基于沟道状态的SiC MOSFET器件浪涌能力研究

得益于技术的进步,SiC MOSFET器件中的体二极管可靠性有极大的提升,并在部分领域和模块中取代了续流二极管。文章基于浪涌电流试验,对不同沟道状态下SiC MOSFET器件浪涌能力进行了深入研究。首先,搭建了浪涌电流试验平台,对CREE和Infineon两家公司的器件进行了浪涌电流试验;然后,测量和对比了试验前后器件的阈值电压、导通电阻、体二极管电压和漏极漏电流等特性的变化;最后,通过超声波扫描显微镜观察了器件失效前后内部结构的变化,并分析了器件的失效原因。试验结果表明,SiC MOSFET器件在浪涌电流冲击下,栅极可靠性和金属层可靠性共同决定了器件的可靠性:一方面,栅极可靠性高的器件,沟道导通有利于降低最高结温,提高浪涌电流下的可靠性;另一方面,栅极可靠性低的器件,沟道的关闭有利于保护栅极。     

3300 V全SiC MOSFET功率器件开关特性研究

为更好地发挥全SiC器件的开关速度快、损耗低等优势,研究了某款3300 V全SiC MOSFET器件的开关特性。首先,通过理论分析阐述了开关变化过程,并给出了可量化的计算方法;其次,从驱动电阻、结温、回路杂散电感等方面探寻了开关特性变化的规律;最后,在样机上进行了验证。结果表明,文章中所述优化开关特性的方法对全SiC逆变器的工程应用有一定的指导意义。     

基于SiC MOSFET的牵引逆变器在轨道交通中的应用研究

阐述了SiC器件和Si器件的开关特性和能耗对比;根据轨道交通牵引工况计算比较了SiC器件和Si器件的功率损耗;针对高开关频率应用,进行了包括温升、噪声、损耗、效率等一系列试验验证。试验结果表明,采用SiC MOSFET的牵引逆变器可以有效降低电机的谐波损耗,实现牵引系统节能降耗,并降低中低速段的电机噪声。     

4H-SiC MOSFET静态温度特性的仿真分析

SiC材料具有较大的禁带宽度、高临界电场、高载流子饱和漂移速度和高热导率等优良特性,能广泛应用在高温、高压、大功率等领域。为探究温度对4H-SiC MOSFET静态特性的影响规律,以指导高温高压环境下4H-SiC MOSFET的设计与制造,文章基于Silvaco平台对高压4H-SiC MOSFET器件进行了仿真建模,获得了其不同温度下的击穿电压、转移特性和输出特性,探究了温度对其击穿电压、阈值电压、饱和漏电流、导通电阻的影响规律。文章最终得到了300 K时击穿电压为4450 V的SiC MOSFET器件元胞结构模型,验证了其静态特性及参数受温度影响较明显,该影响规律符合SiC MOSFET的静态特性理论。     

SiC功率器件在轨道交通行业中的应用

为解决轨道交通牵引及辅助系统的轻量化等问题,宽禁带半导体器件如SiC器件的应用需求越来越大。SiC材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率快等特性,能满足在中大功率、高温、高频条件下工作的应用要求。简述了SiC器件相比传统硅基器件的突出优势及商业化和实验室研发情况,介绍了SiC功率器件在轨道交通行业中的发展现状,同时对其在未来轨道交通装备业的发展提出了建议和展望。     

基于全碳化硅器件的辅助变流器设计及试验验证

辅助变流器是导轨电车上的重要电源设备,为全车提供380 V交流电和24 V直流电源。目前辅助变流器普遍采用基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块进行设计,其体积大、开关频率低、功率密度小,无法满足当前导轨电车辅助变流器小型化、轻量化的设计需求。采用新型SiC(碳化硅)MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)功率器件代替IGBT进行系统设计,以提高系统开关频率,优化设计外围无源器件,同时利用新型箝位电路抑制了高开关频率带来的尖峰电压。通过计算及试验,验证了基于SiC设计的新型导轨电车辅助变流器在体积和性能方面的优势,对SiC MOSFET器件的应用具有积极意义。     

