發(fā)布時間：2020-08-01 19:28

【摘要】：功率模塊作為電力電子設(shè)備的核心元件,其性能將直接決定裝置的性能。相比傳統(tǒng)Si基器件,寬禁帶碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體器件具有小結(jié)電容、快的開關(guān)速度和低的損耗,可顯著提高裝置的開關(guān)頻率、提升裝置的功率密度。因此,已廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車等領(lǐng)域。但是,SiC器件的高開關(guān)速度將產(chǎn)生更高dv/dt和di/dt,在功率模塊內(nèi)部寄生參數(shù)的影響下器件將產(chǎn)生更高的電壓應(yīng)力、振蕩、EMI干擾、開關(guān)損耗和誤導(dǎo)通等挑戰(zhàn)。所以研究如何降低碳化硅功率模塊封裝寄生參數(shù)得到干凈的開關(guān)波形已成為碳化硅器件推廣及應(yīng)用的研究熱點。為了降低碳化硅功率模塊的封裝寄生參數(shù),目前功率器件的封裝結(jié)構(gòu)大致可分成三類:鍵合結(jié)構(gòu)、平板結(jié)構(gòu)和混合封裝結(jié)構(gòu)。其中鍵合結(jié)構(gòu)工藝簡單且可靠性高,但是其封裝尺寸大,寄生電感大;而平板結(jié)構(gòu)的寄生參數(shù)小、散熱性能好,但是整個工藝非常復(fù)雜、可靠性低;混合封裝結(jié)構(gòu)則結(jié)合了鍵合結(jié)構(gòu)和平板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,其寄生參數(shù)小、工藝簡單、可靠性高。因此,本文研究基于混合封裝結(jié)構(gòu)降低寄生參數(shù)的原理與方法,采用多DBC層疊優(yōu)化3D功率回路,研究極低感的新型碳化硅大電流模塊。本文首先分析了半橋電路寄生參數(shù)的分布和來源。然后,通過電磁場仿真分析了寄生參數(shù)對開關(guān)性能的影響,揭示了其對器件電壓、電流應(yīng)力和開關(guān)損耗的影響關(guān)系,結(jié)果證明減小寄生參數(shù)可降低器件的電壓、電流應(yīng)力和損耗。在第三部分,本文提出了一種降低換流回路寄生電感的設(shè)計方法,通過采用多DBC層疊的混合封裝結(jié)構(gòu),在換流回路中形成3D回路實現(xiàn)互感抵消,模塊寄生電感顯著減小。在第四部分,基于本研究所提出的多DBC層疊混合封裝結(jié)構(gòu),本文設(shè)計了一種新型的低寄生參數(shù)1200V/120A全SiC大電流功率集成模塊,寄生電感僅3.5nH,寄生電感顯著低于現(xiàn)有商用碳化硅模塊。最后,通過對模塊的靜態(tài)測試和雙脈沖測試驗證其低寄生參數(shù)的性能,結(jié)果表明:相較于商用模塊,設(shè)計的功率模塊在開關(guān)過程中電壓應(yīng)力減小66%、損耗減小55%。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN303;TM1
【圖文】：

1200V/120A 功率模塊，其寄生電感下降 42%。文獻(xiàn)[18]是 2014 年 Infineon 提出了一種低寄生電感 EasyPACK-2B 的鍵合結(jié)構(gòu)，如圖 1-4 所示。紅色箭頭表示相應(yīng)的換流路徑，其 DC+和 DC-端子分布在基板的中間并且最小化正負(fù)端子之間的距離。因為 DC+和 DC-端子的位置，換向路徑被最小化并且功率模塊內(nèi)的電流分布是完全對稱的，所以模塊的寄生電感降低至 8nH。Cree 公司在 2015 年提出的 SiC 1200V/120A CAS120M12BM2 也采用這種結(jié)構(gòu)，使得功率模塊的寄生電感達(dá)到 15 nH。圖 1-4 EasyPACK-2B 功率模塊的封裝結(jié)構(gòu)[18]圖 1-5 是 Satoshi Tanimoto 在 2015 年提出的一種新型多層 DBC 的鍵合結(jié)構(gòu)。不同與傳統(tǒng)鍵合結(jié)構(gòu)采用雙面覆銅 DBC，該結(jié)構(gòu)采用一種新型的三層 DBC。這種三層的 DBC 中間增加一銅層，使得功率回路上可形成互感抵消的回路來減小寄生電感。最后模塊的主回路寄生電感只有 4.5nH 左右。但是這種三層 DBC 的制備工藝比較復(fù)雜。雖然采用兩塊雙面覆銅的 DBC 疊加在一起也可實現(xiàn)這種三層的 DBC，但是這兩種結(jié)構(gòu)都增加了一層陶瓷層和銅層

圖 1-5 S 新型多層 DBC 的封裝結(jié)構(gòu)[19]的鍵合結(jié)構(gòu)可通過優(yōu)化換流回路的布局、縮短換流回生參數(shù)，但是由于鍵合線的存在和 2D 平面結(jié)構(gòu)的局電感。而 3 層 DBC 的結(jié)構(gòu)，固然減小了寄生參數(shù)，不是一個好選擇。

圖 1-10 基于 DBC 和 PCB 混合封裝結(jié)構(gòu)2015 年 CPES 的 Chen Zheng 博士提出了一種新型的基于 PCB 和 DBC 的混。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的 DBC 上加了一 PCB，可構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)。這種多層結(jié)構(gòu)使層的電流流向相反，以便形成互感抵消回路來減小寄生電感。同時 PCB 上的窗口來放置芯片；這種結(jié)構(gòu)使得芯片直接與 DBC 連接，保證散熱。芯片

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