基于模型的SiC功率MOSFET温升估计研究
发布时间：2021-12-23 07:53
碳化硅功率MOSFET由于同时具有宽禁带器件耐高温、耐高压的特性,和功率MOSFET驱动损耗小,开关时间短的优点,可以保证良好的工作特性和较高的稳定性,满足汽车、电源、航空航天等系统对电力电子设备在能量密度、工作效率、节能环保等方面日益提高的要求,因此越来越成为研究和使用的热点。但在较高的开关频率下碳化硅功率MOSFET可能会产生振荡,过压和过流,这会造成巨大的开关损耗,导致器件温度上升,影响器件的性能甚至造成器件失效。因此对其进行特性建模和暂态分析,进而研究其工作特性并对其进行温升估计对保证器件和系统工作稳定性均具有重要意义。基于此,本文围绕ST公司生产的SCT30N120型号的碳化硅功率MOSFET进行了如下工作:首先,建立SiC功率MOSFET静态模型。对器件工作原理的理解和对器件性能的准确测量是对器件进行建模分析和温升估计的基础。为获得器件静态特性,搭建基于B1505A功率半导体测试仪的高温测试平台,对SCT30N120进行了测试,得到其宽温度范围内的输出特性、转移特性、通态电阻、阈值电压、寄生电容等参数曲线,并对其进行曲线拟合建模,为后续对动态特性的精确拟合建立基础。其次,对...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳化硅MOSFET的关断过程
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-行进一步研究，其使用的封装型号为HiP247型号，具体封装外型及尺寸由数据手册给出，如图4-1所示。图4-1数据手册给出的HiP247芯片封装外形尺寸表4-1芯片外型尺寸(mm)数值最小值典型值最大值A4.855.15A12.202.60b1.01.40b12.02.40b23.03.40c0.400.80D19.8520.15E15.4515.70e5.305.455.60L14.2014.80L13.704.30L218.50P3.553.65R4.505.50S5.305.505.70由于缺乏实验条件，难以通过破坏结构的方法对碳化硅功率MOSFET芯片的内部结构进行测量；文献[51]中对SCT30N120的器件结构进行了分析，通过EDX，FTIR和GC-MS分析等手段对SCT30N120的TO-247型封装进行了评估，得到了芯片内部各部分结构组成、尺寸及材料分析结果，同时基于碳
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-(a)正面视角(b)背面视角(c)焊料层与芯片连接细节(d)芯片封装内部图4-3ANSYS中碳化硅功率MOSFET有限元模型将建立的模型经过简化，得到热仿真软件可识别的类型。将其导入到Icepak中，由于开关器件开关速度很快，而散热过程较慢，两者的时间常数相差很多，为简化分析和提高仿真速度，将碳化硅内部芯片设置为稳定热源，对碳化硅MOSFET进行网格划分，网格划分质量情况如图4-4所示，可见质量情况较好。设置其平均功率为2W，得到芯片表面温度仿真结果如图4-5所示。图4-4划分的网格质量情况(a)芯片正面视角(b)芯片背面视角图4-5自然冷却时碳化硅MOSFET外部温度分布情况封装外壳管脚背板焊料NiAg芯片Al
【参考文献】：
期刊论文
[1]分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型和参数辨识方法[J]. 万萌,应展烽,张伟. 电工技术学报. 2019(12)
[2]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)
[3]基于各层材料传热特性的晶闸管结温计算等效电路模型[J]. 熊诗成,鲁军勇,郑宇锋,曾德林. 中国电机工程学报. 2018(04)
[4]基于传热动力学作用特征的IGBT结温预测数学模型[J]. 刘宾礼,罗毅飞,肖飞,熊又星,贾英杰. 电工技术学报. 2017(12)
[5]IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的关系[J]. 方化潮,郑利兵,王春雷,方光荣,韩立. 电工技术学报. 2016(18)
[6]宽禁带半导体器件研究现状与展望[J]. 朱梓悦,秦海鸿,董耀文,严仰光,徐华娟. 电气工程学报. 2016(01)
[7]双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析[J]. 李辉,秦星,薛宏涛,朱祚恒,刘盛权,李洋,林波,杨波. 电机与控制学报. 2015(08)
[8]一种用于风电变流器可靠性评估的结温数值计算方法[J]. 杜雄,李高显,吴军科,孙鹏菊,周雒维. 中国电机工程学报. 2015(11)
[9]电力电子器件及其应用的现状和发展[J]. 钱照明,张军明,盛况. 中国电机工程学报. 2014(29)
[10]宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J]. 王学梅. 中国电机工程学报. 2014(03)
博士论文
[1]SiC MOSFET开关损耗模型与新结构研究[D]. 李轩.电子科技大学 2017
硕士论文
[1]SiC MOSFET开关振荡特性及并联应用器件筛选的研究[D]. ABUOGO James Opondo.华北电力大学(北京) 2019
[2]考虑温度特性的SiC MOSFET PSpice建模研究[D]. 郭浩波.北京交通大学 2019
[3]杂散电感对SiC MOSFET开关过程的影响分析及优化研究[D]. 谢宗奎.华北电力大学(北京) 2019
[4]电动汽车变流器的电热耦合模型及结温改善研究[D]. 郑浩.华南理工大学 2016
[5]风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究[D]. 李高显.重庆大学 2015
