文章來(lái)源：華僑大學(xué)

作者：戴家慶

摘要:碳化硅作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，比傳統(tǒng)的硅基器件具有更優(yōu)越的性能。碳化硅SiC MOSFET作為一種新型寬禁帶半導(dǎo)體器件，具有導(dǎo)通電阻低，開(kāi)關(guān)損耗小的特點(diǎn)，可降低器件損耗，提升系統(tǒng)效率，更適合應(yīng)用于高頻電路。碳化硅SiC MOSFET這些優(yōu)良特性，需要通過(guò)模塊封裝以及驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，才能得到完美展現(xiàn)。為此，本文針對(duì)碳化硅SiC MOSFE的封裝技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)行研究與探索，本文完成的主要工作可以概括如下：

首先，介紹SiC MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)對(duì)影響SiC MOSFET 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，并介紹了SiC MOSFET模塊封裝所要用到的材料特性。

其次，以1200V840A SiC MOSFET模塊為例介紹了碳化硅MOSFET模塊封 裝關(guān)鍵技術(shù)。完成了適用于碳化硅芯片的DBC設(shè)計(jì)和SiC MOSFET模塊芯片布局以及模塊雜散電感的提取。并對(duì)模塊的芯片以及鍵合線的發(fā)熱情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)封裝設(shè)計(jì)出來(lái)的模塊進(jìn)行制造并完成對(duì)SiC MOSFET模塊的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試。

然后，介紹了SiC MOSFET模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程，分析了新型SiC MOSFET模塊 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)要求，對(duì)SiC MOSFE模塊的橋臂串?dāng)_問(wèn)題進(jìn)行分析，提出一種能夠抑制橋臂電路串?dāng)_問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)方案，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方案完成了驅(qū)動(dòng)電 路的硬件設(shè)計(jì)。

最后，完成了SiC MOSFET的模塊封裝以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并在驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)所測(cè) 試的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了SiC MOSFET的模塊封裝方案以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的可行性。

第1章緒論

1.1 引言

在當(dāng)代社會(huì)，半導(dǎo)體材料與器件的發(fā)展已經(jīng)成為推動(dòng)各種革命性變革和創(chuàng)新的一支強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。隨著硅材料及其流片工藝的日益成熟，硅材料器件的性能逐漸接近其理論極限，繼續(xù)進(jìn)行硅材料器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善和制造 工藝的進(jìn)步，已沒(méi)有太大的空間。與此同時(shí)，高功率密度應(yīng)用中的高開(kāi)關(guān)速度、 高工作溫度、寬禁帶、高耐壓極限等特性要求，使得硅材料器件逐漸失去優(yōu)勢(shì)。尋找性能優(yōu)異的新型半導(dǎo)體材料成為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

早在20世紀(jì)90年代后期，碳化硅和氮化鎵等寬禁帶新型半導(dǎo)體材料的發(fā)展就引起了功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的注意。研究結(jié)果表明，碳化硅器件理論工作溫度可達(dá)600℃，遠(yuǎn)超硅材料的200-250℃。此外，作為寬禁帶典型材料的碳化硅， 還具有耐壓高、載流子遷移率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)。在阻斷電壓10kV的條件下，碳化硅器件的理論工作頻率可以高達(dá)100kHz。寬禁帶材料的商業(yè)化將為 功率半導(dǎo)體領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的變革。

高性能功率器件的實(shí)現(xiàn)將不僅會(huì)節(jié)約大量能量，還可以節(jié)約化石燃料，減小環(huán)境污染。目前，Si是最常用的功率器件用半導(dǎo)體材料，在經(jīng)過(guò)了功率 MOSFET和IGBT的開(kāi)發(fā)，Si功率開(kāi)器件的性能得到了顯著提升，Si基的LSI 技術(shù)和先進(jìn)的仿真技術(shù)在近幾十年來(lái)的發(fā)展對(duì)Si功率器件產(chǎn)生了巨大的影響。然而，目前Si功率器件技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，基于該技術(shù)已經(jīng)不容易實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型突破。碳化硅是一個(gè)古老而有新興的半導(dǎo)體材料，由于其具有的優(yōu)異物理性能，它在先進(jìn)功率器件中具有巨大潛力。同樣，SiC器件也在高溫和抗輻照作業(yè)方面具有很好前景。氮化鎵也是一個(gè)很具吸引力的功率器件材料，其本征的潛力非常接近于SiC的，因?yàn)樗鼈冇兄鴰缀跸嗤慕麕挾群团R界電場(chǎng)強(qiáng)度。然而目 前，SiC的生長(zhǎng)和器件制造技術(shù)更先進(jìn)，SiC功率器件也有著更好的性能和可靠 性表現(xiàn)?；谠赟i上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的的Ga N上制造的Ga N基橫向開(kāi)關(guān)在較低電壓應(yīng)用上展現(xiàn)出一些令人滿(mǎn)意的前景。然后由于SiC具有的間接能帶結(jié)構(gòu)， 使得其本征地?fù)碛虚L(zhǎng)載流子壽命，因而SiC在高壓雙極性器件應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)。

1.2 課題研究背景及意義

為解決當(dāng)今全球面臨的能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題，各國(guó)政府均大力開(kāi)發(fā)新型綠色能源的相關(guān)技術(shù)，中高功率等級(jí)的功率器件作為電力變換、電力推動(dòng)、 自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域的主要器件，在當(dāng)下的能源變革中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作 用。由于電力傳輸?shù)囊讓?shí)現(xiàn)、低成本和低污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有新型能源的主要能 源傳輸形式主要是電力。無(wú)論是太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等新型能源方式，還是 超高壓直流輸電等新型輸電方式，或者是電動(dòng)汽車(chē)、高速鐵路、電力推進(jìn)等用 電系統(tǒng)，都是功率器件的用武之地。

能源結(jié)構(gòu)升級(jí)、環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)力的提高，使得風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、電力推進(jìn)等新型應(yīng)用對(duì)以功率器件為核心的變流器效率提出來(lái)越來(lái)越高的要求。要求工作頻率越來(lái)越高、工作溫度越來(lái)越高、而體積質(zhì)量越來(lái)越小，而碳化硅器件就成為了首選。

碳化硅SiC是目前發(fā)展最為成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅技術(shù)在新一代綠色能源互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用可以顯著提高輸運(yùn)電壓等級(jí)，降低 功耗，提高效率，減小所使用器件的數(shù)量和散熱器體積，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性等。近年來(lái)隨著智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、高速鐵路、家電產(chǎn)品、工業(yè)控制和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高壓大功率器件每年約大于五十億元的市場(chǎng)需求。但不容回避的是，一方面我們功率器件需求量巨大，另一方面都是靠國(guó)外進(jìn)口， 對(duì)于供不應(yīng)求的市場(chǎng)，國(guó)外公司不管是在價(jià)格上，還是在交貨交期上都有一定的決定權(quán)，這就給我國(guó)電力電子行業(yè)的功率器件需求上造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此 碳化硅功率模塊的發(fā)展，必將大力促進(jìn)我國(guó)智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、 新能源發(fā)電、工業(yè)控制以及節(jié)能家電產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展。國(guó)家電網(wǎng)對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的研究和需求，為SiC模塊在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。對(duì)于柔 性直流輸電系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)主要為SiC模塊串聯(lián)技術(shù)、模塊化多電平技術(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行控制保護(hù)技術(shù)。

柔性直流輸電也是屬于直流輸電技術(shù)，不同之處在于是采用電壓源換流器的方式。相比其他的輸電方式，有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檩旊娋€路都是通過(guò)地下電纜才傳輸，不會(huì)影響到地面上的環(huán)境。換流器之所以可以向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電，是由于直流電壓在換流閥的PWM控制開(kāi)關(guān)下得到交流側(cè)輸出電壓。大功率場(chǎng)合 的主要全控器件。目前單個(gè)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管耐壓有限，在高電壓大功率直 流輸電情況下，換流器的橋臂通常需要由多個(gè)MOSFET相串并聯(lián)以提高換流器容量和系統(tǒng)的電壓等級(jí)。

具有較高擊穿電壓的Si功率器件在單位面積上具有很高的導(dǎo)通電阻，它大約增加了擊穿電壓的2到2.5倍。IGBT絕緣柵雙極晶體管主要用于擊穿電壓為600V的設(shè)備中或更高。與MOSFET相比，IGBT的導(dǎo)通電阻更低區(qū)域，稱(chēng)為電導(dǎo)率調(diào)制的現(xiàn)象。這些少數(shù)載流子產(chǎn)生拖尾電流，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致很大的開(kāi)關(guān)損耗。SiC器件不需要電導(dǎo)率調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，因?yàn)樗鼈兊钠茖与娮璞裙杵骷?。MOSFET原則上不產(chǎn)生拖尾電流。結(jié)果是SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗比IGBT低得多，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，能實(shí)現(xiàn)較小的無(wú)源 設(shè)備，較小且較便宜的冷卻系統(tǒng)。與600V-900V硅MOSFET相比，SiC MOSFET的芯片面積更小，可安裝在緊湊的封裝中；恢復(fù)損耗極低體二極管的特性。

