用于高功率密度应用的碳化硅功率器件

交通应用中电气化的趋势导致了高功率密度电力电子转换器的快速发展。高开关频率和高温操作是实现这一目标的两个关键因素。然而，这两项要求都挑战了硅（Si）基器件的基本极限。新兴的宽带隙碳化硅（SiC）功率器件已成为满足这些要求的有前途的解决方案。有了这些先进的器件，技术障碍现在已经转移到兼容的集成技术上，该技术可以在高功率密度转换器中充分利用器件功能。存在许多挑战，本论文探讨了一些最重要的问题。

首先，商用SiC MOSFET的高温性能在高达200摄氏度的温度下进行了广泛的评估。静态和开关特性表明，该器件在高温下具有优异的电气性能。同时，器件的栅极氧化层稳定性（SiC MOSFET通常存在的一个已知问题）也通过高温栅极偏置和栅极开关测试进行评估。从这些测试中观察到器件劣化，并得出结论，SiC MOSFET的性能和可靠性之间的设计权衡。

为了了解器件与电路寄生效应之间的相互作用，进行了实验参数研究，以研究杂散电感对MOSFET开关波形的影响。然后开发一个小信号模型来解释频域中的寄生振铃。从这个角度，可以更容易和更深入地理解振铃机制。使用该模型，直流去耦电容在抑制振铃方面的影响可以比传统的时域分析更直接地进一步解释。还得出了关于电容选择的经验法则。

然后使用分立式SiC MOSFET开发电力电子构建模块（PEBB）模块。PEBB概念将功率级与栅极驱动和保护等外围功能集成在一起，只需连接多个PEBB模块即可快速可靠地构建转换器。提出了高速栅极驱动和功率级布局设计，以实现SiC MOSFET的快速安全开关。基于PEBB平台，还比较了最先进的Si和SiC功率MOSFET在高频转换器中的器件特性、温度影响和损耗分布，从而可以得出SiC MOSFET的特殊设计考虑因素。

针对高温、高频和高功率操作，还开发了采用SiC MOSFET裸骰子的集成引线键合相臂模块。高温包装材料是根据广泛的文献调查精心挑选的。详细讨论了改进的基板布局、层压母线和嵌入式去耦电容器的设计考虑因素，并在设计阶段通过建模和仿真方法进行了验证。在制造的模块上演示了200°C、100 kHz的连续操作。通过与传统方式设计的商用SiC相臂模块的对比，还表明本工作提出的设计考虑因素允许引线键合结构中的SiC器件的开关量是其两倍。ST只有三分之一的寄生振铃。

为了进一步提高SiC功率模块的性能，开发了一种新型混合封装技术，该技术将平面模块的小寄生效应和占位面积与引线键合模块的易于制造相结合。最初的概念在带有SiC JFET的高温整流器模块上进行了演示。然后提出一种改进的结构，以进一步提高设计灵活性并简化模块制造。采用这种结构的SiC MOSFET相臂模块几乎在没有任何寄生振铃的情况下成功达到了器件的开关速度限制。

最后，提出一种新的开关环缓冲电路，通过磁耦合抑制寄生振铃，而不影响器件的导通或开关损耗。对这一概念进行了理论分析和实验验证。介绍了这种电路与电源模块的初始集成，并提出了可能的改进。

审核编辑：刘清