【摘要】：基于碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體新材料的電力電子器件在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力,但由于電路設(shè)計者和系統(tǒng)應(yīng)用的廠商對這些寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的性能和優(yōu)勢缺乏足夠的認識,目前該類器件在實際應(yīng)用中推廣遇到了很大的阻礙。為了能夠在系統(tǒng)中安全地發(fā)揮出這些寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的優(yōu)勢,我們需要深入了解器件的動靜態(tài)特性、電路應(yīng)用性能以及長期運行的穩(wěn)定性和可靠性。寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件中,碳化硅(SiC)MOSFET器件因其具備更加簡單可靠的驅(qū)動方式、更突出的性能和更廣的應(yīng)用范圍,被廣泛應(yīng)用于能源、電力、電動汽車等大功率場合,是最重要的新材料電力電子器件,也被人視為傳統(tǒng)SiIGBT器件的理想替代品。受單芯片功率容量的限制,多芯片并聯(lián)是當(dāng)前SiCMOSFET功率模塊的一種常見方式,但是多芯片并聯(lián)存在芯片成本和性能要求沖突的問題,需要針對這些問題開展定量化的研究,從而進一步優(yōu)化模塊上的芯片數(shù)量和模塊的工作效率。SiCMOSEFT功率模塊中最常見的基本電路拓撲為半橋電路,這種電路結(jié)構(gòu)上下管之間存在串?dāng)_(Crosstalk),SiCMOSFET的高速硬開關(guān)更是加劇了該問題的嚴重性。因此,對于多芯片并聯(lián)的SiC MOSFET功率模塊,我們還需要進一步研究改良其基本電路的拓撲結(jié)構(gòu),提升功率模塊在高速硬開關(guān)應(yīng)用中的串?dāng)_抑制能力。基于上述專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)性問題,本論文記載了作者的以下研究工作:作者首先對商業(yè)化的SiC二極管、SiCMOSFET、SiC JFET、SiCBJT和氮化鎵HEMT(High electron mobility transistor)等寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件以及硅CoolMOS(作為對比),進行了靜態(tài)和動態(tài)特性的測試,分析了各類器件的特點,并對它們做了對比分析和總結(jié)。同時,作者評估了 SiC MOSFET導(dǎo)通電阻在高溫環(huán)境下的變化,研究了 SiC MOSFET的高溫穩(wěn)定性。特別的,在SiCMOSFET的穩(wěn)定性方面,作者針對Cree公司生產(chǎn)的第一代商業(yè)化SiCMOSFET器件,基于實測數(shù)據(jù)開展了建模仿真以及實驗驗證,推斷出了它的熱失控溫度(thermal run away),并評估了新一代SiC MOSFET的熱失控溫度,為這類器件在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了定量化的安全指標,具有極大的實用價值。其次,作者完成了對多芯片并聯(lián)SiC MOSFET模塊從設(shè)計、制造、測試到評估的流程。首先以一款4芯片并聯(lián)的SiCMOSFET為例詳細介紹了材料選型、Layout阻抗分析、內(nèi)置解耦電容計算、芯片間距與分析等模塊設(shè)計過程;然后在20kW Boost測試平臺上測試了一款6芯片并聯(lián)的SiCMOSFET模塊在不同環(huán)境溫度下(模擬車內(nèi)環(huán)境溫度)的工作性能,評估了不同環(huán)境溫度對SiC MOSFET模塊性能的影響;最后系統(tǒng)評估了不同芯片數(shù)量、不同開關(guān)頻率、不同負載、不同殼溫等條件下的模塊性能:1.采用分布式柵極阻抗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式柵極阻抗建立SiC MOSFET模型,實驗驗證了其具有更高的準確性;2.以此模型為標準檢驗了采用羅氏線圈測量電流的方式得到的開關(guān)損耗的準確度,確定了該方式得到數(shù)據(jù)并建立開關(guān)損耗擬合模型的合理性;3.接著結(jié)合上述模型與導(dǎo)通損耗擬合模型,得到整體損耗擬合數(shù)據(jù)模型;4.根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立穩(wěn)態(tài)結(jié)溫和功耗之間的模型;5.通過實測各類模塊在不同功率下的運行性能,驗證了損耗和熱穩(wěn)定數(shù)據(jù)擬合模型;6.最后根據(jù)上述兩個數(shù)據(jù)擬合模型對模塊性能進行評估和預(yù)測,同時從效率和有源區(qū)面積等角度對比了 SiC MOSFET和Si IGBT器件的性能。在本論文的最后一部分,作者針對SiC MOSFET半橋電路中高速硬開關(guān)工作存在上下管串?dāng)_的問題,分析了不同電路參數(shù)對串?dāng)_引起的柵極電壓波動的影響以及不同鉗位電路對串?dāng)_的抑制效果,研究了米勒鉗位和開關(guān)器件之間的回路電感對鉗位效果的作用。針對多芯片并聯(lián)半橋模塊的應(yīng)用,本文提出了集成模塊內(nèi)部的分布式米勒鉗位驅(qū)動布局方式,通過實驗驗證了該方式在達到抑制串?dāng)_目的的同時還能夠改善半橋功率模塊各并聯(lián)芯片的抗串?dāng)_能力一致性,由此極大的提高了功率模塊硬開關(guān)應(yīng)用中的整體抗串?dāng)_能力。通過以上研究工作,作者針對以SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件在應(yīng)用過程中碰到的難點,從理論和實踐上尋求突破,發(fā)現(xiàn)了關(guān)系到器件可靠性的熱失控溫度、建立了更接近實測的器件模型、提出了抗串?dāng)_能力更強的模塊驅(qū)動布局方式,為-寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的應(yīng)用推廣提供了切實的科學(xué)依據(jù),為我國的新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展鋪墊了可靠的理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