圖1.1表述了Si和SiC在不同電壓等級(jí)時(shí)如何選擇使用IGBT還是MOSFET，由于這些原因，SiC MOSFET越來(lái)越多地用于電源工業(yè)設(shè)備和高效功率調(diào)節(jié)器的逆變 器/轉(zhuǎn)換器。

1.3 課題研究發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.3.1 碳化硅模塊封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

模塊封裝是連接半導(dǎo)體器件芯片與整機(jī)的橋梁，碳化硅模塊的封裝技術(shù)無(wú)論對(duì)上游還是下游產(chǎn)業(yè)都具有巨大的影響作用，將促進(jìn)功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)于上游產(chǎn)業(yè)有半導(dǎo)體芯片業(yè)、單晶硅生產(chǎn)企業(yè)、塑封料等化工原材料， 引線框架等金屬原材料等相關(guān)行業(yè)受到影響；對(duì)于下游產(chǎn)業(yè)有智能電網(wǎng)、電動(dòng) 汽車(chē)、高速鐵路、家電產(chǎn)品、工業(yè)控制和風(fēng)力發(fā)電等相關(guān)產(chǎn)業(yè)受到影響。

從封裝形式上看，工業(yè)上廣泛使用的半橋封裝模塊，正在向新的經(jīng)濟(jì)封裝型封裝方向發(fā)展。在600V-1200V，600A以下功率段，兩單元的模塊正在被六、 七單元（PIM）模塊和裝有驅(qū)動(dòng)電路的智能（IPM）模塊所代替。

焊接式碳化硅模塊是采用焊接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碳化硅芯片并聯(lián)，完成一體化模塊式封裝，焊接式模塊是由底板、外殼、碳化硅芯片、DBC、頂蓋等組件一體化封裝而成的開(kāi)關(guān)型模塊。在模塊使用中，通過(guò)給模塊的控制電極輸入控制信 號(hào)，控制模塊的開(kāi)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)功率變換。

壓接式SiC MOSFET模塊是將碳化硅SiC芯片焊接在鉬片基板上，芯片通過(guò)彈簧結(jié)構(gòu)連接到頂部電極端子，形成一個(gè)功能單元，數(shù)個(gè)功能單元形成一個(gè)子模塊，數(shù)個(gè)子模塊組裝在一起，形成壓接式碳化硅模塊?？梢酝ㄟ^(guò)增減子模塊的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)電流電壓的設(shè)計(jì)需求。壓接式碳化硅模塊主要是壓接端子讓芯 片連接到模塊功率端子，功率端子是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，具有低電感集流銅排的 功能。壓接式碳化硅模塊里面的芯片上有金屬層，這金屬層結(jié)構(gòu)可以在模塊失 效下繼續(xù)工作，而且還具有電磁屏蔽的作用。壓接式模塊的特殊設(shè)計(jì)工藝使得壓接式碳化硅模塊可以在電力電子領(lǐng)域得到應(yīng)用。壓接式模塊內(nèi)部無(wú)需鍵合， 通過(guò)直接壓接連接。除了可以防止局部放電外，這種結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化組裝。

圖1.2（a）為壓接式模塊圖，主要由幾個(gè)子模塊組成，使它的靈活性大大增加，可以通過(guò)選擇合適數(shù)量的子模塊來(lái)達(dá)到新的電流電壓等級(jí)。壓接式模塊每個(gè)芯片都通過(guò)獨(dú)立的彈簧連接，彈簧將剛性接觸壓力傳輸給SiC MOSFET芯片，嚴(yán)格的機(jī)械誤差分布在接觸點(diǎn)可以保證非常均勻的壓力分配，使得模塊可以承擔(dān)非常高的壓力加載,同時(shí)，獨(dú)立的彈簧減震結(jié)構(gòu)可以緩解外力對(duì)芯片的影響，對(duì)芯片起到了很好的保護(hù)作用。采用壓接式封裝的碳化硅模塊，具有優(yōu)良的電氣和熱循環(huán)性能，輸出功率大，且模塊的整體重量減輕，大幅度的減少使用分立元件，節(jié)省成本，且模塊便于移動(dòng)，組裝方便，使得其應(yīng)用范圍更為廣泛。

與焊接式模塊相比較，壓接式模塊溫度不管是在溫度循環(huán)能力還是雜散電感上都得到了進(jìn)一步的提升。相比下熱阻降低了，這得益于芯片—鉬片基板—銅底 板之間的直接熱傳導(dǎo)，模塊芯片溫度的降低可以提高模塊的功率密度，使模塊更小型化。而低雜散電感，可以提高模塊的抗干擾能力，間接提高了直流母線 電壓，可以最大限度避免模塊在開(kāi)關(guān)過(guò)程出現(xiàn)過(guò)電壓的情況。從封裝工藝上看， 經(jīng)過(guò)這么多年的時(shí)間發(fā)展，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的模塊生產(chǎn)工藝水平都處在一個(gè)較高的水平上，大都采用功率芯片“真空+氣體保護(hù)”干式焊接工藝、超聲波粗鋁絲 鍵合連接技術(shù)、熱壓銅復(fù)合陶瓷基板“DCB”技術(shù)和硅凝膠密封保護(hù)技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)則采用帶有計(jì)算機(jī)分析和管理功能的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和超聲波掃描顯微成像檢測(cè)系統(tǒng)，都在公司內(nèi)部建立了可靠性實(shí)驗(yàn)室，以保證大批量、高質(zhì)量地生產(chǎn)包括碳化硅模塊在內(nèi)的各種功率半導(dǎo)體模塊。

如何充分發(fā)揮碳化硅器件的這些優(yōu)勢(shì)性能則給封裝技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)， 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開(kāi)發(fā)了一系列新的封裝結(jié)構(gòu)，用于提升模塊性 能。主要有以下幾種技術(shù)：

（1）單管翻轉(zhuǎn)貼片封裝：阿肯色大學(xué)團(tuán)隊(duì)根據(jù)BGA的封裝技術(shù)，提出了一種單管的翻轉(zhuǎn)貼片封裝，主要是將芯片背面電極通過(guò)金屬連接件翻轉(zhuǎn)到和芯片正面電極同一平面，然后在各自電極上焊上錫固定，這種方式可以不使用鍵合線和功率端子。相比TO-27封裝，該封裝的體積可以減小了14倍，而且導(dǎo)通電阻減小了24%。

（2）DBC+PCB混合封裝：CPES、華中科技大學(xué)等將DBC工藝和PCB 板相結(jié)合，在芯片上通過(guò)鍵合線的連接方式引到PCB板上，這樣可以直接在PCB層間實(shí)現(xiàn)控制換流回路，通過(guò)減小模塊電流回路大小來(lái)減小雜散電感參數(shù)。

（3）雙面散熱技術(shù)：雙面封裝工藝在模塊芯片上下表面都焊接上DBC板， 這樣芯片上下面都可以散熱，也可以使用銀燒結(jié)技術(shù)將芯片一面焊接DBC，另 一面連接鋁片。雙面封裝不僅可以改善板子邊緣場(chǎng)強(qiáng)大，還可以降低EMI,橋臂中點(diǎn)的對(duì)地寄生電容也相應(yīng)變小。目前雙面散熱技術(shù)的模塊主要應(yīng)用在新能源電動(dòng)車(chē)內(nèi)部的模塊。

（4）三維（3D）封裝技術(shù)：三維封裝技術(shù)將SiC模塊的上橋臂直接疊加在下橋臂上，SiC模塊的結(jié)構(gòu)是垂直型的，上下疊加后可以減小橋臂中點(diǎn)的連接線， 該封裝技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以將模塊寄生電感降至1nH以下。

（5）高溫封裝技術(shù)：SiC模塊由于具有在高溫下運(yùn)行的性能，在封裝工藝上也可以采取高溫封裝，例如銀燒結(jié)技術(shù)，高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì)，這是目前常用的焊錫工藝所不具備的。但是高溫封裝技術(shù)還需要陶瓷基板和金屬底板 等相應(yīng)套件也要有高溫的可靠性。

1.3.2 SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)

圖1.3所示為一個(gè)通用電能處理系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)為兩個(gè)端口間提供了一 個(gè)連接。通常情況下，功率處理器由三個(gè)基本部分構(gòu)成：與端口1相連的電子變化器、與端口2相連的電子變化器以及兩個(gè)變化器之間的儲(chǔ)能元件。變換器可能包含一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體器件和與之相伴的諸如電阻、電感、電容等無(wú)源元件。

