检索结果-南通市图书馆

作者：刘轶哲湖南大学

学位级别：硕士

碳化硅(sic)器件作为宽禁带材料器件,具有低损耗、高频率、高耐压等特点,正被越来越多地应用于电动汽车、新能源发电、工业电力等领域,sic mosfet功率模块正逐渐成为大功率应用场合的主流。受制于sic材料结构和工艺的缺陷,sic mosfet单... 详细信息

碳化硅(sic)器件作为宽禁带材料器件,具有低损耗、高频率、高耐压等特点,正被越来越多地应用于电动汽车、新能源发电、工业电力等领域,sic mosfet功率模块正逐渐成为大功率应用场合的主流。受制于sic材料结构和工艺的缺陷,sic mosfet单管电流等级远低于Si IGBT,因此sic mosfet功率模块常采用多芯片并联封装的方式来提高sic mosfet功率模块的电流等级。并联sic mosfet的电流不均衡问题会导致sic mosfet的结温分布不均衡,严重影响sic mosfet功率模块的可靠性,因此提高sic mosfet功率模块的均流性能具有重要的研究价值。本文主要研究多芯片并联sic mosfet功率模块的均流问题,旨在通过芯片筛选原则与sic mosfet功率模块的布局设计来提高sic mosfet功率模块的均流性能。论文的研究工作如下:(1)分析sic mosfet的并联均流特点,建立sic mosfet并联均流模型,提出适用于sic mosfet功率模块的筛选原则。首先,分析sic mosfet的基本运行特性,通过LTspice研究分析器件参数差异、回路寄生参数差异对并联sic mosfet瞬态均流的影响,确定影响因素中的主要因素;其次,分析sic mosfet的开通瞬态过程,建立sic mosfet并联瞬态均流的数学模型,通过数学模型计算各个影响因素对瞬态均流的影响,确定筛选sic mosfet的筛选算法与目标函数。通过筛选出跨导参数存在差异的sic mosfet并联,来抵消因为布局设计带来的寄生参数不一致导致的不均衡电流,从而优化sic mosfet功率模块的瞬态均流性能。对分立的sic mosfet进行实验,验证筛选原则的有效性。(2)通过对sic mosfet功率模块的布局进行设计与优化,提高sic mosfet功率模块的均流能力。首先,根据影响sic mosfet并联瞬态均流的寄生参数的大小关系,设计sic mosfet多芯片并联功率模块的布局设计,并进行三维建模,导入ANSYS Q3D中进行寄生电感的提取;其次,将寄生参数矩阵导入LTspice进行双脉冲电路仿真得到并联sic mosfet瞬态电流分配,并根据仿真结果不断迭代优化sic mosfet功率模块布局设计,最终设计出具有较好均流性能的sic mosfet功率模块;最后,对模块的热学性能进行设计,选择功率模块封装的衬底材料和焊料,计算功率模块的热阻,对设计出的sic mosfet功率模块进行热学仿真,对模块的热学性能进行评估。(3)通过实验来验证筛选原则与布局设计提升sic mosfet功率模块均流性能的作用。对封装出的sic mosfet功率模块进行双脉冲实验,验证布局设计的有效性。

关键词： sic mosfet功率模块多芯片并联布局设计均流特性芯片筛选

sic mosfet功率模块的结构设计与仿真

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SiC MOSFET功率模块的结构设计与仿真

作者：赵明西安理工大学

学位级别：硕士

近年来,以sic为代表的宽禁带半导体器件受到了各界的广泛关注并成为研究热点。其中,sic mosfet以其高压、高频及高温的特性成为高功率密度电力电子应用场合的首选,本文主要分析了 1200V/660Asicmosfet模块的封装结构和电路参数对模块的... 详细信息