功率半導(dǎo)體材料。逡逑碳化硅和氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，相比于傳統(tǒng)硅材料，它們具有更優(yōu)越的物逡逑理特性。圖１．１展示了碳化硅材料、氮化鎵和硅材料的主要特性對比ｍ［２］。寬禁帶半導(dǎo)體逡逑及其生產(chǎn)的電力電子器件主要有以下幾個優(yōu)點：（１）禁帶寬度是硅的３倍左右，擊穿場逡逑強大約是硅的１０倍；（２）更高的耐壓能力和更低的導(dǎo)通壓降；（３）更快的開關(guān)速度和更逡逑低的開關(guān)損耗；（４）更高的工作頻率；（５）更高的工作溫度［３］；邋（６）碳化硅具有更高的逡逑熱導(dǎo)率。這些寬禁帶半導(dǎo)體器件的優(yōu)點，能夠全面提升電力電子裝置的應(yīng)用性能，擴展逡逑禁帶寬度逡逑（ｅＶ）逡逑５邋＇逡逑４Ｈ－ＳｉＣ邋／邋４／＼＼逡逑■Ｉ逡逑熱導(dǎo)率＼邐＼邐＇擊穿場強逡逑（Ｗ／ｃｍ■邋Ｋ）邐Ｉ邐￣￣邋（ＭＶ／ｃｍ）逡逑－逡逑電子速率逡逑電力電子裝置的應(yīng)用范圍。邐0＜１（ｙｅｍ／ｓ）逡逑圖１．１硅材料和碳化硅材料的主要性能比較逡逑寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的發(fā)展是一個比較漫長的過程。碳化硅半導(dǎo)體器件的制造逡逑起始于上世紀初，逐漸成熟于上世紀末，迅猛發(fā)展于本世紀初。第一個碳化硅器件——碳逡逑１逡逑

器件的生產(chǎn)技術(shù)水平處于領(lǐng)先位置。不同類型的碳化硅器件的結(jié)構(gòu)特點不同，所以工藝難逡逑度也不一樣，在碳化硅半導(dǎo)體電力電子器件的商業(yè)化發(fā)展過程中，商業(yè)化的碳化硅器件依逡逑據(jù)其工藝難度先后依次被椎出，圖１．２展示了邋２０００年以來，碳化硅電力電子器件的發(fā)展逡逑和商業(yè)化情況。逡逑２逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

【參考文獻】

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1 楊妙梁;;電力電子學(xué)技術(shù)在混合動力車上應(yīng)用[J];汽車與配件;2010年13期

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本文編號：2683196