Si技術(shù)已經(jīng)成熟并且其材料特性參數(shù)接近于其物理極限，SiC尚處于青春期并且快速成長(zhǎng)中。SiC器件開(kāi)始逐步應(yīng)用于整流電流中晶體管的鉗位二極管、 逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件。功率器件中電流增益通常較小，要使SiC MOSFET工作時(shí)漏極電流達(dá)到100A時(shí)，需要有一個(gè)相當(dāng)大的驅(qū)動(dòng)電流。如此大的驅(qū)動(dòng)電流不能用集成電路實(shí)現(xiàn)，這是一方面搭建大的驅(qū)動(dòng)電路成本高，另一方面也容易產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。SiC MOSFET 模塊需要用比較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制，其典型值15~22V，可以用集成電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路可以在SiC MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)控制它的dI/dt和dV/dt，SiC MOSFET的故障防護(hù)能力也取決于所使用的控制電路。

一個(gè)簡(jiǎn)單的SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖1.4所示。在這個(gè)電路中，SiC MOSFET開(kāi)啟的速率決定了導(dǎo)通時(shí)的dI/dt值，這個(gè)值可以由電阻Rs控制。SiC MOSFET的關(guān)斷由電阻RGS控制，這個(gè)電阻被用來(lái)釋放SiC MOSFET柵輸入電容中儲(chǔ)存的電荷。

驅(qū)動(dòng)電路主要由電源電路、隔離電路、功率放大電路、保護(hù)電路等組成。保護(hù)電路中通常有欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)電路等。常用的隔離方式是光耦隔離，但不適用于高壓和高速型的應(yīng)用場(chǎng)合。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了帶變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路，很明顯可以看到電路圖難度更大。之所以要在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路，是為了防止器件出現(xiàn)短路后可以保護(hù)器件以及整個(gè)系統(tǒng)的安全。文獻(xiàn)表明Si IGBT的短路時(shí)間可以達(dá)到10us左右， 但是SiC MOSFET的短路時(shí)間要短很多。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證要在3us內(nèi)對(duì) SiC MOSFET進(jìn)行短路保護(hù)，在設(shè)計(jì)短路保護(hù)的時(shí)候要盡量在較短的時(shí)間能起到保護(hù)作用。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)比不同電壓可以承受的短路時(shí)間發(fā)現(xiàn)電壓越高，時(shí)間越短。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)比不同廠商生產(chǎn)的模塊短路時(shí)間發(fā)現(xiàn)CREE公司的 1200V/300A模塊在800V短路測(cè)試條件下的短路時(shí)間為1.9us，但是ROHM公司的1200V/180A模塊卻可以達(dá)到7.2us。

雖然不通過(guò)廠商的SiC MOSFET短路時(shí)間不一樣，但在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的要求在盡可能短的時(shí)間能得到保護(hù)。SiC MOSFET的芯片面積通常比較小，所以單位面積通過(guò)的電流大，所以短路時(shí)間比較小。綜合所述，短路保護(hù)時(shí)間要控制在2 us之內(nèi)。短路保護(hù)方案有下列幾種：

(1)電感電流檢測(cè)：通過(guò)測(cè)試SiC MOSFET的電流Id來(lái)反映SiC MOSFET 是否處于短路狀態(tài)。電流Id的大小直接采用RC無(wú)源積分的方式，在源極串聯(lián) 電感。這種方式電路簡(jiǎn)單，而且避免了設(shè)置死區(qū)時(shí)間，不需要觀測(cè)SiC MOSFET的輸出特性。

(2)基于羅氏線圈的電流檢測(cè)和保護(hù)：同樣是檢測(cè)電流，不同是采用羅氏線圈的測(cè)量原理，跟電感電流檢測(cè)一樣不需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，但是會(huì)受到開(kāi)關(guān)頻 率的影響。同時(shí)在電路中要增加線圈以及所需的信號(hào)處理電路，在電路的設(shè)計(jì) 上會(huì)增加難度。

(3)檢測(cè)導(dǎo)通漏源極電壓Vds：目前應(yīng)用比較多的檢測(cè)手段，因?yàn)榇朔椒?最開(kāi)始是在IGBT模塊中使用，也叫去飽和檢測(cè)，把該手段移植到SiC MOSFET 上面基本是行得通的。雖然SiC MOSFET的輸出特性曲線的去飽和現(xiàn)象不那么明顯，但是在過(guò)流、短路時(shí)同樣需要較短的時(shí)間來(lái)保護(hù)，目前大量應(yīng)用在單管 和橋臂模塊。

(4)附加源極：該檢測(cè)手段只在三菱公司的FMF800DX-24A SiC MOSFET模塊出現(xiàn)過(guò)，測(cè)試原理是將電流檢測(cè)源極端子在模塊上，把驅(qū)動(dòng)上面的電路轉(zhuǎn) 嫁到模塊中的方法，實(shí)際跟檢測(cè)電流的方式一樣，但是這種方法必須要在模塊 設(shè)計(jì)前就把這部分功能加進(jìn)去，目前還是比較少見(jiàn)。

1.4論文章節(jié)安排

本文主要研究碳化硅功率器件封裝技術(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可分為碳化硅MOSFET器件的性能特性分析、碳化硅MOSFET器件的封裝技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。

內(nèi)容安排為以下幾個(gè)部分：

第一章介紹本文的研究背景和研究意義，分析了碳化硅功率器件的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，以及目前碳化硅功率器件的封裝技術(shù)，然后介紹SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。

第二章介紹了SiC MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后解釋了SiC MOSFET動(dòng)靜態(tài)電氣參數(shù)，介紹了SiC MOSFET封裝流程和封裝設(shè)計(jì)要求以及 對(duì)SiC MOSFET模塊主要材料的熱特性進(jìn)行了分析。

第三章以1200V840A SiC MOSFET模塊為例介紹了碳化硅MOSFET模塊封 裝關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)完成了DBC設(shè)計(jì)、SiC MOSFET模塊的芯片布局以及模塊雜散電感的提取方法以及對(duì)模塊上芯片以及鍵合線的發(fā)熱情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)模塊完成動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試。

第四章對(duì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。利用主動(dòng)米勒鉗位電路，抑制了橋臂串?dāng)_問(wèn)題，并給出驅(qū)動(dòng)電源的選擇、隔離方式的選擇以及驅(qū)動(dòng)芯片 的選擇等驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

第五章在封裝SiC MOSFET模塊的基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成對(duì)驅(qū)動(dòng)板的測(cè)試并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

第2章 SiC MOSFET模塊的封裝結(jié)構(gòu)

2.1 引言

隨著對(duì)高頻，大功率和高功率的需求不斷增長(zhǎng)，Si功率器件現(xiàn)在面臨材料特性限制。碳化硅（SiC）功率器件具有寬禁帶，更高的導(dǎo)熱率和更大的臨界值電場(chǎng)可使SiC器件在更高的溫度下運(yùn)行溫度，更高的電流密度和更高的阻斷 電壓。在轉(zhuǎn)換器/逆變器，模塊需要連接到散熱器，使用強(qiáng)制空氣或液體冷卻的水槽或冷板。對(duì)于良好的熱傳遞熱界面材料，如通常在它們之間涂抹導(dǎo)熱油脂。一般來(lái)說(shuō)，同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的電氣，熱力和機(jī)械功能，這些封裝要求將對(duì)功率半導(dǎo)體的運(yùn)行帶來(lái)寄生效應(yīng)，此外，它們限制了對(duì)SiC MOSFET屬性的充分利用， 進(jìn)而限制了SiC MOSSFET模塊電力電子產(chǎn)品的成本，效率和密度。這些寄生效應(yīng)可以是具有一系列技術(shù)指標(biāo)，例如熱量阻抗（電阻和電容），電阻抗（電阻和電感），熱機(jī)械性能（功率，熱循環(huán)次數(shù)和振動(dòng)強(qiáng)度）。SiC模塊封裝中的挑 戰(zhàn)來(lái)自于SiC器件的獨(dú)特特性，本章將深入分析SiC MOSFET的特性和參數(shù)。

2.2主要電參數(shù)

本節(jié)將著重介紹SiC MOSFET模塊的電氣特性，具體分析SiC MOSFET模塊的靜態(tài)特性。下面對(duì)SiC MOSFET模塊主要電參數(shù)進(jìn)行解釋說(shuō)明。

2.2.1.漏源擊穿電壓BVDS

漏源擊穿電壓BVDS定義為柵源極短路時(shí)，漏源兩極之間的最大阻斷電壓，無(wú)論是動(dòng)態(tài)電壓還是靜態(tài)電壓，工作電壓不能超過(guò)此值，否則SiC MOSFET模塊會(huì)因過(guò)壓而失效。SiC MOSFET模塊阻斷能力通常決定了它的電壓等級(jí)， 1200V的SiC MOSFET模塊，其阻斷電壓也為1200V。當(dāng)漏極被偏置至正向電 壓，SiC MOSFET模塊的漂移區(qū)承受一個(gè)很高的電壓，SiC功率器件的擊穿電壓可以高于5000V。SiC MOSFET只需要很薄的漂移區(qū)厚度就可以承受高耐壓，這利于減小器件的導(dǎo)通壓降和積累電荷。不同于Si器件，SiC器件各層次的摻雜是均勻分布的。相對(duì)于Si器件，由于具有非常高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，SiC器件的雪崩擊穿電壓要遠(yuǎn)大于Si器件，在Si器件中，載流子壽命依賴(lài)于摻雜濃度。SiC器件可以更廣泛應(yīng)用在大功率場(chǎng)合。

SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，一個(gè)主要不同是Si器件的PN結(jié)正向?qū)妷航禐?.7V，而SiC器件的PN結(jié)正向?qū)妷航翟黾拥?V。導(dǎo)通電阻還會(huì)受 溫度的變化而變化，不同于Si器件，SiC MOSFET從負(fù)溫度開(kāi)始先是負(fù)相關(guān)然后呈正相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)加以考慮。

2.2.5跨導(dǎo)

在電力電子電路應(yīng)用中，跨導(dǎo)gm是一個(gè)十分重要的參數(shù)。在漏源電壓UDS 一定時(shí)，漏極輸出電流ID的變化量和輸入電壓，即柵源電壓變化量之比稱(chēng)為跨

導(dǎo)，即：

跨導(dǎo)的作用是判定SiC MOSFET柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制能力， 也是判定SiC MOSFET放大作用的重要參數(shù)之一。

2.3 SiC MOSFET模塊封裝結(jié)構(gòu)

目前針對(duì)不同功率和電壓的需求開(kāi)發(fā)了各種各樣的設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)功率較低時(shí)，常用到的模塊主要是功率模塊和智能功率模塊，也有部分分立器件。功率模塊就是在分立半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上發(fā)展，然而在大功率，散熱更好，對(duì)可靠性要求較高時(shí)，需要一種新的封裝方法，即功率模塊，也稱(chēng)為“磚”。通常是 把一個(gè)或多個(gè)電力電子器件封裝在一起。電力電子器件生產(chǎn)出來(lái)，其內(nèi)部就存在機(jī)械、電氣和熱之間的互相作用，這意味著電力電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是表 面看起來(lái)那么簡(jiǎn)單，而且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)特性和可靠性是非常重 要的。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功率器件的模塊封裝結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，對(duì)SiC MOSFET模塊來(lái)講，從基板開(kāi)始向上，基板焊層、DBC襯底、芯片焊層、芯片、鍵合線、輔助接線端子、硅膠、塑料外殼等構(gòu)成一個(gè)模塊。功率模塊的電氣性能、熱條件決定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而設(shè)計(jì)的核心是SiC MOSFET芯片，這也是電流變換和阻斷電壓的關(guān)鍵。采用功率模塊一方面可以延長(zhǎng)使用壽命，這是由于硅膠保護(hù)芯片不 被外部環(huán)境污染；另一方面增加了散熱功能，基板直接安裝在散熱器上，可以 大幅度提升散熱能力。模塊的封裝技術(shù)因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、互換性好等優(yōu)點(diǎn)在電力電子行業(yè)受到重視。SiC功率模塊擁有的先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用在搭建的系統(tǒng)或使用中都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

SiC MOSFET模塊封裝具體流程及封裝要求如下：

（1）選用高性能的SiC MOSFET芯片。芯片具有通態(tài)電壓低，功率損耗小，開(kāi)通和關(guān)斷速度快，工作頻率高等特點(diǎn)。

（2）通過(guò)理論計(jì)算和電路分析，研究SiC MOSFET芯片之間的電參數(shù)匹配 關(guān)系，使SiC MOSFE模塊工作于最佳效率。

（3）根據(jù)產(chǎn)品的電流電壓容量的要求，設(shè)計(jì)確定合適的DBC基板材料和 圖案設(shè)計(jì)。DBC基板的陶瓷材料分為Al2O3、AlN、Be O三種材料，因?yàn)樗麄兊膮?shù)特性不同，電流電壓容量不同，決定了DBC基板陶瓷材料的選用不同；模塊的電壓容量不同，DBC圖形的設(shè)計(jì)也不完全相同，這就需要根據(jù)模塊的電壓，設(shè)計(jì)適合的圖形，滿(mǎn)足模塊絕緣要求。

（4）SiC MOSFET模塊焊接封裝制造工藝包括有：芯片焊接無(wú)空洞焊接工 藝、DBC板焊接的無(wú)空洞焊接工藝、鋁線鍵合技術(shù)、點(diǎn)膠技術(shù)、硅凝膠灌封工 藝等。這些工藝技術(shù)是開(kāi)發(fā)焊接式SiC MOSFET模塊封裝工藝平臺(tái)的基礎(chǔ)，與 通用工藝相比有其特殊性。SiC MOSFET模塊的焊接要求焊接空洞率低，鋁線鍵合的失效率低，耐熱疲勞循環(huán)次數(shù)高，灌封膠體填充致密，絕緣強(qiáng)度高。

（5）焊接式SiC MOSFET模塊封裝工藝的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于模塊功率與散熱的優(yōu)化。由于SiC MOSFET模塊為功率模塊，該模塊的電氣特性和使用環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在使用中的功率損耗轉(zhuǎn)化成熱能集聚在模塊內(nèi)部，通過(guò)制造工 藝的優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量，選用高性能的底板材質(zhì)，降低模塊的熱阻率，實(shí)現(xiàn)模塊功率與散熱的優(yōu)化，保證模塊的高質(zhì)量、高可靠性。

（6）焊接式SiC MOSFET模塊是將兩個(gè)或多個(gè)SiC MOSFET芯片依照特定的工藝將他們封裝在一起，實(shí)現(xiàn)特定的電氣功能。如何將多個(gè)芯片形成串并聯(lián) 形式，保證封裝模塊產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，這之間存在矛盾。通過(guò)特定的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理的芯片布局，以及能夠前后兼容的封裝工藝，保證芯片的串并聯(lián)形式合 理，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

（7）對(duì)SiC MOSFET模塊的技術(shù)參數(shù)要求和檢測(cè)要求，特別是焊接溫度、鍵合鋁線的鍵合力的大小和焊接空洞率的參數(shù)范圍。焊接溫度過(guò)高，容易造成 焊接焊料的氧化和老化，造成功率損耗大；焊接溫度過(guò)低，容易造成焊接虛焊， 焊接空洞率大，無(wú)法滿(mǎn)足通流和散熱要求。

（8）在SiC MOSFET模塊灌封中，灌封材料自膨脹系數(shù)的相互兼容問(wèn)題。模塊的灌封因?yàn)樵O(shè)計(jì)不同，要求模塊灌封既有環(huán)氧灌封，也有硅凝膠的灌封， 若不處理好灌封膠體的膨脹系數(shù)配合，就會(huì)可能因?yàn)樵谀K內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)力作 用造成模塊的失效。

（9）SiC MOSFET模塊的外殼設(shè)計(jì)，高壓模塊因?yàn)殡妷狠^高，電流較大。如果模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)模塊的絕緣要求，容易出現(xiàn)模塊外表面 的電壓擊穿放電，采用褶皺裙邊設(shè)計(jì)，可增大模塊的爬電距離，提升模塊的絕緣水平。

2.4 SiC MOSFET模塊封裝主要材料

目前國(guó)內(nèi)外的SiC MOSFET模塊封裝相關(guān)的專(zhuān)利中所采用的封裝材料主要涉及模塊外殼、DBC基板、密封膠、引線鍵合絲線以及焊接等。其中國(guó)內(nèi)的專(zhuān)利封裝材料有相當(dāng)數(shù)量是高校提出的屬于研究性質(zhì)的新型材料，而國(guó)外的專(zhuān)利則主要是富士電機(jī)、東芝、日立、三菱、ABB等大型企業(yè)所提出，因此更具實(shí)用性。模塊外殼普遍采用樹(shù)脂（主要是環(huán)氧樹(shù)脂），也有提出采用金屬陶瓷外殼方案的專(zhuān)利；DBC基板大多采用氧化鋁或氮化鋁，也有較多以二者為基本成分的其它復(fù)合材料；密封膠采用硅凝膠和硅酮膠等；引線鍵合絲線普遍采用鋁 絲，也有利用其它材料采用壓接方式連接的；焊料則一般采用錫，以錫、鉛為基本成分的其它復(fù)合材料的焊料也較多。目前國(guó)內(nèi)SiC MOSFET材料方面，絕大部分依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。

SiC MOSFET模塊所涉及的主要材料可分為以下幾種類(lèi)型：導(dǎo)體、絕緣體、 半導(dǎo)體、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。SiC MOSFET模塊的電、熱、機(jī)械等性能與材料本身的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度等密切相關(guān)。材料的選型非常重要。下面首先對(duì)模塊主要材料的熱特性進(jìn)行分析。