近年来,以sic为代表的宽禁带半导体器件受到了各界的广泛关注并成为研究热点。其中,sic mosfet以其高压、高频及高温的特性成为高功率密度电力电子应用场合的首选,本文主要分析了 1200V/660Asicmosfet模块的封装结构和电路参数对模块的热力特性、寄生参数及开关特性等方面的影响,并对sic mosfet模块的结构设计提供可行的参考。首先,本文介绍了 sic mosfet模块的构成,在分析现有商用模块DBC布局的基础上,提出了一种改进的DBC布局结构,该结构不仅布局紧凑,减小了功率回路的面积,并嵌入了解耦电容,用以减小开关过程中产生的电流、电压尖峰,此外,在模块中还加入了开尔文源极结构,将功率回路和栅极回路分开以减小两者之间的耦合。其次,利用所建立的有限元封装结构模型,从DBC衬板、焊料层、基板等主要结构的厚度和材料以及芯片布局对sic mosfet模块热力特性的影响进行分析,为模块的结构优化提供参考;利用电磁仿真软件对改进的sic mosfet模块寄生参数进行提取,分析不同位置的寄生电感、电容对开关特性的影响;基于sic mosfet模块多芯片并联布局结构中出现的不均流现象进行了改进,通过改变不同支路源极键合线的长度来实现不同支路总寄生电感相等,从而达到均流的效果。最后,针对实际工况中可能出现的可靠性问题,进行了温度循环和功率循环的仿真测试,分析应力应变对焊料层和键合线的影响,同时对比了商用模块和改进后模块的应力、应变分布,为sic mosfet模块的封装结构设计提出了改进方法,对提高sic mosfet模块的质量具有参考意义和应用价值。

关键词： sic mosfet功率模块有限元封装设计散热特性寄生参数

低电感sic mosfet功率模块结构设计与优化

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低电感SiC MOSFET功率模块结构设计与优化

作者：张恒阳西安理工大学

学位级别：硕士

随着功率器件的应用要求不断提高,传统的Si基器件逐渐不再满足。sic mosfet相对于Si IGBT来说,具有开关速度更高,损耗更低等特点。传统封装结构的内部寄生电感大,导致sic mosfet在高频开关过程中引入的电压应力大,因此设计具有低寄生电... 详细信息

随着功率器件的应用要求不断提高,传统的Si基器件逐渐不再满足。sic mosfet相对于Si IGBT来说,具有开关速度更高,损耗更低等特点。传统封装结构的内部寄生电感大,导致sic mosfet在高频开关过程中引入的电压应力大,因此设计具有低寄生电感的sic mosfet功率模块封装结构对于充分发挥sic mosfet的器件优势有着重要的意义。本文围绕模块的开关过程,寄生参数,寄生参数对开关过程的影响进行深入研究,之后进一步研究了模块结构对热力特性的影响,最终设计了一款具有低寄生电感且良好散热的sic mosfet功率模块结构。首先,本文基于功率模块的开关过程提出一种sic mosfet功率模块的低电感封装结构,对占据功率模块寄生电感的主要部分键合线,功率端子通过建模,仿真以及分析,基于此对所提出的低电感封装结构进行优化并对sic mosfet功率模块的整体结构提取寄生参数,结果显示本文设计的sic mosfet功率模块换流回路寄生电感为7.13 nH。然后提取具有寄生电感的sic mosfet功率模块spice等效电路并结合所提取的寄生参数搭建双脉冲仿真,结果显示sic mosfet功率模块在关断时刻所产生的电压峰值为1.301kV,对比模块为1.3954kV,sicmosfet的过电压相对于对比模块优化了 48.3%。之后基于此进一步研究了 sic mosfet功率模块的寄生参数分布对开关过程的影响,同时探究了此种DBC的芯片布局带来的上下管换流回路寄生参数不一致的问题,并给出优化参考。最后,研究sic mosfet功率模块热特性的影响因素,利用sic mosfet功率模块的双脉冲仿真得到芯片的热损耗,基于此对sic mosfet功率模块进行有限元稳态热仿真,通过对各结构层的不同厚度,材料进行热力分析,综合考量后选取0.1mm Sinter Ag作为芯片焊料层,0.1mm 96Sn3.5AgCu作为DBC焊料层,0.5mm AIN作为陶瓷层,2mm AS-SC80H作为sic mosfet功率模块的散热基底基板,接着通过温度循环仿真验证所设计的模块封装结构在实现了低寄生电感的同时具备良好散热的可行性,对提高模块的电热性能具有参考意义。

关键词： sic mosfet功率模块功率端子 DBC版图寄生电感双脉冲仿真热性能

考虑碳化硅mosfet功率模块温度均衡的芯片筛选方法

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考虑碳化硅MOSFET功率模块温度均衡的芯片筛选方法

作者：余秋萍华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

由于开关速度快、耐压强度高、导通电阻小、耐高温等优点,碳化硅mosfet被广泛应用于更高的电压等级、功率密度和开关频率工况,需要承受更高的工作温度。碳化硅mosfet芯片在开通和关断过程中会产生功耗,损耗的能量会转化为热能,这些热能... 详细信息

