杂散电感对SiC MOSFET开关过程的影响分析及优化研究
发布时间：2021-08-11 05:08
碳化硅（SiC）材料与传统的硅（Si）材料相比,在禁带宽度、热导率、熔点和击穿场强等方面具有更明显的优势。同样,Sic功率半导体器件相比于传统的硅（Si）基功率器件在高压、高温、高频方面具有更大的优势,因此SiC功率器件得到了越来越广泛的应用,而在SiC功率半导体器件中SiC MOSFET的发展最为成熟,应用最为广泛。SiC MOSFET相比于同等级的SiMOSFET或SiIGBT,具有更低的导通电阻和开关损耗、更高的开关频率以及更好的高温稳定性。虽然,SiC MOSFET的性能要优于相同电压等级的传统Si基器件,但是由于其芯片杂散电容很小,所以开关速度非常快,在杂散电感的作用下会导致SiC MOSFET在开关过程中承受较大的电气应力,严重时可能会导致器件损坏或失效。所以为了充分发挥出SiC MOSFET的优异性能,需要分析杂散电感对SiC MOSFET开关特性的影响,并对杂散电感做出相应优化。本文依托国家科技部重点研发计划项目“高压大功率SiC材料、器件及其在电力电子变压器中的示范应用”,分析了杂散电感对SiC MOSFET开关过程中的影响,并给出其优化方案。本文首先设计并搭建了 S...
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?１２００Ｖ／６０Ａ?ＳｉＣ功率模块??为了进一步减小引线键合结构中的功率回路电感，研宂人员开始考虑将２Ｄ??功率冋路改变为３Ｄ，以减小回路而积
国内浙江大学与美国阿肯色大学合作提出了一种适合ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ??芯片的压接封装方法即采用微型灵活压力顶针（ｆｕｚｚ?ｂｕｔｔｏｎｓ又称毛纽扣）实现??芯片顶层互连，解决了小尺寸芯片压接的困难，研制了电热性能良好的４个??１２００Ｖ／１０７Ａ芯片并联的压接式ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模块，如图１－４所示［２４］，ｌ〇〇ｋＨｚ下??Ｑ３Ｄ所提取的功率的续流回路寄生电感值为４．３ｎＨ。??＞?…乂，?ｍＫＳＳｍ??．Ｕｐ＾ｅｒｎ＾＆ａｔｅ?，?ａｉＳｌｔｌｍｌ?＾?Ｎｆｉａｏ＾ｄｕａｎｅｌ?Ｗａｔｅｒ?：；????＂？Ｆ：?Ｗ?ｈｅａｉｓｉｃｋｓ?，?１??７?＾?，??味ｂａｂｂｌｅ?．?／?．?，．?ｂｕｆＹｃｒ?＊＊＊＂??□ＬＴＣＣ＾ｌＩＩＣＣｃｏｎｔｅ＾ｌＣ＾＾??图Ｉ－４?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ功率模块的压接式封装??２０１５年，美国橡树岭国家重点实验室的Ｌｉａｎｇ?Ｚ研制了全平面互连封装??（Ｐｌａｎａｒ－Ｂｏｎｄ－Ａｌｌ，简称?ＰＢＡ）的?１２００Ｖ／１００Ａ?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ?半桥模块，如图?１－５??所示［２５１，这种互连封装技术具有较低的寄生电感，寄生电感值不超过１０ｎＨ．??
