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高频下功率模块有机硅凝胶封装材料中电树枝生长及自愈特性

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中国电机工程学报 2024年第10期44卷 4134-4144,I0033页

作者：王健陈晨闫豪生李志辉王伟邹亮张黎李庆民新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 山东大学电气工程学院山东省济南市250061

有机硅凝胶因其良好的电、热及机械性能,被广泛应用于多能变换装备中功率模块的封装绝缘,电树枝是由于局部放电而产生的树枝状放电通道,是功率模块封装绝缘系统较为常见的失效形式。基于此,该文搭建高频正弦电压激励下有机硅凝胶中电树... 详细信息

有机硅凝胶因其良好的电、热及机械性能,被广泛应用于多能变换装备中功率模块的封装绝缘,电树枝是由于局部放电而产生的树枝状放电通道,是功率模块封装绝缘系统较为常见的失效形式。基于此,该文搭建高频正弦电压激励下有机硅凝胶中电树枝生长实验平台,开展不同频率下的电树枝生长实验,探究高频下有机硅凝胶中电树枝的起始及传播机制,分析频率对电树枝特性的影响机理;进一步开展不同温度以及组分配比下的电树枝自愈实验,研究有机硅凝胶中电树枝自愈行为及其影响机制。实验结果表明,随着频率的升高,硅凝胶中电树枝形态将更加复杂,起树电压也会随之下降,18kHz下起树电压较8kHz下降了约17%。分析认为,麦克斯韦应力是导致高频下电树枝起始的主要原因,而有机硅凝胶中电树枝的传播特性也有别于传统固体电介质。针对自愈特性,温度升高有利于电树枝的自愈,但在100℃下将会抑制自愈,分析得到温度通过影响气体状态来影响自愈的不同阶段。同时,组分配比不同也会影响硅凝胶的形态及电树枝特性。

关键词：有机硅凝胶电树枝自愈特性功率模块

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采用大芯片的高功率密度SiC功率模块设计

电源学报 2024年第3期22卷 93-99页

作者：李东润宁圃奇康玉慧范涛雷光寅史文华中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 复旦大学工程与应用技术研究院超越照明所上海200433 复旦大学宁波研究院宁波315327 清纯半导体(宁波)有限公司宁波315226

碳化硅SiC(silicon carbide)器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合... 详细信息

碳化硅SiC(silicon carbide)器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合这2种情况下模块温度进行对比研究。仿真结果表明,在相同工作条件下,采用大芯片封装设计的SiC MOSFET功率模块导通电流能力更强,温度变化更小,电气性能有所提升。

关键词：电动汽车功率密度碳化硅芯片功率模块封装

SiC功率模块引线键合参数优化与可靠性分析

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电源学报 2024年第3期22卷 190-198页

作者：李乐洲兰欣何志伟程勇山东大学能动学院济南250012 元山(济南)电子科技有限公司济南250000

在汽车电力电子器件开发技术中,功率模块正朝着小型化和高功率密度方向发展,而汽车动力装置的高频通断操作会增加键合线的疲劳失效风险。为了提高键合强度及可靠性,首先从键合原理角度出发,揭示键合参数在不同阶段的作用机理,利用单因... 详细信息

在汽车电力电子器件开发技术中,功率模块正朝着小型化和高功率密度方向发展,而汽车动力装置的高频通断操作会增加键合线的疲劳失效风险。为了提高键合强度及可靠性,首先从键合原理角度出发,揭示键合参数在不同阶段的作用机理,利用单因素实验得到各参数的优化区间;然后通过数值计算与老化实验相结合的方法系统性研究了键合线材料对键合可靠性的影响。结果显示,Cu键合线的最高温度、最大等效应力均高于Al键合线,但受材料属性影响,Cu键合线的最大塑性应变仅为Al键合线的1/2,根据功率循环实验,其寿命约为Al键合线的4倍,并且Cu线键合质量分散性大,单根键合线脱落引起监测信号阶段性跃升的现象可以成为日常工作中的失效预警信号。

关键词：功率模块键合参数寿命预测功率循环

高dV/dt方波电压下高压功率模块封装绝缘局部放电特性研究

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中国电机工程学报 2024年

作者：丁毅王亚林陈萌尹毅上海交通大学电子信息与电气工程学院电气工程系

高dV/dt方波下封装绝缘发生的局部放电是高压功率模块失效的重要原因之一，然而方波上升下降沿产生的电磁干扰和位移电流严重干扰局放的检测，且现行功率模块局放检测标准规定的正弦电压与方波下测试结果存在差异。为解决上述问题，本... 详细信息

