【摘 要】
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碳化硅(Si C)器件相比硅基器件具有更高的开关速度,可以提高电力电子变换器的开关频率,从而降低系统无源器件的体积实现高功率密度。传统引线键合结构的寄生电感大,会导致Si C器件在高速开关过程中产生电压应力大、开关损耗大、误开关、震荡等问题,不利于提高Si C器件的开关频率。通过对低寄生电感封装结构的研究现状进行调研,发现混合封装结构是降低Si C功率模块寄生电感的有效手段,具有工艺简单并且可利用
【基金项目】
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降低碳化硅器件封装寄生参数关键技术研究
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碳化硅(Si C)器件相比硅基器件具有更高的开关速度,可以提高电力电子变换器的开关频率,从而降低系统无源器件的体积实现高功率密度。传统引线键合结构的寄生电感大,会导致Si C器件在高速开关过程中产生电压应力大、开关损耗大、误开关、震荡等问题,不利于提高Si C器件的开关频率。通过对低寄生电感封装结构的研究现状进行调研,发现混合封装结构是降低Si C功率模块寄生电感的有效手段,具有工艺简单并且可利用多层结构优化换流回路的特点。但现有的混合封装结构仍然存在寄生电感较大、芯片结至壳的热阻大、功率端子优化不足等问题。因此,本文将针对混合封装结构的现有问题及不足开展研究。研究封装模块内部不同位置的寄生电感对Si C器件开关过程和损耗的影响,分析多层换流回路降低寄生电感的原理,提出三种新型的低寄生电感混合封装结构。为了解决目前层叠DBC混合封装结构寄生电感大、热阻大、功率端子优化不足等问题,本文提出了一种芯片嵌入式的新型层叠DBC混合封装结构。分析了多种封装结构的换流回路,研究了功率模块端子结构对寄生电感和多芯片并联均流的影响,进而提出可以有效降低总寄生电感的层叠DBC混合封装结构。利用该封装结构,设计了低寄生电感的多芯片并联Si C功率模块,并进行了实验验证。同时,为了解决双脉冲测试中插入同轴电阻影响模块内寄生电感测量精度的问题,提出采用多级解耦的方法,该方法不仅可以提高测量精度,同时不影响模块电流的测量。为了便于集成驱动元件和主电路无源元件,本文进一步提出了一种基于DBC+PCB的混合封装结构。研究了芯片布局方式对寄生电感和PCB上集成驱动元件、主功率元件的影响,设计了具有互感抵消作用的多层换流回路。进一步分析了结构参数对寄生电感的影响,基于该封装结构设计的1200V/24A Si C功率模块的主功率回路寄生电感降低至3.38n H。提出将封装模块与主电路PCB直接集成的方法,消除功率模块与外部电路连接的端子,不仅有利于降低端子的寄生电感,还可以实现高功率密度。此外,基于双脉冲测试电路,对比测试了设计的Si C功率模块和分立Si C器件组成的功率模块,测试结果表明相比分立Si C器件,设计的功率模块具有高开关速度、低电压应力、低开关损耗的特性。为了进一步降低寄生电感,本文提出利用层间距极薄的柔性PCB构成新型的混合封装结构。基于基本的换流单元模型,对比了4种不同的混合封装结构,分析了换流单元的自感和互感,提出可同时降低功率端子和换流回路寄生电感的封装结构,实现了换流回路寄生电感小于1n H的1200V/120A Si C功率模块。此外,根据柔性PCB可弯曲的特性,设计了三维的模块结构,同时设计了高度集成化的三维功率模块,集成了散热器、风扇、驱动板、直流侧电容板。最后,通过实验验证了该封装结构的低寄生电感特性。
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