图】－６基于ＳＫｉＮ技术的低感封装模块??ＲＯＨＭ公司１２００Ｖ／１３４Ａ（６０?°Ｃ?）的商业化ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ功率模块??ＢＳＭ１２０Ｄ１２Ｐ２Ｃ００５如图１－７所示｜２７１，数据手册给出的功率回路总寄生电感为??２５ｎＨ。模块内部通过增加一个相反电流通路来利用互感抵消回路电感。但为了减??小所增加路径自身的电感，则必须进行大面积敷铜，这会极大地减小模块的空间??利用率，降低了模块的功率密度。???＇＾＇?正极??－邊’输出端一ｈ」＾??［？，￣７Ｔ一ｍ—负极??—ＡｔａＵｉＳ＾?？？／?＇??（ａ）功率模块实物图?（ｂ）互感抵消示意图??图１－７罗姆公司ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ模块内部降低回路寄生电感方法??２０］６年，英国诺丁汉大学采用两块ＤＢＣ板堆替来构造电流返回路径，来实??现最小的续流回路寄生电感。而驱动Ｍ路采用低感的柔恍电路板互连如图１－８所??示［２８１。但这种结构与传统的２Ｄ封装结构相比，热附更火，散热性能并未提高。??—Ｐ２?＾５＾?１］??ｒｖ‘．?具黑ＳＰ？：伊?１?ｒ」ｉ??图１－８柔性电路板＋堆叠结构ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ封装回路面积优化??２０１４年，美国弗吉尼亚理工大学Ｃｈｅｎ?Ｚ在其提出可以在模块内部集成两个??ｌｋＶ／４．７ｎＦ的退耦合电容来进一步减小回路寄生电感Ｉ２２１，其模块内部结构如图１－??９所示。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅MOSFET换流回路杂散电感提取方法的优化[J]. 谢宗奎,柯俊吉,赵志斌,黄华震,崔翔. 电工技术学报. 2018(21)
[2]SiC MOSFET器件封装和测试平台的杂散电感提取[J]. 谢宗奎,赵志斌,柯俊吉,孙鹏,崔翔. 高电压技术. 2019(02)
[3]考虑寄生参数影响的碳化硅MOSFET开关暂态分析模型[J]. 柯俊吉,赵志斌,谢宗奎,徐鹏,崔翔. 电工技术学报. 2018(08)
[4]大容量电力电子装置中母排杂散电感提取方法的优化研究[J]. 金祝锋,李威辰,胡斯登,张志学,何湘宁. 电工技术学报. 2017(14)
[5]用于精确预测SiC MOSFET开关特性的分析模型[J]. 梁美,郑琼林,李艳,巴腾飞. 电工技术学报. 2017(01)
[6]压接式IGBT动态测试平台杂散电感的提取（英文）[J]. 唐新灵,崔翔,赵志斌,张朋,李金元. 中国电机工程学报. 2017(02)
[7]寄生参数对SiC MOSFET栅源极电压影响的研究[J]. 巴腾飞,李艳,梁美. 电工技术学报. 2016(13)
[8]电动汽车分布式储能控制策略及应用[J]. 李志伟,赵书强,刘应梅. 电网技术. 2016(02)
[9]寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响[J]. 范春丽,余成龙,龙觉敏,赵朝会. 上海电机学院学报. 2015(04)
[10]基于开关瞬态过程分析的母排杂散电感提取方法研究[J]. 冯高辉,袁立强,赵争鸣,赵锦成,鲁挺. 中国电机工程学报. 2014(36)
博士论文
[1]中高压功率IGBT模块开关特性测试及建模[D]. 陈娜.浙江大学 2012
硕士论文
[1]SiC逆变器仿真研究及实验装置研制[D]. 谢立军.中国电力科学研究院 2015
本文编号：3335518
【文章来源】：华北电力大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?１２００Ｖ／６０Ａ?ＳｉＣ功率模块??为了进一步减小引线键合结构中的功率回路电感，研宂人员开始考虑将２Ｄ??功率冋路改变为３Ｄ，以减小回路而积
国内浙江大学与美国阿肯色大学合作提出了一种适合ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ??芯片的压接封装方法即采用微型灵活压力顶针（ｆｕｚｚ?ｂｕｔｔｏｎｓ又称毛纽扣）实现??芯片顶层互连，解决了小尺寸芯片压接的困难，研制了电热性能良好的４个??１２００Ｖ／１０７Ａ芯片并联的压接式ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ模块，如图１－４所示［２４］，ｌ〇〇ｋＨｚ下??Ｑ３Ｄ所提取的功率的续流回路寄生电感值为４．３ｎＨ。??＞?…乂，?ｍＫＳＳｍ??．Ｕｐ＾ｅｒｎ＾＆ａｔｅ?，?ａｉＳｌｔｌｍｌ?＾?Ｎｆｉａｏ＾ｄｕａｎｅｌ?Ｗａｔｅｒ?：；????＂？Ｆ：?Ｗ?ｈｅａｉｓｉｃｋｓ?，?１??７?＾?，??味ｂａｂｂｌｅ?．?／?．?，．?ｂｕｆＹｃｒ?＊＊＊＂??□ＬＴＣＣ＾ｌＩＩＣＣｃｏｎｔｅ＾ｌＣ＾＾??图Ｉ－４?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ功率模块的压接式封装??２０１５年，美国橡树岭国家重点实验室的Ｌｉａｎｇ?Ｚ研制了全平面互连封装??（Ｐｌａｎａｒ－Ｂｏｎｄ－Ａｌｌ，简称?ＰＢＡ）的?１２００Ｖ／１００Ａ?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ?半桥模块，如图?１－５??所示［２５１，这种互连封装技术具有较低的寄生电感，寄生电感值不超过１０ｎＨ．??
