电工电能新技术杂志

电工电能新技术杂志2018年第10期

• 基于Si IGBT/SiC MOSFET的混合开关器件综述

  宁圃奇1,2,3,4， 李磊1,2,3,4， 曹瀚1,2,3,4， 温旭辉1,2,3,4

  综述了基于Si IGBT/SiC MOSFET的混合开关器件，总结了相关的门极驱动时序、门极驱动硬件设计、电流分配优化、功率模块设计、变频器设计和成本分析等要素。该类混合开关器件可以实现Si IGBT的零电压开通和零电压关断，大幅缩短Si IGBT的拖尾电流时间，降低开关损耗，并可实现高频运行。该类混合开关器件还利用了Si IGBT的导通特性优势，与同规格纯SiC器件相比成本大幅降低。部分文献的仿真与实验结果验证了该类器件的优异特性，所开发的示范性样机具有较高使用价值，一定程度上可满足同时需求高频开关和中、大功率的应用。

• 碳化硅MOSFET反向导通特性建模研究

  周志达1,2， 葛琼璇1， 赵鲁1， 杨博1,2

  碳化硅宽禁带半导体器件因其损耗小、开关时间短以及温度特性稳定等诸多优点在中小功率变换器得到广泛关注。对比Si IGBT，SiC MOSFET的反向导通（第三象限运行）压降更低、损耗更小、载流能力更高，在电机驱动、移相DC/DC变换器以及同步整流器中应用更有优势。首先研究了SiC MOSFET反向导通机理及其外特性随温度变化规律，提出了一种适用于不同封装、不同型号的反向导通建模方法，实现仅需数据手册即可快速建立包含不同结温特性的行为模型，仿真结果验证了提出的建模方法对分立元件和功率模块的准确性和有效性。

• 基于1200V 4H-SiC CIMOSFET结构的优化研究

  宋瓘1,2， 白云2， 顾航2， 陈宏2， 谭犇2， 杜丽霞1

  提出了一种1200V 4H?SiC CIMOSFET优化结构。该结构在JFET区引入P型注入，以降低栅氧化层电场，提高器件的可靠性；在积累区引入N型注入，以降低器件的比导通电阻，提高器件的电流能力。通过Silvaco软件进行仿真，对器件各项参数优化，并对器件性能进行简要说明与分析，与传统1200V 4H?SiC MOSFET相比，其比导通电阻增加0?59mΩ·cm2，VDS=1200V时，栅氧化层电场强度下降1?52MV/cm。

• 4H-SiC沟槽结势垒二极管研制

  汤益丹1,2， 董升旭1,2， 杨成樾1， 郭心宇1， 白云1

  优化设计了1200V 4H?SiC沟槽结势垒二极管（TJBS）主结处的沟槽结构，将主结范围内间隔刻槽的槽下、槽间进行P型注入形成结势垒，纵向增加了结势垒面积，从而在反向时可以有效利用主结承担更多电压，并有利于反向时耗尽区向终端区的扩展。通过Silvaco二维仿真软件对主结处的沟槽结构进行优化设计，其优化结构仿真击穿电压高达1843V。并实际制作了此优化结构TJBS，结果表明其反向击穿特性优于传统沟槽结构。

• 1200V SiC超结VDMOS研究

  郭心宇1,2， 白云2， 雷天民1

  在高耐压器件中，保持高耐压的同时减少漂移区电阻是提升器件性能的关键，超结理论的提出使器件在相同耐压下具有更小的漂移区电阻。通过利用Silvaco TCAD软件对器件结构参数进行了计算优化仿真，得到了击穿电压为1680V，比导通电阻为0?60mΩ·cm2的超结VDMOS器件。

• 双面散热SiC MOSFET模块的封装结构强度设计

  陆国权1， 刘文1,2， 梅云辉1,2

  随着功率模块向高功率、高密度的方向快速发展，模块需要更高的散热效率。而传统引线键合模块只能实现单面散热，因此，双面散热的封装结构正被广泛关注。双面散热的封装模块采用缓冲层代替键合引线与芯片电极相连，增加散热通道，有效提高模块的散热效率，但双面互连的封装结构须承受更高的热应力。因此，为设计可靠的双面散热封装结构，本文以最大等效应力和最大塑性应变最小化为目标，采用有限元法，重点仿真研究了双面SiC模块应力缓冲层形状、厚度和焊层面积对模块各层材料的受力与变形的影响规律，为双面封装结构强度设计提供理论指导，实现高可靠双面散热封装SiC芯片。

• 基于Cu、Sn预成型焊片的高温SiC芯片焊接材料研究

  徐红艳1， 周润晖2， 宁圃奇1,3， 徐菊1,3

  开展了基于Cu、Sn复合粉末的SiC芯片焊接材料研究。通过电镀工艺制备Cu、Sn复合粉末、液压成型制备预成型焊片以及三维网络接头结构的设计及焊接工艺研究，优化了Cu颗粒强化界面金属间化合物（IMCs）三维网络结构的制备工艺；研究了接头组织形貌演变规律及相变失效模式，揭示了接头失效机制，为高温SiC芯片焊接材料开发提供理论基础及技术指导。

