本文關(guān)鍵詞：高壓IGBT功率模塊瞬態(tài)直通模型與關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：功率模塊作為功率半導(dǎo)體器件的重要分支,憑借性能優(yōu)異、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制、軌道交通、無線通信和消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來,隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,功率模塊技術(shù)也得到了實(shí)質(zhì)性提升和迅速發(fā)展,并成為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,國內(nèi)外研究者已對(duì)功率模塊進(jìn)行了深入研究,但是在功率模塊可靠性、集成化和降功耗等方面仍面臨著許多挑戰(zhàn)。本文以高壓IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)功率模塊瞬態(tài)直通模型與關(guān)鍵技術(shù)為研究課題,結(jié)合工程項(xiàng)目,根據(jù)研發(fā)過程中的主要技術(shù)難點(diǎn),重點(diǎn)研究dv/dt瞬態(tài)直通、di/dt瞬態(tài)負(fù)電壓、高集成化以及降低功耗。提出高壓IGBT dv/dt瞬態(tài)直通模型,提出功率模塊高集成和低功耗關(guān)鍵技術(shù),提出并研發(fā)三相逆變高壓IGBT功率模塊、高集成高壓IGBT功率模塊和低功耗高壓SiC(Silicon Carbide)功率模塊,其中兩種功率模塊實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.提出高壓IGBT dv/dt瞬態(tài)直通模型。針對(duì)三相逆變高壓IGBT功率模塊在系統(tǒng)運(yùn)行直通失效問題,從理論上分析IGBT柵極尖峰電壓與dv/dt、柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG、寄生電容CGC、CGE以及寄生電感LS等參數(shù)的關(guān)系并導(dǎo)出關(guān)系解析式,得到高壓IGBT dv/dt瞬態(tài)直通模型�；赿v/dt瞬態(tài)直通模型的提出與實(shí)驗(yàn)分析,研究并總結(jié)dv/dt與高壓IGBT安全工作區(qū)的關(guān)系。同時(shí),綜合考慮電路性能、可靠性、實(shí)現(xiàn)難度和成本之間的折中,對(duì)功率模塊自舉和保護(hù)等關(guān)鍵子電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。針對(duì)三相逆變高壓IGBT功率模塊驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)引起的di/dt瞬態(tài)負(fù)電壓問題,詳細(xì)分析其產(chǎn)生機(jī)理及抑制方法�；谏畈劢橘|(zhì)隔離厚膜SOI(Silicon-On-Insulator)工藝技術(shù),提出一種高可靠高壓IGBT柵極驅(qū)動(dòng)集成電路,該器件高側(cè)浮動(dòng)通道經(jīng)自舉電路能夠工作于650V高壓條件下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該器件具有較好的抗di/dt襯底噪聲能力,其di/dt瞬態(tài)負(fù)電壓承受能力可達(dá)-50V,約為傳統(tǒng)Si高壓IGBT柵極驅(qū)動(dòng)集成電路的1.5倍,因此具有更高的可靠性。而且,其僅需極低的靜態(tài)供電電流并具有200mA和300mA典型值的輸出和吸收電流驅(qū)動(dòng)能力,開通和關(guān)斷延遲時(shí)間典型值為460ns和440ns,上升和下降時(shí)間典型值為90ns和65ns。提出一種鋁基板架構(gòu)三相逆變高壓IGBT功率模塊,并在合作企業(yè)進(jìn)行了量產(chǎn),成品合格率從試制時(shí)的70%左右提升至量產(chǎn)時(shí)的98%左右。2.提出并研發(fā)兩種高集成高壓IGBT功率模塊。為進(jìn)一步提升高壓IGBT功率模塊集成度和功率密度、縮小系統(tǒng)體積、簡化電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),提出并研發(fā)兩種高集成高壓IGBT功率模塊。綜合考慮系統(tǒng)性能和復(fù)雜度,基于升壓型主電路拓?fù)浼軜?gòu),選取平均電流控制模式,提出一種具有功率逆變和功率因數(shù)校正雙功能的集成PFC(Power Factor Correction)的功率模塊。為降低集成PFC的功率模塊三相逆變電路中IGBT焊接空洞率,提出一種四角圓弧工藝技術(shù),利用該技術(shù)能夠有效改善IGBT焊接效果,與傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比,空洞率降低約10%。該集成PFC的功率模塊已在合作企業(yè)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),模塊尺寸為62mm×25.3mm×5.5mm,與具有相同功能的傳統(tǒng)方案相比體積縮小約15%。此外,提出一種基于高低壓分離架構(gòu)的數(shù)字化雙驅(qū)動(dòng)功率模塊。該功率模塊集成整流電路、PFC電路、壓縮機(jī)三相逆變電路、風(fēng)機(jī)三相逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路,從而實(shí)現(xiàn)高集成一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。