图】－６基于ＳＫｉＮ技术的低感封装模块??ＲＯＨＭ公司１２００Ｖ／１３４Ａ（６０?°Ｃ?）的商业化ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ功率模块??ＢＳＭ１２０Ｄ１２Ｐ２Ｃ００５如图１－７所示｜２７１，数据手册给出的功率回路总寄生电感为??２５ｎＨ。模块内部通过增加一个相反电流通路来利用互感抵消回路电感。但为了减??小所增加路径自身的电感，则必须进行大面积敷铜，这会极大地减小模块的空间??利用率，降低了模块的功率密度。???＇＾＇?正极??－邊’输出端一ｈ」＾??［？，￣７Ｔ一ｍ—负极??—ＡｔａＵｉＳ＾?？？／?＇??（ａ）功率模块实物图?（ｂ）互感抵消示意图??图１－７罗姆公司ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ模块内部降低回路寄生电感方法??２０］６年，英国诺丁汉大学采用两块ＤＢＣ板堆替来构造电流返回路径，来实??现最小的续流回路寄生电感。而驱动Ｍ路采用低感的柔恍电路板互连如图１－８所??示［２８１。但这种结构与传统的２Ｄ封装结构相比，热附更火，散热性能并未提高。??—Ｐ２?＾５＾?１］??ｒｖ‘．?具黑ＳＰ？：伊?１?ｒ」ｉ??图１－８柔性电路板＋堆叠结构ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ封装回路面积优化??２０１４年，美国弗吉尼亚理工大学Ｃｈｅｎ?Ｚ在其提出可以在模块内部集成两个??ｌｋＶ／４．７ｎＦ的退耦合电容来进一步减小回路寄生电感Ｉ２２１，其模块内部结构如图１－??９所示。??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅MOSFET换流回路杂散电感提取方法的优化[J]. 谢宗奎,柯俊吉,赵志斌,黄华震,崔翔. 电工技术学报. 2018(21)
[2]SiC MOSFET器件封装和测试平台的杂散电感提取[J]. 谢宗奎,赵志斌,柯俊吉,孙鹏,崔翔. 高电压技术. 2019(02)
[3]考虑寄生参数影响的碳化硅MOSFET开关暂态分析模型[J]. 柯俊吉,赵志斌,谢宗奎,徐鹏,崔翔. 电工技术学报. 2018(08)
[4]大容量电力电子装置中母排杂散电感提取方法的优化研究[J]. 金祝锋,李威辰,胡斯登,张志学,何湘宁. 电工技术学报. 2017(14)
[5]用于精确预测SiC MOSFET开关特性的分析模型[J]. 梁美,郑琼林,李艳,巴腾飞. 电工技术学报. 2017(01)
[6]压接式IGBT动态测试平台杂散电感的提取（英文）[J]. 唐新灵,崔翔,赵志斌,张朋,李金元. 中国电机工程学报. 2017(02)
[7]寄生参数对SiC MOSFET栅源极电压影响的研究[J]. 巴腾飞,李艳,梁美. 电工技术学报. 2016(13)
[8]电动汽车分布式储能控制策略及应用[J]. 李志伟,赵书强,刘应梅. 电网技术. 2016(02)
[9]寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响[J]. 范春丽,余成龙,龙觉敏,赵朝会. 上海电机学院学报. 2015(04)
[10]基于开关瞬态过程分析的母排杂散电感提取方法研究[J]. 冯高辉,袁立强,赵争鸣,赵锦成,鲁挺. 中国电机工程学报. 2014(36)
博士论文
[1]中高压功率IGBT模块开关特性测试及建模[D]. 陈娜.浙江大学 2012
硕士论文
[1]SiC逆变器仿真研究及实验装置研制[D]. 谢立军.中国电力科学研究院 2015
本文编号：3335518
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