[6]4H-SiC浮动结功率UMOSFET的模拟研究[D]. 蒋明伟.西安电子科技大学 2014
[7]功率分立器件封装热阻与热可靠性试验数值模拟研究[D]. 杨凯龙.上海交通大学 2014
[8]电源模块功率器件热阻及互连结构热疲劳研究[D]. 郭奇.华南理工大学 2013
[9]两种新颖结构4H-SiC功率MOSFET的模拟与性能分析[D]. 李华超.西安电子科技大学 2013
[10]SiC MOS的介质层/SiC界面特性研究[D]. 多亚军.西安电子科技大学 2013
本文编号：3548096
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳化硅MOSFET的关断过程
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-行进一步研究，其使用的封装型号为HiP247型号，具体封装外型及尺寸由数据手册给出，如图4-1所示。图4-1数据手册给出的HiP247芯片封装外形尺寸表4-1芯片外型尺寸(mm)数值最小值典型值最大值A4.855.15A12.202.60b1.01.40b12.02.40b23.03.40c0.400.80D19.8520.15E15.4515.70e5.305.455.60L14.2014.80L13.704.30L218.50P3.553.65R4.505.50S5.305.505.70由于缺乏实验条件，难以通过破坏结构的方法对碳化硅功率MOSFET芯片的内部结构进行测量；文献[51]中对SCT30N120的器件结构进行了分析，通过EDX，FTIR和GC-MS分析等手段对SCT30N120的TO-247型封装进行了评估，得到了芯片内部各部分结构组成、尺寸及材料分析结果，同时基于碳
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-(a)正面视角(b)背面视角(c)焊料层与芯片连接细节(d)芯片封装内部图4-3ANSYS中碳化硅功率MOSFET有限元模型将建立的模型经过简化，得到热仿真软件可识别的类型。将其导入到Icepak中，由于开关器件开关速度很快，而散热过程较慢，两者的时间常数相差很多，为简化分析和提高仿真速度，将碳化硅内部芯片设置为稳定热源，对碳化硅MOSFET进行网格划分，网格划分质量情况如图4-4所示，可见质量情况较好。设置其平均功率为2W，得到芯片表面温度仿真结果如图4-5所示。图4-4划分的网格质量情况(a)芯片正面视角(b)芯片背面视角图4-5自然冷却时碳化硅MOSFET外部温度分布情况封装外壳管脚背板焊料NiAg芯片Al
【参考文献】：
期刊论文
[1]分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型和参数辨识方法[J]. 万萌,应展烽,张伟. 电工技术学报. 2019(12)
[2]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)
[3]基于各层材料传热特性的晶闸管结温计算等效电路模型[J]. 熊诗成,鲁军勇,郑宇锋,曾德林. 中国电机工程学报. 2018(04)
[4]基于传热动力学作用特征的IGBT结温预测数学模型[J]. 刘宾礼,罗毅飞,肖飞,熊又星,贾英杰. 电工技术学报. 2017(12)
[5]IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的关系[J]. 方化潮,郑利兵,王春雷,方光荣,韩立. 电工技术学报. 2016(18)
[6]宽禁带半导体器件研究现状与展望[J]. 朱梓悦,秦海鸿,董耀文,严仰光,徐华娟. 电气工程学报. 2016(01)
[7]双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析[J]. 李辉,秦星,薛宏涛,朱祚恒,刘盛权,李洋,林波,杨波. 电机与控制学报. 2015(08)
[8]一种用于风电变流器可靠性评估的结温数值计算方法[J]. 杜雄,李高显,吴军科,孙鹏菊,周雒维. 中国电机工程学报. 2015(11)
[9]电力电子器件及其应用的现状和发展[J]. 钱照明,张军明,盛况. 中国电机工程学报. 2014(29)
[10]宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J]. 王学梅. 中国电机工程学报. 2014(03)
博士论文
[1]SiC MOSFET开关损耗模型与新结构研究[D]. 李轩.电子科技大学 2017
硕士论文
[1]SiC MOSFET开关振荡特性及并联应用器件筛选的研究[D]. ABUOGO James Opondo.华北电力大学(北京) 2019
[2]考虑温度特性的SiC MOSFET PSpice建模研究[D]. 郭浩波.北京交通大学 2019
[3]杂散电感对SiC MOSFET开关过程的影响分析及优化研究[D]. 谢宗奎.华北电力大学(北京) 2019
[4]电动汽车变流器的电热耦合模型及结温改善研究[D]. 郑浩.华南理工大学 2016
[5]风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究[D]. 李高显.重庆大学 2015
[6]4H-SiC浮动结功率UMOSFET的模拟研究[D]. 蒋明伟.西安电子科技大学 2014
[7]功率分立器件封装热阻与热可靠性试验数值模拟研究[D]. 杨凯龙.上海交通大学 2014
[8]电源模块功率器件热阻及互连结构热疲劳研究[D]. 郭奇.华南理工大学 2013
[9]两种新颖结构4H-SiC功率MOSFET的模拟与性能分析[D]. 李华超.西安电子科技大学 2013
[10]SiC MOS的介质层/SiC界面特性研究[D]. 多亚军.西安电子科技大学 2013
本文编号：3548096
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