1200 V SiC MOSFET器件的体二极管抗浪涌能力研究

对1 200 V碳化硅金属氧化物场效应晶体管(SiC MOSFET)(包括双沟槽型栅极结构、非对称沟槽型栅极结构和平面型栅极结构)的抗浪涌能力进行了试验测试分析与评估。其中,平面型SiC MOSFET展现出了最优的抗浪涌能力,最大浪涌电流密度峰值达到了35 A/mm~2,而双沟槽型与非对称沟槽型SiC MOSFET的抗浪涌能力大致相等,分别为22 A/mm~2和25 A/mm~2。在经过最大浪涌电流后,3种SiC MOSFET器件的门极阈值电压、漏极电流和击穿电压均发生了失效,其失效原理均为热击穿而导致的三端短路。对比测试结果表明,平面型SiC MOSFET由于较少的栅氧化层缺陷而展现出良好抗浪涌电流能力,而双沟槽型SiC MOSFET由于浪涌应力下的沟道处泄漏电流导致更强的热效应,更容易在浪涌测试中发生失效。     

1700 V/1600 A SiC混合IGBT应用研究

SiC功率器件具有高频、高效率、耐高温、抗辐射等优势,介绍了目前SiC功率器件应用情况,阐述了SiC-JBS以及SiC混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V混合IGBT的驱动技术,完成了SiC混合IGBT模块功率试验研究。     

中大功率变流技术的发展

回顾了与中大功率变流技术密切相关的各类功率半导体器件发展历程，详细介绍了当前广泛应用的IGBT，IGCT，IEGT，MTO，碳化硅功率器件及其应用特点。概述了大功率变流技术的基本电路拓扑，介绍了三电平电压源变流器、级联H桥多电平变流器以及矩阵变换器等常用拓扑。并从工业调速系统、铁路牵引系统以及公路牵引系统等实际应用出发，介绍了大功率变流器的最新应用实例，包括混合动力和纯电动汽车的驱动装置等。提出了在大功率变流领域一些有望在未来10年得到提高的关键性技术和需要特别加以关注的发展趋势。     

高热流密度SiC功率模块传热优化设计研究

针对新一代高压封装SiC器件功率模块功率密度更大、芯片尺寸更小的问题,文章基于一种新型复合相变散热技术,应用数值仿真和试验测试的研究方法进行传热优化设计研究。将优化设计所得的结果与外形尺寸一致的常规型材翅片散热方案进行性能对比,对比结果表明：在功率3×630 W的工况下,新型复合相变散热器相对型材翅片散热器,在相同风速条件下,温升可减小23.9～32.5 K,降幅为39.7%～61.6%;在相同风冷系统条件下,温升降幅可达到52%,并且对于相同的散热器设计温升,单个IGBT应用功率可增大约860 W,增幅约1倍,对于大功率、高热流密度散热应用发展前景广阔。     

基于SiC MOSFET非线性电容C_(GD)的Matlab电路仿真模型

基于Matlab和Simulink,提出了一种针对非线性器件的建模方法。以CREE公司的型号为C2M0080120D的SiC MOSFET为例,对其非线性电容C_(GD)进行等效电路建模,采用曲线拟合的方法,使原本在Simulink中不易实现的功率器件的非线性电容特性得以表征,将该模型的特性与datasheet进行对比,模型精度达到97.44%,证明了该模型的准确性。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

应用于城轨车辆辅助电源的交错控制Boost变换器电路研究

随着城市轨道交通车辆装备的轻量化、高效化和智能化发展,高频 DC/DC 变换器被广泛应用于城市轨道交通车辆装备电源系统中,Boost 变换器由于结构简单、易于控制等优点,通常作为稳压器件被运用于 DC/DC 变换器前级变换电路中。针对传统 Boost 变换器存在开关功率器件电压应力高、输入电流纹波大等问题,文章介绍一种交错控制的 Boost 变换器,并分析该变换器工作原理和电路性能,推导出在占空比 0D0.5和 0.5≤D1 两种工作模态下的状态平均模型,并通过试验验证理论分析的正确性和可行性,为车辆辅助电源优化提供借鉴。     