DBC的主要作用是作為芯片的載體，同時(shí)還具有高絕緣強(qiáng)度和高散熱能力。DBC的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于三明治，一般是上下兩層覆銅，而中間層是高絕緣強(qiáng)度和高 導(dǎo)熱性的陶瓷襯底。襯底的材料主要有Al2O3、Be O、AlN和SI3N4等。對(duì)中低 壓模塊，一般DBC的陶瓷材料選擇氧化鋁（Al2O3），其絕緣性和導(dǎo)熱性均能滿(mǎn) 足需要，且價(jià)格相對(duì)便宜。而對(duì)高壓大功率SiC MOSFET模塊，一般選擇氮化 鋁（AlN），其導(dǎo)熱性更好。

在以焊接作為固定方式的SiC MOSFET模塊中，考慮到重復(fù)可焊性和導(dǎo)電導(dǎo)熱等要求，一般選擇鋁線作為鍵合。在大功率SiC MOSFET模塊中，鍵合承載電流較大，對(duì)散熱和機(jī)械強(qiáng)度均有更高要求，一般選擇鋁帶作為鍵合。鋁帶鍵合技術(shù)用于大功率SiC MOSFET模塊封裝，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高模塊的抗 電流沖擊能力；（2）降低引線電感，降低EMC；（3）提高模塊的熱疲勞能力；（4）同等負(fù)載電流下，比鋁線鍵合降低芯片溫度；（5）提高模塊抗振動(dòng)能力。

采用鋁帶有兩種方式：連續(xù)鍵合和層疊鍵合。

散熱底板的主要是作為SiC MOSFET模塊的散熱通道，同時(shí)兼有機(jī)械固定 的作用。目前，SiC MOSFET模塊所使用的散熱底板主要材料有：銅、鉬、鋁、 疊層銅、碳化硅復(fù)合金屬模板、石墨增強(qiáng)纖維鋁銅合金和碳化硅鋁（AlSiC）等。

后者的導(dǎo)熱性比前者要強(qiáng)，但價(jià)格貴?？紤]到成本和經(jīng)濟(jì)效益，在中低壓模塊中，一般選擇銅底板，而在高壓大功率SiC MOSFET模塊，一般選擇碳化硅鋁底板。

鍵合和主電極端子的焊接均需使用焊料。目前常用各種焊料的特性如表2.1。

其中熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)是關(guān)鍵指標(biāo)，從上表可知，環(huán)氧樹(shù)脂和納米銀是較好的

選擇。為符合歐洲RoHS標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在焊料一般都選擇非鉛基的。對(duì)高壓大功率 SiC MOSFET模塊，由于其功耗大，應(yīng)使用高熔點(diǎn)的焊料。

SiC MOSFET模塊的鍵合和DBC上的銅線跡在承載電流時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果暴

露在空氣中，則很容易氧化。目前通行的做法是灌膠。材料選擇為高介電常數(shù) 的彈性硅凝膠或者是高溫指標(biāo)極好的環(huán)氧樹(shù)脂，密封性能和絕緣性能都滿(mǎn)足要求。

功率端子是模塊電能轉(zhuǎn)化的接口。一般有兩種形成方法：一種是通過(guò)銅基或鎳基的金屬端子直接焊接到DBC的金屬氧化層，另一種是對(duì)DBC的金屬氧化層進(jìn)行外延和折彎形成。

SiC MOSFET模塊的外殼材料是塑料，主要作用是保護(hù)內(nèi)部芯片，同時(shí)起到支撐和絕緣的作用。對(duì)外殼的要求是及耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度高。對(duì)低壓模塊，常用的材料PBT、環(huán)氧樹(shù)脂和金屬陶瓷等；對(duì)中高壓SiC MOSFET模 塊，一般選擇ABS材料，該材料的絕緣性能、導(dǎo)熱性能好，化學(xué)性能穩(wěn)定，且具有金屬質(zhì)感。

2.5本章小結(jié)

本章介紹了SiC MOSFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后分析了SiC MOSFET模塊的動(dòng)靜態(tài)電氣參數(shù)，介紹了SiC MOSFET封裝流程和封裝設(shè)計(jì)要 求以及對(duì)SiC MOSFET模塊主要材料的熱特性進(jìn)行了分析，為后文中SiC MOSFET的仿真建模和實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

第3章碳化硅MOSFET模塊封裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1引言

碳化硅器件的優(yōu)良特性，需要通過(guò)封裝與電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率和信號(hào)的高效、高可靠性連接，才能得到完美的展現(xiàn)。SiC MOSFET模塊設(shè)計(jì)是一個(gè)基于多物理 耦合場(chǎng)的設(shè)計(jì)綜合問(wèn)題，分別從熱、機(jī)和電等角度解決了模塊分析問(wèn)題，是SiC MOSFET模塊設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。以1200V840A SiC MOSFET模塊封裝為例進(jìn)行分析，本課題選用的是美國(guó)CREE公司的SiC MOSFET芯片，型號(hào)為 CMP3-1200-0013A。單個(gè)芯片規(guī)格為1200V140A，芯片外形及電路圖如圖3.1。

該芯片具有高阻斷電壓，低導(dǎo)通電阻，耐閂鎖，具有低反向恢復(fù)的快速本征二極管，易于并行且易于驅(qū)動(dòng)以及能優(yōu)化模塊的柵極電阻等特性。

圖3.1芯片外形圖與電路圖 芯片的一致性對(duì)提升SiC MOSFET模塊的整體性能非常重要。為預(yù)防一致性問(wèn)題導(dǎo)致模塊的整體性能降級(jí)，在封裝之前需要對(duì)芯片進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試。

3.2 DBC設(shè)計(jì)

DBC(直接覆銅)電路的設(shè)計(jì)是模塊設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。DBC襯底包括絕緣陶瓷及其附著的。絕緣襯底是作為功率模塊機(jī)械支撐的結(jié)構(gòu)，需要能夠耐受不同 的工作環(huán)境。絕緣襯底作為芯片的底座，同時(shí)在絕緣襯底上沉積導(dǎo)電材料、絕緣材料和阻性材料的表面，還能形成無(wú)源電路元器件。DBC主要具有的功能是將芯片上的電極通過(guò)DBC引出來(lái)，DBC上面的銅層再將電流傳輸出去，同時(shí)兼 具芯片的散熱。DBC襯底材料的電氣特性要具有高體電阻率、高介電強(qiáng)度、低介電常數(shù)。在熱特性上，要有高熱導(dǎo)率，與功率半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)匹配；高耐溫，能承受直接覆銅工藝的高溫。

Al2O3是絕緣襯底最常用的材料，生產(chǎn)工藝也是最成熟的。雖然導(dǎo)熱系數(shù)只有30 W/(m?K)，但是在中低功率器件上還是能滿(mǎn)足應(yīng)用要求，故選取Al2O3 為襯底材料。從表3.1常用封裝材料的熱導(dǎo)率中，可以看出AlN熱導(dǎo)率高，約為 Al2O3的6倍，與碳化硅的熱膨脹系數(shù)匹配好；但AlN是一種新材料，與Al2O3 相比工藝不成熟，而且價(jià)格是Al2O3的4倍，抗堿性腐蝕弱，一般需要特殊的清 理劑，AlN將會(huì)是大功率半導(dǎo)體器件的理想襯底之一。BeO具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率， 是Al2O3的8倍，工藝相對(duì)成熟，并且熱血特性、電氣特性等都符合要求；但是 Be O無(wú)論是固態(tài)粉末還是氣態(tài)都是有毒性，這些材料在再處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)境污染。

底板的選擇是為絕緣襯底做機(jī)械支撐，底板首先要有一定的形變能力，其次要能與絕緣襯底材料相匹配的性能，包括熱特性、機(jī)械特性與化學(xué)特性等。

目前電力電子產(chǎn)業(yè)中大量使用銅底板，這就要考慮到材料的CTE性能，即材料的熱膨脹系數(shù)，表3.2寫(xiě)出來(lái)常用封裝材料的熱膨脹系數(shù)。鋁碳化硅作為一種新復(fù)合材料，能與許多絕緣襯底材料的CTE相近，也是很適用的底板材料選擇。

鋁碳化硅底板需要預(yù)彎形成向上的弧形，主要是為了與散熱器更平合地接觸， 弧形的一面朝向熱沉。

模塊封裝中的材料都具有一定的臨界受熱應(yīng)力點(diǎn)，超過(guò)這一數(shù)值，就會(huì)出現(xiàn)斷裂失效的危險(xiǎn)。SiC MOSFET模塊的襯底尺寸主要由SiC MOSFET芯片的 面積決定，絕緣襯底常規(guī)厚度在0.03mm，翹曲率在3mil/in，陶瓷材料用作絕緣 襯底采用直接覆銅技術(shù)。上表面銅層絕緣圖案間的最小耐壓為1500V/min，上、下銅層間最下耐壓為2500V/min，上、下銅層厚度比為1左右。金屬層邊緣可以 采用臺(tái)階狀可以有效減小應(yīng)力，臺(tái)階高度應(yīng)為銅層的一半。表3.3為常見(jiàn)功率模塊內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)的厚度。

