基于模型的SiC功率MOSFET溫升估計研究
發(fā)布時間：2021-12-23 07:53
碳化硅功率MOSFET由于同時具有寬禁帶器件耐高溫、耐高壓的特性,和功率MOSFET驅動損耗小,開關時間短的優(yōu)點,可以保證良好的工作特性和較高的穩(wěn)定性,滿足汽車、電源、航空航天等系統(tǒng)對電力電子設備在能量密度、工作效率、節(jié)能環(huán)保等方面日益提高的要求,因此越來越成為研究和使用的熱點。但在較高的開關頻率下碳化硅功率MOSFET可能會產生振蕩,過壓和過流,這會造成巨大的開關損耗,導致器件溫度上升,影響器件的性能甚至造成器件失效。因此對其進行特性建模和暫態(tài)分析,進而研究其工作特性并對其進行溫升估計對保證器件和系統(tǒng)工作穩(wěn)定性均具有重要意義�；诖�,本文圍繞ST公司生產的SCT30N120型號的碳化硅功率MOSFET進行了如下工作:首先,建立SiC功率MOSFET靜態(tài)模型。對器件工作原理的理解和對器件性能的準確測量是對器件進行建模分析和溫升估計的基礎。為獲得器件靜態(tài)特性,搭建基于B1505A功率半導體測試儀的高溫測試平臺,對SCT30N120進行了測試,得到其寬溫度范圍內的輸出特性、轉移特性、通態(tài)電阻、閾值電壓、寄生電容等參數曲線,并對其進行曲線擬合建模,為后續(xù)對動態(tài)特性的精確擬合建立基礎。其次,對...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：66 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
碳化硅MOSFET的關斷過程
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-2-行進一步研究，其使用的封裝型號為HiP247型號，具體封裝外型及尺寸由數據手冊給出，如圖4-1所示。圖4-1數據手冊給出的HiP247芯片封裝外形尺寸表4-1芯片外型尺寸(mm)數值最小值典型值最大值A4.855.15A12.202.60b1.01.40b12.02.40b23.03.40c0.400.80D19.8520.15E15.4515.70e5.305.455.60L14.2014.80L13.704.30L218.50P3.553.65R4.505.50S5.305.505.70由于缺乏實驗條件，難以通過破壞結構的方法對碳化硅功率MOSFET芯片的內部結構進行測量；文獻[51]中對SCT30N120的器件結構進行了分析，通過EDX，FTIR和GC-MS分析等手段對SCT30N120的TO-247型封裝進行了評估，得到了芯片內部各部分結構組成、尺寸及材料分析結果，同時基于碳
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-4-(a)正面視角(b)背面視角(c)焊料層與芯片連接細節(jié)(d)芯片封裝內部圖4-3ANSYS中碳化硅功率MOSFET有限元模型將建立的模型經過簡化，得到熱仿真軟件可識別的類型。將其導入到Icepak中，由于開關器件開關速度很快，而散熱過程較慢，兩者的時間常數相差很多，為簡化分析和提高仿真速度，將碳化硅內部芯片設置為穩(wěn)定熱源，對碳化硅MOSFET進行網格劃分，網格劃分質量情況如圖4-4所示，可見質量情況較好。設置其平均功率為2W，得到芯片表面溫度仿真結果如圖4-5所示。圖4-4劃分的網格質量情況(a)芯片正面視角(b)芯片背面視角圖4-5自然冷卻時碳化硅MOSFET外部溫度分布情況封裝外殼管腳背板焊料NiAg芯片Al
【參考文獻】：
期刊論文
[1]分立型功率MOSFET結溫估計的非線性熱網絡模型和參數辨識方法[J]. 萬萌,應展烽,張偉. 電工技術學報. 2019(12)
[2]考慮寄生參數影響的碳化硅MOSFET開關暫態(tài)分析模型[J]. 柯俊吉,趙志斌,謝宗奎,徐鵬,崔翔. 電工技術學報. 2018(08)