高dV/dt方波下封装绝缘发生的局部放电是高压功率模块失效的重要原因之一，然而方波上升下降沿产生的电磁干扰和位移电流严重干扰局放的检测，且现行功率模块局放检测标准规定的正弦电压与方波下测试结果存在差异。为解决上述问题，本文提出基于下混频原理的高dV/dt方波电压下局放检测方法，探究了不同频率单极性高dV/dt方波和工频正弦电压下封装绝缘的局放特性，并对封装绝缘固—固结构建模，考虑复合绝缘的电荷弛豫，进行了动态电场分布仿真计算。结果表明，由于界面电荷弛豫造成的局部电场差异，单极性方波下，封装绝缘的局放起始电压（partial discharge inception voltage， PDIV）高于正弦电压下，且方波下PDIV随频率升高略有增加。外施电压幅值相同时，方波下局放平均幅值高于正弦电压下。随频率升高，单极性方波上升沿处局放幅值分布相近，而下降沿处局放平均幅值降低，相位呈现滞后趋势。该研究分析了高dV/dt方波下封装绝缘的局放特点及其与正弦电压下的差异，为功率模块可靠性检测和评估提供了参考。

关键词：高dV/dt方波功率模块封装绝缘局部放电电场动态仿真

车用功率模块热疲劳应力的高精度在线提取方法与实证

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中国电机工程学报 2024年

作者：项恩耀卢倚平罗皓泽杨欢王海兵阮鸥浙江大学电气工程学院威睿电动汽车技术(宁波)有限公司

随着车用功率模块的功率密度和电压等级不断提高，热可靠性问题日益突显。其中，温度应力是功率模块老化的主要因素之一。为了评估车用功率模块的热疲劳，需要获取完整的载荷历程，并采用应力循环计数方法进行损伤统计，但该方法难以在... 详细信息

随着车用功率模块的功率密度和电压等级不断提高，热可靠性问题日益突显。其中，温度应力是功率模块老化的主要因素之一。为了评估车用功率模块的热疲劳，需要获取完整的载荷历程，并采用应力循环计数方法进行损伤统计，但该方法难以在电动汽车驾驶过程中实时评估损伤信息，预测性维护存在滞后性。本文基于标准离线雨流计数法进行改进，针对不同材料以及所处不同寿命阶段，设计了可变的滤波窗宽对实时结温历程进行筛选和除噪。通过基于“三点双变程”法改进的实时雨流计数算法对有效结温极值点进行高效实时处理，即可实时得到温度应力全循环与半循环数据。通过离散标准化程序对原始热应力计数结果进行聚类存储，满足边缘计算的需要，实现低成本应力循环统计。最后基于乘用车测试了本在线算法在电动汽车实际驾驶路谱下的可行性。实验结果表明，与标准离线计数法相比，累积损伤度误差小于1%。进一步地，讨论了温度采样周期对应力计数和损伤计算的影响，表明温度采样周期为500ms可以兼顾算力与精度，支撑电动汽车的实时可靠性评估。

关键词：功率模块热机应力雨流计数法电动汽车

EconoDUAL封装、母线电压800V的1200A IGBT功率模块设计与开发

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电源学报 2024年第3期22卷 72-77页

作者：回晓双宁圃奇范涛郭新华傅金源黄珂中国科学院大学北京100049 中国科学院电工研究所北京100190 电力电子与电气驱动重点实验室(中国科学院电工研究所) 北京100190 华侨大学厦门362021 浙江芯丰科技有限公司台州317700

提高车规级功率模块的功率密度对电动汽车的性能具有重要意义,而传统功率模块内部采用的二维布局杂散电感大,限制了开关速度与母线电压,影响功率密度的提高。为此,以EconoDUAL封装的IGBT功率模块为对象,使用叠层DBC的方法进行三维布局设... 详细信息