經(jīng)過(guò)對(duì)比材料特性及模塊電氣性能需求，本文的模塊采用鋁碳化硅基板，

DBC材料選用銅－氧化鋁－銅的組合，各層厚度依次為0.3，0.38,0.3,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì) 出來(lái)的DBC如圖3.2所示。

3.3芯片布局與雜散參數(shù)提取 3.3.1芯片布局

由于單SiC MOSFET芯片的通流能力為140A，要想達(dá)到840A大功率SiC MOSFE模塊需要采取多個(gè)芯片并聯(lián)的方式來(lái)提高其通流能力。芯片的布局和互聯(lián)設(shè)計(jì)不僅嚴(yán)重影響到芯片的散熱、均流和EMC性能，而且嚴(yán)重影響到整個(gè)模塊的可靠性和使用壽命。對(duì)SiC MOSFET模塊進(jìn)行多芯片布局時(shí)，需達(dá)到的目標(biāo)是：

1)各并聯(lián)芯片良好的均流能力；

2）各芯片良好的散熱能力；

3）各芯片 良好的抗EMI能力。

圖3.3所示為設(shè)計(jì)的SiC MOSFET模塊的電路拓?fù)鋱D，該模塊是一個(gè)三相全橋的電路拓?fù)洹Ｔ撃K主要是針對(duì)混合電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力優(yōu)化的六橋臂模塊，信號(hào)端子采用的壓配銷(xiāo)可以避免額外的焊接工藝時(shí)耗，可節(jié)省成本系統(tǒng)，并提高系統(tǒng)可靠性。圖3.4所示為SiC MOSFET模塊的封裝圖，三相橋臂并在一起的尺 寸為長(zhǎng)152mm，寬92mm，極大的減小了模塊尺寸，更小型化。

SiC MOSFET芯片并聯(lián)時(shí)的電流分配不均衡主要有兩種：靜態(tài)電流不均衡和動(dòng)態(tài)電流不均衡。靜態(tài)電流不均衡主要由器件的飽和壓降VSD不一致所引起。靜態(tài)電流不均衡可以通過(guò)導(dǎo)通電阻自均流，但是SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻對(duì)溫度不太敏感，自均流效果不明顯。而動(dòng)態(tài)電流不均衡則是由于器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間不同步引起的。動(dòng)態(tài)電流不均衡無(wú)法通過(guò)器件自身均流，由于負(fù)溫度系數(shù)的閾 值電壓，會(huì)形成溫度正反饋，嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致熱失穩(wěn)。

不均衡電流的主 要原因如下：

1）模塊參數(shù)不一致，主要影響因素：閾值電壓，跨導(dǎo)參數(shù)。閾值電壓差異越大，不平衡電流越大；跨導(dǎo)系數(shù)越大，不平衡電流越大，動(dòng)態(tài)不平衡電流，集中在<10MHz區(qū)域。

2）電路布局不對(duì)稱(chēng)，主要影響因素：漏極寄生電感，源極寄生電感。寄生 電感差異越大，不平衡電流越大，開(kāi)關(guān)速度越快；上升時(shí)間tr越小，不平衡電流 越大。圖3.5是漏極寄生電感、源極寄生電感不等引起不平衡電流的等效電路圖。

3）模塊結(jié)溫不相等，主要影響因素：模塊不平衡的散熱條件，結(jié)溫差異越大，不平衡電流越大；閾值電壓越小，不平衡電流越大。

要使模塊均流的方法可以串聯(lián)電阻，但是只對(duì)靜態(tài)電流不平衡有效，因?yàn)?負(fù)荷電流越大，動(dòng)態(tài)不平衡電流越大。驅(qū)動(dòng)電阻越小，開(kāi)關(guān)速度越快，動(dòng)態(tài)不平衡電流越大。除此之外還可以采用耦合電感，因?yàn)槠渚哂泻芎玫膭?dòng)/靜態(tài)電流均衡能力。

1200V840A的SiC MOSFET模塊由6個(gè)140A芯片并聯(lián)而得。芯片布局如圖3.6，六顆SiC MOSFET芯片并聯(lián)，上下橋臂對(duì)稱(chēng)布局。圖3.7為電流環(huán)路示意圖。

在外部連接上，電源端子通過(guò)將DC+和DC-組合在一起簡(jiǎn)化了總線連接， 從而實(shí)現(xiàn)了從上到下的簡(jiǎn)單電流輔助端子（柵極/源極，漏極開(kāi)爾文和NTC），并且采用標(biāo)準(zhǔn)的板對(duì)板式連接，使得模塊能得到盡可能的低電感。在內(nèi)部連接上， 基于完全對(duì)稱(chēng)的電源路徑布局可均衡寄生效應(yīng)，并有助于減少動(dòng)態(tài)損耗的失配。

柵源信號(hào)PCB利用多層方法來(lái)最小化柵網(wǎng)絡(luò)上的電感，從而實(shí)現(xiàn)更快，低開(kāi)關(guān)損耗。單獨(dú)的柵極和源極電阻器有助于抑制高頻振蕩并保持信號(hào)和電源路徑分開(kāi)。

3.3.2雜散電感提取

SiC MOSFET模塊是以功率芯片SiC MOSFET為開(kāi)關(guān)單元，通過(guò)DBC（Direct Bonded Copper）、Wire、銅排等多種形式實(shí)現(xiàn)芯片之間以及芯片與外部端口之間的互連，構(gòu)成具有一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一定電路功能的電力電子模塊。隨著開(kāi)關(guān)頻率和功率等級(jí)的提高，模塊內(nèi)部各互連部分的寄生參數(shù)對(duì)模塊電氣特性， 尤其是開(kāi)關(guān)瞬態(tài)時(shí)的影響已不容忽視。

寄生電感主要取決于鍵合線上寄生電感，要使寄生電感越小，可以采用并聯(lián)根數(shù)越多，鍵合線越短，鍵合線越粗的方案。式（3.1）中可看到寄生電感與鍵合線上參數(shù)的關(guān)系。

（3.1）式中，N代表并聯(lián)根數(shù)，l代表鍵合線長(zhǎng)度，d代表鍵合線徑大小。

碳化硅模塊的開(kāi)關(guān)電氣特征是其最重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，這主要由其雜散參數(shù)決定。雜散參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)芯片布局設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等有重要意義。

最新SiC MOSFET芯片的開(kāi)關(guān)時(shí)間在納秒級(jí)別，開(kāi)關(guān)過(guò)程的暫態(tài)電磁場(chǎng)有效帶寬約為10MHz。眾所周知，SiC MOSFET模塊內(nèi)部互聯(lián)線之間的雜散電感是頻率的函數(shù)，高頻與工頻條件下，鋁線的雜散電感相差較大。為獲得更精確的雜散參數(shù)值，提高分析評(píng)估的準(zhǔn)確性，必須應(yīng)用高精度的ANSYS Q3D Extractor仿真技術(shù)。選擇合適的等效電路模型，通過(guò)數(shù)值擬合方法得到高頻雜散電感、電阻和互聯(lián)電容等參數(shù)，從而指導(dǎo)模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。

其中導(dǎo)電層的材料為銅,絕緣層材料為FR4。將繪制好的模型圖如圖3.8導(dǎo) 入Ansoft links,在Nets面板上選取換流回路包含的引線，最后將文件導(dǎo)入電磁 場(chǎng)有限元分析軟件ANSYS Q3D Extractor中,Ansoft Q3D Extractor軟件基于FEM 法來(lái)求解Maxwell方程組，從而得到電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布，可計(jì)算任意導(dǎo)體的電 容、電導(dǎo)、電感和電阻矩陣，并可以SPICE形式的等效電路形式輸出，直接導(dǎo) 入如Saber、Pspice等電力電子仿真軟件模型。在真實(shí)的SiC MOSFET模塊封裝 互連中，SiC MOSFET芯片源極引出的平行并聯(lián)wire在空間呈弧形曲線分布。由于當(dāng)回路含有曲線段時(shí)，電感的計(jì)算就大為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化建模和計(jì)算，SiCMOSFET結(jié)構(gòu)模型中的wire均采用規(guī)則的分段直導(dǎo)線代替，如圖3.9（a）所示 為真實(shí)的SiC MOSFET源極引出wire的空間結(jié)構(gòu)圖，實(shí)際模型采用3.9（b）所示的示意圖。

在封裝設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小柵極驅(qū)動(dòng)電路的雜散電感，因?yàn)楦哳l開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)雜散電感造成影響，雖然減小互連寄生參數(shù)是封裝設(shè)計(jì)的主要考慮因素，但是由于SiC MOSFET模塊的非對(duì)稱(chēng)布局普遍存在，過(guò)小的寄生參數(shù)可能導(dǎo)致過(guò)大的 非對(duì)稱(chēng)性。比如芯片導(dǎo)通路徑中寄生電感為5nH和10nH時(shí)，其非對(duì)稱(chēng)性將遠(yuǎn)大于30nH與35nH，引起的并聯(lián)芯片間的不均流前者將遠(yuǎn)大于后者，因此封裝設(shè)計(jì)中的寄生參數(shù)須綜合考慮。

在SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程，源極電流包含大量高次諧波電流分量，引起 并聯(lián)wire間互感作用顯著增大。由于處于磁場(chǎng)中不同空間位置的并聯(lián)wire所受 互感作用不一致，因此對(duì)于電流處于變化狀態(tài)的并聯(lián)wire，電流分布總是不均勻的。

如圖3.10中可看出鍵合線及端子的電流分布仿真結(jié)果相對(duì)均流。原則上，芯片互聯(lián)的雜散電感應(yīng)該越小越好，在實(shí)際中由于受制于幾何尺寸或者電路自身，雜散電感不可能為0。在雜散電感不能減小的前提下，應(yīng)保證每個(gè)芯片的雜散電感基本均衡。

3.4模塊的熱管理

SiC MOSFET模塊是一個(gè)含不同材料的密集封裝的多層結(jié)構(gòu)，其熱流密度達(dá)到100W/cm2--250W/cm2，模塊能長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的首要因素是良好的散熱能 力。散熱能力與眾多因素有關(guān)：SiC MOSFET模塊所用材料的物理和化學(xué)性質(zhì)、芯片的布局、貼片的質(zhì)量、焊接的工藝水平等。如果貼片質(zhì)量差，有效散熱面積小，芯片與DBC之間的熱阻大，在模塊運(yùn)行時(shí)易造成模塊局部過(guò)熱而損壞。

芯片可靠散熱的另一重要因素是鍵合的長(zhǎng)度和位置。假設(shè)散熱底板的溫度分布均勻，而每個(gè)芯片對(duì)底板的熱阻有差異，導(dǎo)致在相同工況時(shí)，每個(gè)芯片的結(jié)溫 不同。

在模塊完成封裝后。采用ANSYS軟件的熱分析模塊，建立包括銅基板、 DBC、芯片以及包括鋁質(zhì)鍵合引線在內(nèi)的相對(duì)完整的數(shù)值模擬模型。模擬實(shí)際工作條件，施加相應(yīng)的載荷，得到SiC MOSFET的溫度場(chǎng)分布的數(shù)值解，為SiC MOSFET溫度場(chǎng)分布的測(cè)試提供一定的依據(jù)。芯片的布局對(duì)模塊內(nèi)部的熱管理能力會(huì)產(chǎn)生影響。在根據(jù)模塊內(nèi)部熱管理的要求進(jìn)行材料選型和整體布局、根據(jù)芯片的均流性能進(jìn)行芯片的具體布局之后，還需要對(duì)模塊的熱管理能力進(jìn)行重新校核。為此，需建立考慮模塊布局之后的仿真模型，如圖3.11所示。

圖3.11中，有限元模型由下到上分別為銅基板、焊劑層、DBC（下覆銅層、三氧化二鋁、上覆銅層）、焊劑層、碳化硅芯片、鋁質(zhì)鍵合引線、輸入電極和輸出電極。圖3.12是模塊芯片溫度的仿真結(jié)果。

由圖3.12可見(jiàn)，在施加了電流載荷之后，單開(kāi)關(guān)模塊中的溫度最高部位位于碳化硅芯片和鋁引線的鍵合點(diǎn)處，而其余部位的溫度均低于鍵合點(diǎn)處的溫度， 這也說(shuō)明碳化硅芯片和鋁引線的鍵合點(diǎn)是器件最容易失效的部位，與實(shí)驗(yàn)室觀察到的SiC MOSFET模塊最常見(jiàn)的損壞模式吻合。

為了減小模塊熱阻，加快散熱，封裝的SiC MOSFET模塊底板設(shè)計(jì)成帶針 翅的散熱結(jié)構(gòu)，如圖3.13所示，散熱底板的內(nèi)表面開(kāi)設(shè)有凹槽、用于SiC MOSFET 模塊貼合后形成液冷水道，SiC MOSFET模塊的針翅位于凹槽內(nèi)，散熱底板于凹 槽的外周側(cè)與SiC MOSFET模塊之間設(shè)置有第一密封件和第二密封件，散熱底 板于第一密封件與第二密封件之間設(shè)置有環(huán)形槽，環(huán)形槽的一面與SiC MOSFET模塊貼合，并通過(guò)散熱底板外表面上的通孔與外界連通。這個(gè)針翅結(jié)構(gòu)可以安裝到散熱器上，帶針翅的底板模塊散熱效率很高，熱阻降低40%，整個(gè)功率密度得到提升，體積可以做得更小，壽命更長(zhǎng)。針翅底板采用鋁碳化硅材料，鋁碳化硅基板的好處是具有低的熱膨脹系數(shù)，可達(dá)到7.388ppm/K；高導(dǎo)熱率，可 達(dá)到190~240W/Mk；高彎曲強(qiáng)度以及耐高功率，可以提高熱循環(huán)等可靠性。

碳化硅SiC MOSFET模塊開(kāi)關(guān)頻率高，可達(dá)到100kHz級(jí)別，發(fā)熱狀態(tài)在納秒級(jí)瞬態(tài)切換，在材料內(nèi)部形成顯著的熱致應(yīng)力。特別在不同材料的交界面， 由于熱膨脹系數(shù)的差異，會(huì)形成開(kāi)裂、翹曲和開(kāi)焊等不同形式的應(yīng)力性失效。

不同宏觀表現(xiàn)的失效模式不能用某種物理指標(biāo)簡(jiǎn)單表達(dá)，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)再 現(xiàn)失效過(guò)程，針對(duì)每一項(xiàng)失效模式建立特有的失效判定指標(biāo)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。由于溫度和應(yīng)力的強(qiáng)耦合性，需要使用熱-力聯(lián)合數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)熱致應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值建模。高開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致的另一問(wèn)題是同一芯片上相鄰鋁線之間的吸引和排斥作用。這種作用會(huì)造成另一種典型失效模式——鋁線鍵合開(kāi)焊。需要使用瞬態(tài)電-機(jī)聯(lián)合仿真技術(shù)分析這一問(wèn)題，建立電致應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)不同模塊本征 特征和應(yīng)用環(huán)境特征建立鋁線鍵合強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5模塊的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)車(chē)間把模塊進(jìn)行貼片，焊接，鍵合，裝配，檢測(cè)，包裝等工藝流程把SiC MOSFET模塊成功封裝出來(lái)。將芯片、DBC置放于真空焊接爐里面焊接，焊接過(guò)過(guò)后就可以進(jìn)行引線鍵合，將芯片的各個(gè)極與銅片連 接。超聲波端子焊接技術(shù)可將此前使用錫焊方式連接的銅墊與銅鍵合引線直接 焊接在一起。該技術(shù)與錫焊方式相比，不僅具備高熔點(diǎn)和高強(qiáng)度，而且不存在線性膨脹系數(shù)差，可獲得較高的可靠性。實(shí)際制造出來(lái)的模塊如圖3.14。

SiC MOSFET模塊要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，必須反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真、檢測(cè)、參數(shù)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，執(zhí)行各個(gè)環(huán)節(jié)后滿(mǎn)足電氣參數(shù)、可靠性、失 效形式等的評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)才能應(yīng)用到相應(yīng)的領(lǐng)域。測(cè)試作為在設(shè)計(jì)、檢測(cè)、制造流程框圖中的重要環(huán)節(jié)，不僅是為了SiC MOSFET模塊各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，更重要的是開(kāi)展模塊性能的研究，而最終的目的是為了給用戶(hù)提供服務(wù)。

3.5.1靜態(tài)特性參數(shù)的測(cè)試

靜態(tài)特性參數(shù)的測(cè)試采用開(kāi)爾文連接，開(kāi)爾文連接如圖3.15所示，其中Force 是激勵(lì)，可以是電流，也可以是電壓。sense是測(cè)量相應(yīng)端的電壓，相當(dāng)于一個(gè)電壓表，利用內(nèi)部算法調(diào)整功率管相應(yīng)端的電壓接近所加激勵(lì)電壓。靜態(tài)測(cè)試是在SiC MOSFET模塊結(jié)溫為25℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)SiC MOSFET工作在非開(kāi)關(guān)狀態(tài)；其主要的測(cè)試內(nèi)容如下：

1）擊穿電壓BVDS

擊穿電壓BVDS是在特定漏極電流及柵源極短路情況下漏極與源極之間的電壓值。

2）開(kāi)啟電壓VGS(th)

開(kāi)啟電壓VGS(th)是指在特定漏極電流及漏柵極短路情況下柵極與源極之間 的電壓值。當(dāng)柵射極電壓小于VGS(th)時(shí)SiC MOSFET是關(guān)態(tài)，因此開(kāi)啟電壓VGS(th) 即是使SiC MOSFET導(dǎo)通并流過(guò)特定的漏極電流的柵極電壓。VGS(th)隨著介面溫 度的變化為-11mV/℃。