由于开关速度快、耐压强度高、导通电阻小、耐高温等优点,碳化硅mosfet被广泛应用于更高的电压等级、功率密度和开关频率工况,需要承受更高的工作温度。碳化硅mosfet芯片在开通和关断过程中会产生功耗,损耗的能量会转化为热能,这些热能将导致碳化硅mosfet结温升高。碳化硅mosfet功率模块通常为多芯片并联使用,由于芯片间的散热差异及运行损耗差异,芯片结温往往不均衡,高温环境下并联芯片的热失衡问题将会影响模块整体的寿命和可靠性。因此,针对碳化硅mosfet功率模块的温度均衡问题进行研究,对提高功率模块的可靠性有着重要的意义。本文首先提出了一种基于分段拟合的碳化硅mosfet损耗计算仿真模型的优化方法,提高了芯片开关、导通损耗的仿真计算准确度。该方法将碳化硅mosfet模型中表征静态特性的核心单元模型优化为分段模型,以提高该模型表征高、低栅压下器件静态特性的准确度。同时,在模型分段处进行线性插值以保证模型函数的连续性,并基于器件漏源支路元器件参数对拟合数据进行了修正,以提高模型表征参数的提取准确度。此外,为提高器件的动态模型准确度,增加了栅漏结电容模型函数的分段点,并给出了分段点选择方法。最后,搭建了双脉冲实验平台进行优化模型的静态特性、开关损耗仿真准确度进行了验证。其次,本文在传统电压钳位电路的基础上提出了一种新型的电压钳位电路,并搭建了带有电压钳位电路的双脉冲测试平台,验证了优化模型仿真计算导通损耗的准确度。首先对该新型电压钳位电路的结构及电路的优势进行了介绍。随后,讨论了组成该新型电压钳位电路的各元器件对电路工作表现的影响,并给出了元器件的选型方法。随后,通过仿真及实验验证了该新型电压钳位电路的工作安全性、测量准确性及器件选型方法的有效性。最后,搭建了新型电压钳位电路测试平台,验证了优化模型仿真计算导通损耗的准确度。最后,提出了考虑功率模块内部结温均衡的芯片筛选方法。将功率模块内部热均衡问题分为两部分进行研究,分别是热源及热网络。针对热源问题,本文利用优化模型仿真研究了芯片阈值电压和导通电阻参数差异对并联碳化硅mosfet芯片运行总损耗不均衡度的影响规律。针对热网络问题,采用有限元方法研究了芯片位置与结温的关系。最后,提出了功率模块内部不同位置芯片的筛选原则,利用热源差异补偿芯片位置不同产生的散热差异,提高了功率模块的结温均衡程度。

关键词： sic mosfet功率模块优化模型电压钳位电路芯片筛选结温均衡

sic mosfet模块电—热耦合联合仿真平台及均流特性研究

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SiC MOSFET模块电—热耦合联合仿真平台及均流特性研究

作者：张若愚西安理工大学

学位级别：硕士

在现代电力电子系统中,sicmosfet以其低开关损耗、高开关频率以及优异的温度特性正在逐步取代Si mosfet和IGBT,成为功率器件的首选。然而,当器件运行在严重过应力等极端工况下时,其电-热行为将直接关系到整个系统的稳定性以及使用寿命,... 详细信息

