏足够的认识,目前该类器件在实际应用中推广遇到了很大的阻碍。为了能够在系统中安全地发挥出这些宽禁带半导体电力电子器件的优势,我们需要深入了解器件的动静态特性、电路应用性能以及长期运行的稳定性和可靠性。宽禁带半导体电力电子器件中,碳化硅(SiC)MOSFET器件因其具备更加简单可靠的驱动方式、更突出的性能和更广的应用范围,被广泛应用于能源、电力、电动汽车等大功率场合,是最重要的新材料电力电子器件,也被人视为传统SiIGBT器件的理想替代品。受单芯片功率容量的限制,多芯片并联是当前SiCMOSFET功率模块的一种常见方式,但是多芯片并联存在芯片成本和性能要求冲突的问题,需要针对这些问题开展定量化的研究,从而进一步优化模块上的芯片数量和模块的工作效率。SiCMOSEFT功率模块中最常见的基本电路拓扑为半桥电路,这种电路结构上下管之间存在串扰(Crosstalk),SiCMOSFET的高速硬开关更是加剧了该问题的严重性。因此,对于多芯片并联的SiC MOSFET功率模块,我们还需要进一步研究改良其基本电路的拓扑结构,提升功率模块在高速硬开关应用中的串扰抑制能力。基于上述专业领域的科学性问题,本论文记载了作者的以下研究工作:作者首先对商业化的SiC二极管、SiCMOSFET、SiC JFET、SiCBJT和氮化镓HEMT(High electron mobility transistor)等宽禁带半导体电力电子器件以及硅CoolMOS(作为对比),进行了静态和动态特性的测试,分析了各类器件的特点,并对它们做了对比分析和总结。同时,作者评估了 SiC MOSFET导通电阻在高温环境下的变化,研究了 SiC MOSFET的高温稳定性。特别的,在SiCMOSFET的稳定性方面,作者针对Cree公司生产的第一代商业化SiCMOSFET器件,基于实测数据开展了建模仿真以及实验验证,推断出了它的热失控温度(thermal run away),并评估了新一代SiC MOSFET的热失控温度,为这类器件在各领域的广泛应用提供了定量化的安全指标,具有极大的实用价值。其次,作者完成了对多芯片并联SiC MOSFET模块从设计、制造、测试到评估的流程。首先以一款4芯片并联的SiCMOSFET为例详细介绍了材料选型、Layout阻抗分析、内置解耦电容计算、芯片间距与分析等模块设计过程;然后在20kW Boost测试平台上测试了一款6芯片并联的SiCMOSFET模块在不同环境温度下(模拟车内环境温度)的工作性能,评估了不同环境温度对SiC MOSFET模块性能的影响;最后系统评估了不同芯片数量、不同开关频率、不同负载、不同壳温等条件下的模块性能:1.采用分布式栅极阻抗代替传统的集中式栅极阻抗建立SiC MOSFET模型,实验验证了其具有更高的准确性;2.以此模型为标准检验了采用罗氏线圈测量电流的方式得到的开关损耗的准确度,确定了该方式得到数据并建立开关损耗拟合模型的合理性;3.接着结合上述模型与导通损耗拟合模型,得到整体损耗拟合数据模型;4.根据实测数据建立稳态结温和功耗之间的模型;5.通过实测各类模块在不同功率下的运行性能,验证了损耗和热稳定数据拟合模型;6.最后根据上述两个数据拟合模型对模块性能进行评估和预测,同时从效率和有源区面积等角度对比了 SiC MOSFET和Si IGBT器件的性能。在本论文的最后一部分,作者针对SiC MOSFET半桥电路中高速硬开关工作存在上下管串扰的问题,分析了不同电路参数对串扰引起的栅极电压波动的影响以及不同钳位电路对串扰的抑制效果,研究了米勒钳位和开关器件之间的回路电感对钳位效果的作用。针对多芯片并联半桥模块的应用,本文提出了集成模块内部的分布式米勒钳位驱动布局方式,通过实验验证了该方式在达到抑制串扰目的的同时还能够改善半桥功率模块各并联芯片的抗串扰能力一致性,由此极大的提高了功率模块硬开关应用中的整体抗串扰能力。通过以上研究工作,作者针对以SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体电力电子器件在应用过程中碰到的难点,从理论和实践上寻求突破,发现了关系到器件可靠性的热失控温度、建立了更接近实测的器件模型、提出了抗串扰能力更强的模块驱动布局方式,为-宽禁带半导体电力电子器件的应用推广提供了切实的科学依据,为我国的新能源汽车等新兴产业的发展铺垫了可靠的理论基础。
【图文】：

过程图,宽禁带半导体,碳化硅材料,硅材料

功率半导体材料。逡逑碳化硅和氮化镓作为宽禁带半导体材料，相比于传统硅材料，它们具有更优越的物逡逑理特性。图１．１展示了碳化硅材料、氮化镓和硅材料的主要特性对比ｍ［２］。宽禁带半导体逡逑及其生产的电力电子器件主要有以下几个优点：（１）禁带宽度是硅的３倍左右，击穿场逡逑强大约是硅的１０倍；（２）更高的耐压能力和更低的导通压降；（３）更快的开关速度和更逡逑低的开关损耗；（４）更高的工作频率；（５）更高的工作温度［３］；邋（６）碳化硅具有更高的逡逑热导率。这些宽禁带半导体器件的优点，能够全面提升电力电子装置的应用性能，扩展逡逑禁带宽度逡逑（ｅＶ）逡逑５邋＇逡逑４Ｈ－ＳｉＣ邋／邋４／＼＼逡逑■Ｉ逡逑热导率＼逦＼逦＇击穿场强逡逑（Ｗ／ｃｍ■邋Ｋ）逦Ｉ逦￣￣邋（ＭＶ／ｃｍ）逡逑－逡逑电子速率逡逑电力电子装置的应用范围。逦0＜１（ｙｅｍ／ｓ）逡逑图１．１硅材料和碳化硅材料的主要性能比较逡逑宽禁带半导体电力电子器件的发展是一个比较漫长的过程。碳化硅半导体器件的制造逡逑起始于上世纪初，逐渐成熟于上世纪末，迅猛发展于本世纪初。第一个碳化硅器件——碳逡逑１逡逑

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器件的生产技术水平处于领先位置。不同类型的碳化硅器件的结构特点不同，所以工艺难逡逑度也不一样，在碳化硅半导体电力电子器件的商业化发展过程中，商业化的碳化硅器件依逡逑据其工艺难度先后依次被椎出，图１．２展示了邋２０００年以来，碳化硅电力电子器件的发展逡逑和商业化情况。逡逑２逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

【参考文献】