功率半导体模块电、热特性分析及应用

功率半导体模块电、热特性分析及应用

功率半导体器件是电力电子变流器的核心部件,本文分析了功率半导体模块封装设计和电路参数对模块寄生电感、散热性能和开关特性的影响,对功率半导体封装设计和电路应用提出改进。本文首先总结了近年来电力电子技术新应用对功率半导体器件提出的需求,并针对本文的研究工作,归纳了功率半导体模块的关键问题及研究现状,包括功率半导体模块低寄生电感设计、模块散热设计、功率模块布局寄生电感和热模型、压接式封装以及混合功率模块的振荡问题。目前传统功率模块结构的IGBT模块仍是主流产品,本文着重分析布局设计对寄生电感和芯片热耦合的影响。目前在模块布局设计中,为评估布局寄生电感和芯片热耦合,采用有限元分析的方法,设计过程较复杂。

本文建立了简化的IGBT模块寄生电感和芯片散热评估方法,并应用于半桥和T型三电平IGBT模块布局设计。通过有限元仿真和样品测试验证了评估方法的有效性。将模块样品应用于多能源应急电源系统,验证了模块在系统中可连续稳定运行。压接式器件在大功率应用场合获得了关注,本文提出一种适用于SiCMOSFET的压接式封装方法。

SiCMOSFET压接式封装存在两点挑战:SiCMOSFET芯片可接触面积较小,因此现有的应用于压接式IGBT的压力接触方法可能不适用于SiCMOSFET;SiC MOSFET 对封装寄生电感十分敏感,压接式封装结构需适应低寄生电感的要求。本文针对以上的挑战提出了解决方案。采用弹性压针实现SiCMOSFET压力接触,并设计了适用于压接式SiCMOSFET的微通道散热器。基于所提出的封装结构分析了布局设计对寄生电感和并联芯片均流的影响。

根据上述的设计方案进行了样品研制和实验验证。为了验证压接式SiC MOSFET内部并联芯片的均流特性,探讨了一种基于PCB罗氏线圈的电流测试方法,对并联芯片均流特性进行了测试,验证了本文提出的封装结构可以实现较好的并联芯片动态均流。SiC肖特基二极管与Si IGBT组成混合功率模块,可大大减小IGBT开通损耗和二极管反向恢复损耗。但在混合模块IGBT开通时,SiC二极管的寄生电容与回路寄生电感会产生振荡,导致电磁干扰问题。

本文建立了混合模块开通过程理论模型,分析了门极驱动和寄生参数对开通振荡的影响。研究了利用阻尼电路抑制振荡的方法,通过开通过程理论模型给出

了阻尼电路参数的最佳范围,并对振荡抑制效果进行了实验验证。另外,研究了一种有源驱动抑制开通电流过冲的方法。实验验证了结合有源驱动和阻尼电路可同时抑制混合模块开通电流过冲和振荡,且不会造成过多的额外损耗。

将混合模块应用在风力发电变流器中,在不同的工作状态下,对器件损耗进行了理论计算,对变流器效率进行了实验测试。最后对本文的工作进行了总结,简述了本文的主要贡献,并对后续工作作出展望。