高压IGBT功率模块瞬态直通模型与关键技术研究

发布时间：2017-08-06 20:21

  本文关键词：高压IGBT功率模块瞬态直通模型与关键技术研究

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【摘要】：功率模块作为功率半导体器件的重要分支,凭借性能优异、可靠性高、结构紧凑和成本低等优点在工业控制、轨道交通、无线通信和消费电子等领域得到了广泛应用。近年来,随着功率半导体技术的不断发展,功率模块技术也得到了实质性提升和迅速发展,并成为功率半导体领域的关键技术之一。目前,国内外研究者已对功率模块进行了深入研究,但是在功率模块可靠性、集成化和降功耗等方面仍面临着许多挑战。本文以高压IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)功率模块瞬态直通模型与关键技术为研究课题,结合工程项目,根据研发过程中的主要技术难点,重点研究dv/dt瞬态直通、di/dt瞬态负电压、高集成化以及降低功耗。提出高压IGBT dv/dt瞬态直通模型,提出功率模块高集成和低功耗关键技术,提出并研发三相逆变高压IGBT功率模块、高集成高压IGBT功率模块和低功耗高压SiC(Silicon Carbide)功率模块,其中两种功率模块实现量产。具体研究内容和创新点如下:1.提出高压IGBT dv/dt瞬态直通模型。针对三相逆变高压IGBT功率模块在系统运行直通失效问题,从理论上分析IGBT栅极尖峰电压与dv/dt、栅极驱动电阻RG、寄生电容CGC、CGE以及寄生电感LS等参数的关系并导出关系解析式,得到高压IGBT dv/dt瞬态直通模型。基于dv/dt瞬态直通模型的提出与实验分析,研究并总结dv/dt与高压IGBT安全工作区的关系。同时,综合考虑电路性能、可靠性、实现难度和成本之间的折中,对功率模块自举和保护等关键子电路进行分析设计。针对三相逆变高压IGBT功率模块驱动感性负载时引起的di/dt瞬态负电压问题,详细分析其产生机理及抑制方法。基于深槽介质隔离厚膜SOI(Silicon-On-Insulator)工艺技术,提出一种高可靠高压IGBT栅极驱动集成电路,该器件高侧浮动通道经自举电路能够工作于650V高压条件下。实验结果表明,该器件具有较好的抗di/dt衬底噪声能力,其di/dt瞬态负电压承受能力可达-50V,约为传统Si高压IGBT栅极驱动集成电路的1.5倍,因此具有更高的可靠性。而且,其仅需极低的静态供电电流并具有200mA和300mA典型值的输出和吸收电流驱动能力,开通和关断延迟时间典型值为460ns和440ns,上升和下降时间典型值为90ns和65ns。提出一种铝基板架构三相逆变高压IGBT功率模块,并在合作企业进行了量产,成品合格率从试制时的70%左右提升至量产时的98%左右。2.提出并研发两种高集成高压IGBT功率模块。为进一步提升高压IGBT功率模块集成度和功率密度、缩小系统体积、简化电机驱动设计,提出并研发两种高集成高压IGBT功率模块。综合考虑系统性能和复杂度,基于升压型主电路拓扑架构,选取平均电流控制模式,提出一种具有功率逆变和功率因数校正双功能的集成PFC(Power Factor Correction)的功率模块。为降低集成PFC的功率模块三相逆变电路中IGBT焊接空洞率,提出一种四角圆弧工艺技术,利用该技术能够有效改善IGBT焊接效果,与传统工艺技术相比,空洞率降低约10%。该集成PFC的功率模块已在合作企业实现量产,模块尺寸为62mm×25.3mm×5.5mm,与具有相同功能的传统方案相比体积缩小约15%。此外,提出一种基于高低压分离架构的数字化双驱动功率模块。该功率模块集成整流电路、PFC电路、压缩机三相逆变电路、风机三相逆变电路、驱动电路、控制电路以及保护电路,从而实现高集成一体化电机驱动方案。该功率模块的高压功率电路与低压控制电路采用分离式架构且高压功率电路采用半模封封装形式,能够有效减小干扰和提高散热能力。模块尺寸为115mm×77mm×6mm,与具有相同功能的传统方案相比体积缩小约30%。3.提出并研发两种低功耗高压SiC功率模块。基于铝基板架构,提出并研发两种低功耗高压SiC功率模块,即复合SiC功率模块和全SiC功率模块,以解决传统Si高压IGBT功率模块功耗难以进一步降低问题。通过对单相二线制(1P2W)、三相三线制(3P3W)和三相四线制(3P4W)模式的研究分析,提出高压SiC功率模块功率测试方法。实验结果表明,当压缩机在10Hz~70Hz频率范围内运行时,复合SiC功率模块功率为3.5W~21.7W,全SiC功率模块功率为2.2W~17W,与传统Si高压IGBT功率模块相比,功率分别降低了12.5%~25.5%和32%~53%。
