10kV/200A大功率碳化硅MOSFET混合模块设计

摘要

当前电力电子工业界针对一些中大功率应用譬如高压变频器、固态变压器等场合，一般采用硅基IGBT串联模块作为开关器件的方案。但IGBT工作频率较低，损耗较大，装置体积庞大，功率密度无法做小。而碳化硅(SiC) MOSFET作为一种新型宽禁带半导体器件，以其高温、高频和高功率密度等优点而广受好评。将SiCMOSFET应用于诸如高压变频器、固态变压器等10kV左右中高压功率场合，一定程度上可以减小损耗而减小装置体积提高功率密度。但是由于SiC MOSFET本身结构的特点以及当前器件工艺水平，目前商业化的单芯片SiC MOSFET最大容量只能达到1200V/50A。为了满足高压大功率场合的应用，需要将SiC MOSFET串并联工作。功率器件串并联最大的问题在于串联器件均压问题，包括动静态均压以及串联驱动不一致等问题;而器件并联的问题则是电流与热的不一致。
　　本文基于单一外驱动的SiC MOSFET串联方法，利用1200V/50A SiCMOSFET芯片，研制了3600V/100A子模块。在此基础上提出了将六个子模块先串后并的阻抗均衡混合连接结构，研制出具有快速开关能力的10kV/200A大功率SiCMOSFET混合模块。先由三个子模块串联构成级次模块，两个级次模块并联构建而成混合模块。该模块由三十六片1200V/50A SiC MOSFET芯片混合连接而成，并集成了驱动与均压电路。所需外部驱动信号仅为六路，通过光纤传输驱动信号，降低了外围干扰，比较容易实现驱动一致性，以减少驱动不一致所带来的均压问题。对该模块进行了动静态测试。静态阻断电压可达10kV，且电压均匀分配在各个串联器件上。在5400V/200A的动态测试条件下进行了双脉冲测试，流过该模块的电流可均匀分配于两并联次级模块，器件漏源电压均能箝位于安全范围之内，开通时间（电压90％降落至10％）为350ns，关断时间（电压10％上升至90％）为150ns。实验结果表明，该模块具有驱动方式简单方便、电压电流均衡效果良好以及开通关断快速等优点。

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摘要

图目录

第1章 绪论

1．1 半导体功率器件的发展

1．2 研究背景

1．3 选题意义及研究内容

1．3．1 选题意义

1．3．2 研究内容

第2章 一种单一外部驱动的SiC MOSFET串联方法

2．1 半导体功率器件串联方法

2．1．1 栅极驱动均压

2．1．2 负载侧均压

2．1．3 箝位均压

2．1．4 控制均压法

2．1．5 单一外部驱动器件串联电路

2．2 单一外部驱动SiC MOSFET串联方法电路原理

2．2．1 SiC MOSFET串联电路开通过程分析

2．2．2 SiC MOSFET串联电路关断过程分析

2．3 本章小结

第3章 单外部驱动SiC MOSFET串联电路设计与测试

3．1 SiC MOSFET串联电路的设计

3．2 SiC MOSFET串联电路的测试

3．2．1 双脉冲测试原理

3．2．2 双脉冲测试平台的搭建

3．3 SiC MOSFET器件的选择

3．3．1 SiC MOSFET静态特性

3．3．2 SiC MOSFET的动态特性

3．4 单外部驱动SiC MOSFET串联电路的测试

3．5 本章小结

第4章 SiC MOSFET串联模块设计与测试

4．1 电力电子功率模块的封装

4．2 SiC MOSFET串联模块的设计

4．3 SiC MOSFET串并联模块制作

4．3．1 3600V／100A SiC MOSFET功率模块

4．3．2 10kV100A SiC MOSFET功率模块

4．3．3 10kV／200A SiC MOSFET功率模块

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

发表论文及成果

致谢