• 用于高密度主控板的软件RDC解码系统研制

  范涛1,2,3， 何国林1,2,3， 李恒宇1,2,4， 温旭辉1,2,3,4

  为了研制一台车用高功率密度SiC电机驱动控制器，实现高功率密度的指标，需要从系统各方面进行结构优化和空间布局优化。转子位置测量是高功率密度主控板子系统中的重要功能，目前的测量方法基于硬件专用解码芯片实现。本文通过软件的方式实现硬件芯片的功能，可以取消相关硬件电路，降低主控板面积。本文对软件RDC系统进行了建模仿真，介绍了软硬件设计方法，最终通过实验测试平台对解码算法进行验证，并和硬件RDC技术做了对比，验证了软件RDC技术的正确性与准确性。

• 基于分立器件的SiC MOSFET功率模块门极驱动电路设计

  王翰祥， 蒋栋

  SiC MOSFET功率模块能够帮助提高变换器高温、高功率密度运行的可行性。同时，对于高温下可靠运行的驱动电路的需求也随之增加。由于Si技术的驱动芯片和隔离芯片的耐温最大不超过125℃，本研究提出了一种使用脉冲变压器配合基于Si材料的分立器件实现的隔离驱动电路，能够提供与商业化驱动电路同等的驱动电流与上升下降时间。所提出的分立器件驱动电路经Saber仿真验证，并于SiC功率模块上进行双脉冲实验评估。仿真和实验结果证明了所提出的驱动结构对SiC MOSFET驱动的效果。

• 基于GaN HEMT的高效率、高功率密度LLC谐振变换器的设计

  李媛， 马红波， 柯玉连

  氮化镓器件凭借开关速度快、导通电阻小等优势，可使开关电源在高频率工作时兼顾转换效率。同时，开关频率的提高可以减小系统无源元件的体积，进而提高变换器的功率密度。LLC谐振变换器因其本质的软开关特性，可以实现原边开关管零电压导通及副边整流管零电流关断，可进一步降低系统高频工作时的开关损耗，提升变换器的效率。以IEEE IFEC 2017的要求为指标，在对LLC谐振变换器进行谐振参数优化的基础上，采用GaN HEMT作为原边开关管，结合同步整流技术和平面变压器技术，研制了一台360～400V输入，750W/12V输出的LLC谐振变换器原理样机，整体功率密度达8?27W/cm3，最高效率为96?23%。实验结果验证了设计方案的可行性和先进性。

• 基于SiC MOSFET的无桥Boost PFC变换器研究与设计

  黎晓， 马红波， 庞亮

  与传统Boost PFC变换器相比，无桥Boost PFC变换器减少了低频回路上二极管的数量，具有高效率和高功率密度的特点。SiC MOSFET作为一种新型的功率器件，具有开关频率高、温度特性好和导通损耗小的优点。为使SiC MOSFET安全可靠地工作，通过对SiC MOSFET特性的分析，设计了SiC MOSFET驱动电路。以此为基础，设计了一款90～265V输入、1?5kW Dual?Boost无桥PFC原理样机。实验结果证明了方案的合理性和先进性。

• 150℃半桥式SiC高温直流开关电源设计

  杨杰， 叶柠， 高伟， 闫逸伍

  为了满足极限环境对电源系统的要求，本文设计了一种基于SiC器件的高温隔离开关电源。针对光耦反馈的温度局限，本文提出了直接反馈隔离驱动的结构，设计了高温隔离驱动模块，能够对输出电压实现高精度、高效率的控制，并且能够较好地降低温度对反馈精度的影响。测试结果表明所设计的高温直流开关电源系统可以稳定工作在150℃的高温环境中。

• SiC逆变器在不同开关频率下直流侧EMI滤波器分析

  张野驰1， 蒋栋1， 阳世荣2

  逆变器工作过程中产生的电磁干扰（EMI）可以通过在电路中加入滤波器的方法使其得到有效的抑制。SiC逆变器相比于普通的Si逆变器可以工作在更高的开关频率，而这将恶化逆变器产生的EMI。本文对比了SiC逆变器工作在不同开关频率即10kHz和40kHz这两种情况下直流侧的EMI，并基于插入损耗和阻抗匹配的原则设计了相应的EMI滤波器。对于40kHz的开关频率，除加入EMI滤波器还使用随机PWM降低了直流侧的EMI，通过改变调制方法和加入滤波器使得逆变器工作在40kHz开关频率下直流侧能够满足相应的电磁干扰标准。

• IGBT键合线脱落故障特征分析

  孔梅娟， 李志刚， 赵旺旺

  IGBT功率模块的可靠性是现今关注的重点，键合线脱落故障是导致其失效的主要原因。故障的发生会致使模块相关的特征参量发生变化，如通断过程中，模块的栅极电压米勒平台和栅极阈值电压。通过实验模拟了不同程度的键合线脱落故障，并分析了随着键合线故障程度的加深，栅极电压米勒平台和阈值电压的变化情况，为IGBT的状态监测技术提供了可靠的参考。