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碳化硅MOSFET芯片并联电气特性及其调控方法研究

【摘要】:功率半导体器件是制造大功率电力电子装备的核心元件。传统硅材料的电子饱和漂移速度、临界电场强度、热导率和禁带宽度等物理特性极限,限制了硅基功率器件性能极限的提升,制约了电力电子装备向更高效率、更高功率密度和更高工作温度方向发展。因此,研制物理极限更高的碳化硅材料、器件和模块对实现电力电子装备性能升级具有重要意义。与硅器件相比,碳化硅器件更接近理想开关,但也面临更大的挑战。目前,商业化碳化硅MOSFET单芯片电流等级不足以满足大功率应用需求,多芯片并联封装功率模块仍然是其大功率应用的主要实现方式。然而,碳化硅MOSFET芯片电气参数分散性和模块封装寄生参数的非对称分布,使得碳化硅功率模块内部并联芯片在高速开关切换过程中承受较大的电压过冲和不均衡电流。本文针对碳化硅MOSFET多芯片并联功率模块研制的迫切需求,围绕碳化硅MOSFET芯片并联成组封装问题,系统地开展了碳化硅MOSFET芯片并联电气特性及其调控方法研究。首先,研究了碳化硅MOSFET单芯片器件的开关特性。提出了考虑寄生参数影响的器件开关特性分段分析方法,推导了关断电压过冲、开通电流过冲以及开关振荡频率与回路寄生参数的关联关系,为功率模块的功率回路寄生电感提取提供了方法;设计和建立了适用于碳化硅MOSFET单芯片器件、多个单芯片器件并联和多芯片并联功率模块开关特性评估的通用测试系统,在25℃-150℃温度范围内开展了碳化硅MOSFET单芯片器件电压、电流和开关损耗测试,实验研究了该类测试系统中影响开通和关断瞬态特性的关键寄生参数,验证了所推导的解析式;通过结合实验和仿真分析,揭示了关断振荡电压最大峰值转移现象及其起始机制。其次,研究了芯片电气参数对碳化硅MOSFET芯片并联电流分配的影响及调控。统计分析了碳化硅MOSFET芯片电气参数的分散性,揭示了不同电气参数对并联MOSFET电流分配特性的影响规律,获得了表征电流分配特性的关键参数;提出了基于转移曲线的芯片分选方法,建立了转移曲线距离系数的灵敏度分析仿真电路模型,发现了并联瞬态电流不均衡度与转移曲线距离系数呈线性正相关关系;研究了转移曲线距离系数的温敏特性,发现了转移曲线距离系数对温度灵敏度较低;开发了基于转移曲线距离系数的层次聚类算法,实现了满足电流不均衡度控制要求的芯片自动分选,建立了可开展多个单芯片器件并联测试的圆周布局实验平台,验证了分选后芯片并联电流分配更均衡。再次,研究了公共阻抗传导耦合和互感耦合对碳化硅MOSFET芯片并联电流分配的影响机制。分析了共源极连接、开尔文源极连接和混合型源极连接下并联芯片功率回路与驱动回路之间公共支路阻抗传导耦合路径,揭示了源极寄生电感对并联芯片瞬态电流分配的影响规律,推导了这三类不同源极连接方式下并联芯片电流差异与源极寄生电感的关联关系,仿真结果验证了该关联关系;研究了商业化碳化硅MOSFET多芯片并联功率模块的典型封装布局,揭示了并联芯片功率回路间的公共支路阻抗耦合效应以及并联芯片之间、并联芯片与汇流母排之间的互感耦合效应对功率模块内部并联芯片电流分配的影响机制,为优化碳化硅MOSFET多芯片并联功率模块封装布局设计提供了理论基础。最后,研究了碳化硅MOSFET多芯片并联功率模块的电气特性调控方法。提出了扁平化多分裂引出式分组封装方法,设计了基于该封装结构的1.2kV/300A碳化硅功率模块,降低了模块功率回路和驱动回路寄生电感,消除了并联芯片功率回路间的公共支路耦合效应和互感效应的不对称性;建立了模块的多端口输入输出电路模型,仿真验证了所提模块内部并联芯片的电压过冲和电流分配差异均更小;探索了碳化硅功率模块制备工艺,降低了栅极键合和端子焊接工艺的复杂度;建立了碳化硅模块开关特性测试平台,分别提取了商业化模块和所提模块的功率回路寄生电感,验证了所提模块开关性能优于商业化模块。

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