一种应用于脉冲功率领域的IGCT

介绍一种适用于脉冲功率领域的大功率半导体器件IGCT,简述IGCT器件及其结构,IGCT器件的通流能力强、di/dt高,适于脉冲功率领域应用。进行了脉冲放电的试验并讨论了IGCT的串联应用技术。     

大功率半导体技术现状及其进展

介绍了现代硅基大功率半导体器件的历史演变和新型器件结构的研究进展,以及宽禁带半导体材料和器件的现状;阐述了国内大功率半导体器件在轨道交通、直流输电和新能源汽车等领域的研发进展和应用现状;最后讨论了大功率半导体技术面临的技术挑战和发展趋势。     

矩阵变换器技术及其应用研究

阐述了多年来对矩阵变换器技术及其应用进行研究的认识和体会,总结了在矩阵变换器调制技术、矩阵变换器系统优化设计、矩阵变换器系统建模和控制设计等方面的研究成果,10kW双级矩阵变换器系统反复试验和测试的结果表明,双级矩阵变换器的工业应用指日可待。     

一种基于神经网络优化预测模型的SiC MOSFET阻断电压确定方法

功率器件设计者常需要通过器件仿真进行器件的设计与优化,但由于仿真结果的未知性,设计者需要逐步调整相关参数,使仿真结果不断逼近目标值,这需要耗费大量的时间,而目前又没有有效的解决办法。为解决这个问题,提出了一种基于神经网络的优化预测模型,以确定SiC MOSFET的阻断电压。将测试温度、第一场限环间距、环间距变化步长、场限环个数和漂移区浓度作为自变量,代入器件仿真软件中进行仿真,从而得到VDMOSFET阻断电压(作为因变量),将其分别代入BP神经网络和RBF神经网络中进行预测,并对二者的预测误差进行对比。结果表明,使用LM算法的BP神经网络预测模型能够很好地预测VDMOSFET的正向阻断电压,可为设计者节约大量时间。     

HXD3型电力机车主牵引变流器中IGBT的故障分析及技术措施

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)集场效应管(MOSFET)和大功率晶体管(GTR)的优点十一体,因此,在变流领域中得到了广泛的应用.文中介绍了 IGBT的工作原理和其在HXD3型电力机车主牵引变流器(CI)中的应用,并分析IGBT模块的损坏机理、失效原因,给出了防止故障的技术措施.     

基于SiC开关器件的LCL并网逆变器控制策略建模分析

SiC功率器件具有高耐压、低损耗、高效率等特性,而高开关频率可以降低逆变器输出电压的低频谐波成分,从而降低并网电流的谐波成分,提高系统稳定性。以SiC MOSFET开关器件作为逆变器组成原件,以LCL滤波器作为逆变器与电网的接口,在建立系统控制模型的基础上,根据有源阻尼与无源阻尼控制方法之间的等效关系,提出并网侧电流与逆变器侧电流的双闭环控制策略,并对这种控制策略进行了稳定性分析。然后根据系统稳态误差与稳定裕度的要求,设计了系统反馈参数与PI调节器的参数。仿真和实验结果表明,这种控制方法可以有效抑制并网电流谐波,提高并网功率因数,并具有良好的鲁棒性和动态响应。     

一种燃料电池轿车用大功率DC/DC变换器

设计了一种燃料电池轿车用的大功率DC/DC变换器,利用DSP技术构建双闭环控制系统结构,通过4路Boost升压电路并联搭建了变换器主电路,由此实现了对变换器的四重移相升压控制。实验结果验证了该变换器的优点和工程应用价值。