[3]基于各層材料傳熱特性的晶閘管結溫計算等效電路模型[J]. 熊詩成,魯軍勇,鄭宇鋒,曾德林. 中國電機工程學報. 2018(04)
[4]基于傳熱動力學作用特征的IGBT結溫預測數學模型[J]. 劉賓禮,羅毅飛,肖飛,熊又星,賈英杰. 電工技術學報. 2017(12)
[5]IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結溫的關系[J]. 方化潮,鄭利兵,王春雷,方光榮,韓立. 電工技術學報. 2016(18)
[6]寬禁帶半導體器件研究現狀與展望[J]. 朱梓悅,秦海鴻,董耀文,嚴仰光,徐華娟. 電氣工程學報. 2016(01)
[7]雙饋風電機組變流器IGBT結溫計算與穩(wěn)態(tài)分析[J]. 李輝,秦星,薛宏濤,朱祚恒,劉盛權,李洋,林波,楊波. 電機與控制學報. 2015(08)
[8]一種用于風電變流器可靠性評估的結溫數值計算方法[J]. 杜雄,李高顯,吳軍科,孫鵬菊,周雒維. 中國電機工程學報. 2015(11)
[9]電力電子器件及其應用的現狀和發(fā)展[J]. 錢照明,張軍明,盛況. 中國電機工程學報. 2014(29)
[10]寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應用[J]. 王學梅. 中國電機工程學報. 2014(03)
博士論文
[1]SiC MOSFET開關損耗模型與新結構研究[D]. 李軒.電子科技大學 2017
碩士論文
[1]SiC MOSFET開關振蕩特性及并聯應用器件篩選的研究[D]. ABUOGO James Opondo.華北電力大學(北京) 2019
[2]考慮溫度特性的SiC MOSFET PSpice建模研究[D]. 郭浩波.北京交通大學 2019
[3]雜散電感對SiC MOSFET開關過程的影響分析及優(yōu)化研究[D]. 謝宗奎.華北電力大學(北京) 2019
[4]電動汽車變流器的電熱耦合模型及結溫改善研究[D]. 鄭浩.華南理工大學 2016
[5]風電變流器中功率半導體器件可靠性評估及其改善措施的研究[D]. 李高顯.重慶大學 2015
[6]4H-SiC浮動結功率UMOSFET的模擬研究[D]. 蔣明偉.西安電子科技大學 2014
[7]功率分立器件封裝熱阻與熱可靠性試驗數值模擬研究[D]. 楊凱龍.上海交通大學 2014
[8]電源模塊功率器件熱阻及互連結構熱疲勞研究[D]. 郭奇.華南理工大學 2013
[9]兩種新穎結構4H-SiC功率MOSFET的模擬與性能分析[D]. 李華超.西安電子科技大學 2013
[10]SiC MOS的介質層/SiC界面特性研究[D]. 多亞軍.西安電子科技大學 2013
本文編號：3548096
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數】：66 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
碳化硅MOSFET的關斷過程
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-2-行進一步研究，其使用的封裝型號為HiP247型號，具體封裝外型及尺寸由數據手冊給出，如圖4-1所示。圖4-1數據手冊給出的HiP247芯片封裝外形尺寸表4-1芯片外型尺寸(mm)數值最小值典型值最大值A4.855.15A12.202.60b1.01.40b12.02.40b23.03.40c0.400.80D19.8520.15E15.4515.70e5.305.455.60L14.2014.80L13.704.30L218.50P3.553.65R4.505.50S5.305.505.70由于缺乏實驗條件，難以通過破壞結構的方法對碳化硅功率MOSFET芯片的內部結構進行測量；文獻[51]中對SCT30N120的器件結構進行了分析，通過EDX，FTIR和GC-MS分析等手段對SCT30N120的TO-247型封裝進行了評估，得到了芯片內部各部分結構組成、尺寸及材料分析結果，同時基于碳
哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-4-(a)正面視角(b)背面視角(c)焊料層與芯片連接細節(jié)(d)芯片封裝內部圖4-3ANSYS中碳化硅功率MOSFET有限元模型將建立的模型經過簡化，得到熱仿真軟件可識別的類型。將其導入到Icepak中，由于開關器件開關速度很快，而散熱過程較慢，兩者的時間常數相差很多，為簡化分析和提高仿真速度，將碳化硅內部芯片設置為穩(wěn)定熱源，對碳化硅MOSFET進行網格劃分，網格劃分質量情況如圖4-4所示，可見質量情況較好。設置其平均功率為2W，得到芯片表面溫度仿真結果如圖4-5所示。圖4-4劃分的網格質量情況(a)芯片正面視角(b)芯片背面視角圖4-5自然冷卻時碳化硅MOSFET外部溫度分布情況封裝外殼管腳背板焊料NiAg芯片Al
【參考文獻】：
期刊論文
[1]分立型功率MOSFET結溫估計的非線性熱網絡模型和參數辨識方法[J]. 萬萌,應展烽,張偉. 電工技術學報. 2019(12)
[2]考慮寄生參數影響的碳化硅MOSFET開關暫態(tài)分析模型[J]. 柯俊吉,趙志斌,謝宗奎,徐鵬,崔翔. 電工技術學報. 2018(08)
[3]基于各層材料傳熱特性的晶閘管結溫計算等效電路模型[J]. 熊詩成,魯軍勇,鄭宇鋒,曾德林. 中國電機工程學報. 2018(04)
[4]基于傳熱動力學作用特征的IGBT結溫預測數學模型[J]. 劉賓禮,羅毅飛,肖飛,熊又星,賈英杰. 電工技術學報. 2017(12)
[5]IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結溫的關系[J]. 方化潮,鄭利兵,王春雷,方光榮,韓立. 電工技術學報. 2016(18)
[6]寬禁帶半導體器件研究現狀與展望[J]. 朱梓悅,秦海鴻,董耀文,嚴仰光,徐華娟. 電氣工程學報. 2016(01)
[7]雙饋風電機組變流器IGBT結溫計算與穩(wěn)態(tài)分析[J]. 李輝,秦星,薛宏濤,朱祚恒,劉盛權,李洋,林波,楊波. 電機與控制學報. 2015(08)
[8]一種用于風電變流器可靠性評估的結溫數值計算方法[J]. 杜雄,李高顯,吳軍科,孫鵬菊,周雒維. 中國電機工程學報. 2015(11)
[9]電力電子器件及其應用的現狀和發(fā)展[J]. 錢照明,張軍明,盛況. 中國電機工程學報. 2014(29)
[10]寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應用[J]. 王學梅. 中國電機工程學報. 2014(03)
博士論文
[1]SiC MOSFET開關損耗模型與新結構研究[D]. 李軒.電子科技大學 2017
碩士論文
[1]SiC MOSFET開關振蕩特性及并聯應用器件篩選的研究[D]. ABUOGO James Opondo.華北電力大學(北京) 2019
[2]考慮溫度特性的SiC MOSFET PSpice建模研究[D]. 郭浩波.北京交通大學 2019
[3]雜散電感對SiC MOSFET開關過程的影響分析及優(yōu)化研究[D]. 謝宗奎.華北電力大學(北京) 2019
[4]電動汽車變流器的電熱耦合模型及結溫改善研究[D]. 鄭浩.華南理工大學 2016
[5]風電變流器中功率半導體器件可靠性評估及其改善措施的研究[D]. 李高顯.重慶大學 2015
[6]4H-SiC浮動結功率UMOSFET的模擬研究[D]. 蔣明偉.西安電子科技大學 2014
[7]功率分立器件封裝熱阻與熱可靠性試驗數值模擬研究[D]. 楊凱龍.上海交通大學 2014
[8]電源模塊功率器件熱阻及互連結構熱疲勞研究[D]. 郭奇.華南理工大學 2013
[9]兩種新穎結構4H-SiC功率MOSFET的模擬與性能分析[D]. 李華超.西安電子科技大學 2013
[10]SiC MOS的介質層/SiC界面特性研究[D]. 多亞軍.西安電子科技大學 2013
本文編號：3548096
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