【关键词】：功率模块 dv/dt di/dt 高集成 低功耗
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN322.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 功率模块概述12-18
• 1.1.1 功率模块分类13-15
• 1.1.2 功率模块现状与发展15-18
• 1.2 高压IGBT功率模块与主要性能18-20
• 1.3 主要研究内容和创新点20-22
• 第二章 三相逆变高压IGBT功率模块22-55
• 2.1 三相逆变高压IGBT功率模块概述22-25
• 2.2 高压IGBT dv/dt瞬态直通模型25-35
• 2.2.1 dv/dt瞬态直通模型25-28
• 2.2.2 dv/dt瞬态直通模型实验与讨论28-32
• 2.2.3 dv/dt与高压IGBT安全工作区32-35
• 2.3 自举电路与保护电路35-43
• 2.3.1 自举电路35-37
• 2.3.2 保护电路37-43
• 2.4 di/dt瞬态负电压43-51
• 2.4.1 di/dt瞬态负电压产生机理与抑制44-47
• 2.4.2 实验结果与讨论47-51
• 2.5 三相逆变高压IGBT功率模块工艺51-54
• 2.6 本章小结54-55
• 第三章 高集成高压IGBT功率模块55-76
• 3.1 集成PFC的功率模块55-67
• 3.1.1 PFC控制概述55-56
• 3.1.2 功率模块PFC主电路拓扑架构56-58
• 3.1.3 功率模块PFC主电路控制模式58-62
• 3.1.4 集成PFC的功率模块架构与工艺62-64
• 3.1.5 实验结果与讨论64-67
• 3.2 数字化双驱动功率模块67-75
• 3.2.1 数字化双驱动矢量控制67-70
• 3.2.2 数字化双驱动功率模块架构与工艺70-72
• 3.2.3 实验结果与讨论72-75
• 3.3 本章小结75-76
• 第四章 低功耗高压SiC功率模块76-100
• 4.1 SiC宽禁带半导体特性76-78
• 4.1.1 SiC宽禁带半导体物理参数76-77
• 4.1.2 SiC宽禁带半导体品质因数77-78
• 4.2 低功耗复合SiC功率模块78-83
• 4.2.1 SiC SBD器件78-80
• 4.2.2 复合SiC功率模块80-83
• 4.3 低功耗全SiC功率模块83-87
• 4.3.1 SiC MOSFET器件83-84
• 4.3.2 全SiC功率模块84-87
• 4.4 高压SiC功率模块功率测试技术87-92
• 4.4.1 单相二线制（1P2W）模式88
• 4.4.2 三相三线制（3P3W）模式88-90
• 4.4.3 三相四线制（3P4W）模式90
• 4.4.4 高压SiC功率模块功率测试90-92
• 4.5 实验结果与讨论92-99
• 4.5.1 复合SiC功率模块实验结果与讨论92-96
• 4.5.2 全SiC功率模块实验结果与讨论96-99
• 4.6 本章小结99-100
• 第五章 总结与展望100-102
• 5.1 总结100-101
• 5.2 展望101-102
• 致谢102-104
• 参考文献104-113
• 攻读博士学位期间取得的成果113-115

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