該功率模塊的高壓功率電路與低壓控制電路采用分離式架構(gòu)且高壓功率電路采用半模封封裝形式,能夠有效減小干擾和提高散熱能力。模塊尺寸為115mm×77mm×6mm,與具有相同功能的傳統(tǒng)方案相比體積縮小約30%。3.提出并研發(fā)兩種低功耗高壓SiC功率模塊�；阡X基板架構(gòu),提出并研發(fā)兩種低功耗高壓SiC功率模塊,即復(fù)合SiC功率模塊和全SiC功率模塊,以解決傳統(tǒng)Si高壓IGBT功率模塊功耗難以進(jìn)一步降低問題。通過對(duì)單相二線制(1P2W)、三相三線制(3P3W)和三相四線制(3P4W)模式的研究分析,提出高壓SiC功率模塊功率測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)壓縮機(jī)在10Hz~70Hz頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),復(fù)合SiC功率模塊功率為3.5W~21.7W,全SiC功率模塊功率為2.2W~17W,與傳統(tǒng)Si高壓IGBT功率模塊相比,功率分別降低了12.5%~25.5%和32%~53%。
【關(guān)鍵詞】：功率模塊 dv/dt di/dt 高集成 低功耗
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN322.8
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 功率模塊概述12-18
• 1.1.1 功率模塊分類13-15
• 1.1.2 功率模塊現(xiàn)狀與發(fā)展15-18
• 1.2 高壓IGBT功率模塊與主要性能18-20
• 1.3 主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)20-22
• 第二章 三相逆變高壓IGBT功率模塊22-55
• 2.1 三相逆變高壓IGBT功率模塊概述22-25
• 2.2 高壓IGBT dv/dt瞬態(tài)直通模型25-35
• 2.2.1 dv/dt瞬態(tài)直通模型25-28
• 2.2.2 dv/dt瞬態(tài)直通模型實(shí)驗(yàn)與討論28-32
• 2.2.3 dv/dt與高壓IGBT安全工作區(qū)32-35
• 2.3 自舉電路與保護(hù)電路35-43
• 2.3.1 自舉電路35-37
• 2.3.2 保護(hù)電路37-43
• 2.4 di/dt瞬態(tài)負(fù)電壓43-51
• 2.4.1 di/dt瞬態(tài)負(fù)電壓產(chǎn)生機(jī)理與抑制44-47
• 2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論47-51
• 2.5 三相逆變高壓IGBT功率模塊工藝51-54
• 2.6 本章小結(jié)54-55
• 第三章 高集成高壓IGBT功率模塊55-76
• 3.1 集成PFC的功率模塊55-67
• 3.1.1 PFC控制概述55-56
• 3.1.2 功率模塊PFC主電路拓?fù)浼軜?gòu)56-58
• 3.1.3 功率模塊PFC主電路控制模式58-62
• 3.1.4 集成PFC的功率模塊架構(gòu)與工藝62-64
• 3.1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論64-67
• 3.2 數(shù)字化雙驅(qū)動(dòng)功率模塊67-75
• 3.2.1 數(shù)字化雙驅(qū)動(dòng)矢量控制67-70
• 3.2.2 數(shù)字化雙驅(qū)動(dòng)功率模塊架構(gòu)與工藝70-72
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論72-75
• 3.3 本章小結(jié)75-76
• 第四章 低功耗高壓SiC功率模塊76-100
• 4.1 SiC寬禁帶半導(dǎo)體特性76-78
• 4.1.1 SiC寬禁帶半導(dǎo)體物理參數(shù)76-77
• 4.1.2 SiC寬禁帶半導(dǎo)體品質(zhì)因數(shù)77-78
• 4.2 低功耗復(fù)合SiC功率模塊78-83
• 4.2.1 SiC SBD器件78-80
• 4.2.2 復(fù)合SiC功率模塊80-83
• 4.3 低功耗全SiC功率模塊83-87
• 4.3.1 SiC MOSFET器件83-84
• 4.3.2 全SiC功率模塊84-87
• 4.4 高壓SiC功率模塊功率測(cè)試技術(shù)87-92
• 4.4.1 單相二線制（1P2W）模式88
• 4.4.2 三相三線制（3P3W）模式88-90
• 4.4.3 三相四線制（3P4W）模式90
• 4.4.4 高壓SiC功率模塊功率測(cè)試90-92
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論92-99
• 4.5.1 復(fù)合SiC功率模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論92-96
• 4.5.2 全SiC功率模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論96-99
• 4.6 本章小結(jié)99-100
• 第五章 總結(jié)與展望100-102
• 5.1 總結(jié)100-101
• 5.2 展望101-102
• 致謝102-104
• 參考文獻(xiàn)104-113
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果113-115

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