提高车规级功率模块的功率密度对电动汽车的性能具有重要意义,而传统功率模块内部采用的二维布局杂散电感大,限制了开关速度与母线电压,影响功率密度的提高。为此,以EconoDUAL封装的IGBT功率模块为对象,使用叠层DBC的方法进行三维布局设计,开发出了1200 V/1200 A的IGBT功率模块;详细介绍了所提功率模块的布局结构,与传统二维布局方法相比,杂散电感下降了58%;同时,对功率模块进行电气性能测试,通过了母线电压800 V下脉冲电流为1200 A的双脉冲实验,证明了模块功率密度的提高。为了在提高功率密度的情况下不影响散热性能,功率模块底部使用了水冷PinFin散热器,并对其进行了散热仿真和结-水热阻的测试,结果表明,IGBT热阻为0.084 K/W,二极管热阻为0.124 K/W,与同封装下商用1200 V/900 A模块相比并无明显差异,证明了所提设计方法的正确性及有效性。

关键词：功率模块电动汽车 IGBT功率模块杂散电感热阻

高功率密度三相全桥SiC功率模块设计与开发

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华中科技大学学报(自然科学版) 2024年第7期 83-86+91页

作者：回晓双宁圃奇李东润康玉慧中国科学院大学中国科学院电工研究所

为满足快速发展的电动汽车行业对高功率密度SiC功率模块的需求，进行了1 200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块设计与开发，提出了一种基于多叠层直接键合铜单元的功率模块封装方法来并联更多的芯片．利用互感对消效应减小寄生电... 详细信息

为满足快速发展的电动汽车行业对高功率密度SiC功率模块的需求，进行了1 200 V/500 A高功率密度三相全桥SiC功率模块设计与开发，提出了一种基于多叠层直接键合铜单元的功率模块封装方法来并联更多的芯片．利用互感对消效应减小寄生电感，导电面积增加了1倍，以减小功率模块的总面积．在电磁学与热力学仿真分析的基础上，进行了实物制作与性能测试．仿真与实验结果表明：与传统的封装方法相比，该封装方法减少了34.9%的尺寸，并减少了74.8%的寄生电感，使得门极具有更高的稳定性，且当直流300 A电流时，单相最高结温为158℃．

关键词：电动汽车碳化硅芯片功率模块功率密度封装

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SiC功率模块的液冷散热设计与节能分析

中北大学学报（自然科学版） 2024年第1期45卷 98-104页

作者：巩飞郭鸿浩南京邮电大学自动化学院、人工智能学院江苏南京210023

为综合评估SiC功率模块的液冷冷板散热效果,设计了串联、并联与串并联3种冷板流道结构,从器件温升、系统能效、散热性能3个方面共计10项指标评估了冷板性能,基于ICEPAK仿真分析了液冷系统流场与温度场的稳态分布特征,从节能角度给出了... 详细信息

为综合评估SiC功率模块的液冷冷板散热效果,设计了串联、并联与串并联3种冷板流道结构,从器件温升、系统能效、散热性能3个方面共计10项指标评估了冷板性能,基于ICEPAK仿真分析了液冷系统流场与温度场的稳态分布特征,从节能角度给出了液冷散热方案的工程应用选择与优化建议。研究结果表明,冷板内部串联流道设计的温升与散热性能指标更优,但其能效表现系数仅为并联设计的1/5,散热表现的提升以增加冷板内部压力损失为代价,降低了其能效表现;3种流道设计下,冷却液流量由8.2 L/min提高至24.6 L/min,冷板的能效表现系数分别由1 275,6 407,1 425下降至53.2,258.3,60.6,故提高冷却液流量并非改善散热的首选。实际工程应用中,在器件的温升允许范围内,应优先选择冷板内部的并联流道设计与多冷板间并联的散热方案,以提高散热系统的节能性。

关键词：功率模块热设计冷板液冷节能

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一种L波段300W GaN脉冲功率模块

半导体技术 2024年第6期49卷 555-560页

作者：董四华刘英坤高永辉秦龙中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻... 详细信息

随着第三代半导体GaN器件技术的不断发展,GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在电子系统中逐步得到了广泛应用。研制了一款小型化L波段300 W GaN脉冲功率模块。研发了满足高压脉冲工作条件的GaN HEMT芯片,采用负载牵引技术进行了器件大信号阻抗参数提取,并以此为基础设计了小型化匹配网络进行阻抗变换。基于高压驱动芯片和开关器件芯片设计了小型化高压脉冲调制电路。测试结果表明,在工作频率990~1130 MHz、工作电压50 V、脉冲宽度100μs、占空比10%下,功率模块脉冲输出功率大于300 W,功率附加效率大于53%,功率增益大于38 dB。功率模块尺寸为30 mm×30 mm×8 mm。

关键词： GaN高电子迁移率晶体管(HEMT) 负载牵引技术高压脉冲调制 L波段功率模块