在现代电力电子系统中,sicmosfet以其低开关损耗、高开关频率以及优异的温度特性正在逐步取代Si mosfet和IGBT,成为功率器件的首选。然而,当器件运行在严重过应力等极端工况下时,其电-热行为将直接关系到整个系统的稳定性以及使用寿命,对其电-热行为的预测和失效机理的研究在优化设计、提高可靠性等方面尤为重要。本文从企业应用需求出发,为预测sicmosfet模块在短路工况下的电-热行为,提出了一种电-热耦合联合仿真平台的建立方法,并基于该平台预测了短路工况下正常sic mosfet模块和两种典型老化情况下短路电流分布和结温分布情况,对多支路并联模块的均流特性及其影响因素进行了深入分析,揭示了自热效应和电热耦合效应在多物理场中的作用机理。首先,通过对模块中并联的sic mosfet和续流二极管失效模式和失效机理的深入研究,分析了过应力造成的芯片局部温度升高和随之带来的芯片间的电热耦合效应增强的内在因素,在此基础上进一步研究了模块的短路行为。其次,通过建立sic mosfet模块的结构模型,提取寄生参数,提出了一种电-热耦合联合仿真平台的建立方法,该平台将模块结构模型,短路电仿真和有限元热仿真动态结合了起来,实现了对电热耦合效应和芯片间存在的不均衡的电-热应力的预测。设计了基于MATLAB的数据通信模块,实现了电路仿真和有限元热仿真的实时数据交互。基于该平台,对一款商用模块进行了短路工况下的电-热耦合联合仿真,成功预测了正常和两种老化失效情况下的并联芯片间热分布和短路电流分布情况,对比分析了影响芯片均流特性和造成模块失效的内在因素。最后,搭建了 sic mosfet短路验证平台以验证联合仿真平台的有效性。经测量,仿真结果与实验结果的误差小于5%,验证了 sic mosfet模块均流特性电仿真结果的有效性;采用了基于电参数的结温评估方法,验证了热仿真结果的有效性。本文的研究结果对于sic mosfet模块的可靠性分析以及状态评估具有一定的参考意义。

关键词： sic mosfet功率模块电热行为短路特性有限元均流

热界面材料对功率半导体模块功率循环寿命的影响和机理分析

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热界面材料对功率半导体模块功率循环寿命的影响和机理分析

作者：蔡进豪合肥工业大学

学位级别：硕士

功率半导体器件作为电力电子系统的核心,广泛应用于直流输电、新能源发电并网、电动汽车等领域中,准确评估其可靠性对于系统长期安全可靠运行具有重要意义。功率循环试验是考核器件长期可靠性的重要手段之一。现有功率循环测试标准对测... 详细信息

功率半导体器件作为电力电子系统的核心,广泛应用于直流输电、新能源发电并网、电动汽车等领域中,准确评估其可靠性对于系统长期安全可靠运行具有重要意义。功率循环试验是考核器件长期可靠性的重要手段之一。现有功率循环测试标准对测试时器件的电热条件(平均结温、结温波动、负载电流、开通时间)作了要求,没有对散热条件作出要求。当电热条件相同时,散热条件的不同可能会导致器件功率循环寿命的不同,这会导致器件可靠性评估的偏差。本文通过采用不同种类及厚度的热界面材料来改变散热条件,以硅基绝缘栅双极型晶体管(silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistor,Si IGBT)以及碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(silicon carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,sic mosfet)两种主流功率半导体器件为对象,开展在相同电热条件、不同散热条件下的功率循环寿命研究,探索散热条件对功率循环寿命的影响机制,取得了以下研究结果:(1)提出了一种针对热界面材料热阻的分离测试方法。热界面材料热阻不同(散热条件不同)时,通过改变器件的栅极电压调节器件的功耗,同时改变器件的冷却时间可以保持器件电热条件的一致。该方法能分离散热条件与电热条件对器件寿命的影响,能应用于不同散热条件对功率模块功率循环寿命影响的研究。(2)研究了散热条件对功率半导体模块功率循环寿命的影响规律。采用了0.1mm的导热硅脂、0.1mm和0.5mm的特氟龙塑料薄膜及其组合改变散热条件,对1200V/100A的Si IGBT模块以及sic mosfet模块在相同电热条件下,取不同散热条件进行直流功率循环试验。结果表明,电热条件相同时,热界面材料热阻越大,模块功率循环寿命越长。(3)探索了散热条件对功率模块功率循环寿命的影响机制。建立了Si IGBT模块以及sic mosfet模块的热力有限元模型,得到了热界面材料对芯片表面温度分布的影响,分析了其对键合线以及芯片焊料层应力的作用机理。结果表明,电热条件相同时,热界面材料热阻的增大会降低芯片表面最高温度以及水平温度梯度,减小键合线以及芯片焊料层受到的应力,从而提高模块的功率循环寿命。本研究表明,在功率循环试验中,相同电热条件但不同散热条件会得到不同的功率循环寿命,因此开展功率循环测试必须考虑散热条件这一因素的影响。本研究可以为完善功率循环测试标准、准确评估功率器件的功率循环寿命提供参考。

关键词： Si IGBT功率模块 sic mosfet功率模块直流功率循环试验热界面材料有限元分析