3）漏極至源極的泄漏電流IDSS

漏極至源極的泄漏電流IDSS是指在額定的漏極電壓和柵源極短路下的漏極 電流大小。IDSS的測(cè)量通常是在25℃且結(jié)溫不超過(guò)最大結(jié)溫的情況下進(jìn)行。因?yàn)槁O泄漏電流會(huì)隨介面溫度升高而增加，所以在測(cè)試期間限制電流流過(guò)及避免 結(jié)溫升高是很重要的。

4）柵極至源極的泄漏電流IGSS

柵極至源極的泄漏電流IGSS是指在特定的柵源極電壓及集源極短路情況下柵極的泄漏電流。在正或負(fù)的柵源極電壓下，所測(cè)量的電流可能是相當(dāng)小的， 因此，脈沖至少須維持一個(gè)電源周期的積分時(shí)間，避免因柵極電容吸收的電流 所產(chǎn)生的誤差。此測(cè)量必須在柵極電壓穩(wěn)定后才可進(jìn)行。

5）跨導(dǎo)gfs

跨導(dǎo)gfs是在特定漏極電流下漏極電流和柵源極電壓之比。跨導(dǎo)是用來(lái)表示 SiC MOSFET增益的方式。由于跨導(dǎo)的大小依賴(lài)漏極電流和柵源極電壓兩個(gè)測(cè)量值的大小，所以測(cè)試設(shè)備的精準(zhǔn)性對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響，必須謹(jǐn)慎選擇測(cè)試設(shè)備。

6）柵極電荷（Qgs，Qgd，Qg）和柵極電容（Ciss，Coss，Crss）

柵極電荷Qgs是由驅(qū)動(dòng)電路傳送。使用柵源極電壓達(dá)可維持特定集電極電 流的電荷值。Qgd是由驅(qū)動(dòng)電路傳送，允許跨于柵極電容的電壓由特定值降至最 后導(dǎo)通值時(shí)的電荷值。Qg是柵極總電荷值，是Qgs，Qgd及另一附加成份的總和。

其中的附加成分和柵極的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)。由于有一些未知的寄生電容存在電路中，所以校正脈沖是必須的。在每一測(cè)試前都會(huì)先測(cè)試寄生電容，并用該值來(lái)修正柵極電荷/電容之值。此寄生電容會(huì)隨接線及氣候溫度等條件而變化。柵極電荷及電容的大小在設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路及決定柵極驅(qū)動(dòng)損耗時(shí)是非常有用的。

該模塊靜態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.5。

3.5.2動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試主要是測(cè)試SiC MOSFET模塊開(kāi)關(guān)特性，動(dòng)態(tài)測(cè)試即在SiC MOSFET模塊結(jié)溫為125℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)SiC MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)特性測(cè)試原理圖如圖3.16。

動(dòng)態(tài)測(cè)試是在SiC MOSFET模塊結(jié)溫為125℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)SiC MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；其主要的測(cè)試內(nèi)容如下：

1）開(kāi)通時(shí)間ton

ton是從柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓開(kāi)始上升到SiC MOSFET漏極電流開(kāi)始上升的時(shí)間差，開(kāi)通時(shí)間包括導(dǎo)通延遲時(shí)間和上升時(shí)間。由于柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)部電阻和SiC MOSFET的柵漏極電容的原因使得柵源極電壓VGS上升的陡峭度不如柵 極驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的電壓。ton是從10%的柵源極電壓VGS–到90%漏極電流ID的時(shí)間差。

2）關(guān)斷時(shí)間toff

toff是從柵源極電壓降至其最后穩(wěn)定值的90%到漏源電壓VDS降至其最后穩(wěn)定值的90%的時(shí)間差。

3）能耗Eloss

SiC MOSFET模塊動(dòng)態(tài)的損耗包括開(kāi)通損耗跟關(guān)斷損耗。對(duì)于用于高頻電路 設(shè)計(jì)的SiC MOSFET模塊來(lái)說(shuō)，損耗的大小決定了模塊的開(kāi)關(guān)頻率，損耗太大，開(kāi)關(guān)頻率就不能太高。

4）短路能力

短路測(cè)試是指SiC MOSFET模塊在橋臂直通的情況下能承受的過(guò)流時(shí)間的能力。短路時(shí)間、短路電流反應(yīng)模塊的短路能力。

該模塊動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.6。

雙脈沖測(cè)試波形如圖3.17，測(cè)試條件為驅(qū)動(dòng)電壓+15V/0V，驅(qū)動(dòng)電阻20Ω。圖3.17（a）是上管在測(cè)試條件為VDS=600V，ID=600A下測(cè)得的雙脈沖波形， 圖3.17（b）是下管在測(cè)試條件為VDS=400V，ID=400A下測(cè)得的雙脈沖波形。由圖可見(jiàn)上管驅(qū)動(dòng)波形在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)向上的尖峰，下管VDS=400V時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形在開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)震蕩尖峰。開(kāi)通以及關(guān)斷波形測(cè)試如圖3.18，測(cè)試條件為驅(qū)動(dòng)電壓+15V/0V，驅(qū)動(dòng)電 阻20Ω，VDS=600V，ID=600A。左邊是SiC MOSFET模塊開(kāi)通過(guò)程的圖片，右 邊是SiC MOSFET模塊關(guān)斷過(guò)程的圖片。

3.6本章小結(jié)

本章以1200V840A SiC MOSFET模塊為例介紹了碳化硅MOSFET模塊封裝關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)一種針對(duì)碳化硅芯片適用的新型DBC，完成SiC MOSFET模塊的芯片布局以及模塊雜散電感的提取，建立模塊的熱仿真模塊，對(duì)模塊的芯片 以及鍵合線的發(fā)熱情況進(jìn)行仿真分析。最后對(duì)設(shè)計(jì)好的模塊進(jìn)行制作并完成動(dòng) 靜態(tài)特性測(cè)試。

第4章SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

4.1引言

模塊驅(qū)動(dòng)技術(shù)是SiC MOSFET模塊性能發(fā)揮的關(guān)鍵之一。高效，可靠的驅(qū)動(dòng)電路是電驅(qū)系統(tǒng)可靠性的保障。由于SiC MOSFET的工作頻率比傳統(tǒng)的Si器件高，受到了高壓高頻應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。在高頻應(yīng)用中，高速型SiC MOSFE的 開(kāi)關(guān)過(guò)程是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，不僅會(huì)影響作為開(kāi)關(guān)器件的SiC MOSFET，還會(huì)影響應(yīng)用SiC MOSFET的電力電子設(shè)備系統(tǒng)的工作效率、使用壽命以及可靠性。SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度容易受到寄生電容、驅(qū)動(dòng)阻抗的影響，要發(fā)揮SiC MOSFET自身的優(yōu)勢(shì)，必須搭配適合的驅(qū)動(dòng)電路，本章將重點(diǎn)分析SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。

4.2 SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)過(guò)程分析

對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，SiC MOSFET管子高速導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖4.1所示為開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程的柵源電壓、驅(qū)動(dòng)電流、漏源電壓、漏極電流的波形。

（1）t0-t1階段：假定t0時(shí)刻SiC MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，柵源電壓為負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓。在這一階段柵源電壓開(kāi)始上升，開(kāi)始給柵極輸入電容充電，但是漏源電壓VDS和漏極電流ID不變。

（2）t1-t2階段：隨著柵源電壓VGS上升，高于柵極閾值電壓后SiC MOSFET 開(kāi)始導(dǎo)通，依據(jù)其輸出特性，漏極電流ID一直增大，VDS保持高電平不變。

（3）t2-t3階段：從t2時(shí)刻開(kāi)始，VGS上升到達(dá)米勒平臺(tái)而停止上升，保持不 變，這區(qū)間不斷給柵極電容充電，漏源電壓VDS從截止時(shí)的高電平開(kāi)始下降，一直下降到最小。

（4）t3-t4階段：柵源電壓VGS從米勒平臺(tái)繼續(xù)上升到20V，即給定的驅(qū)動(dòng) 電壓值，漏極電流ID保持不變，持續(xù)的電流使SiC MOSFET完全進(jìn)入導(dǎo)通階段。

傳統(tǒng)Si器件的工作頻率最大會(huì)到20kHz，但是SiC MOSFET的工作頻率可達(dá)到兆赫頻率。隨著開(kāi)關(guān)頻率的變大，這就要求驅(qū)動(dòng)電路控制SiC MOSFET開(kāi) 通的延遲時(shí)間要變小，避免死區(qū)時(shí)間太大而影響。目前SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間控制在10ns以?xún)?nèi)。延遲時(shí)間的減小，可以加快米勒電容的充放電速 度，開(kāi)關(guān)時(shí)間也得到減小，但同時(shí)這也要求驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流峰值要比Si器件的更大。

圖4.2中所示為柵極驅(qū)動(dòng)的等效電路。開(kāi)關(guān)S1控制SiC MOSFET開(kāi)通時(shí)給 輸入電容充電，開(kāi)關(guān)S2控制SiC MOSFET關(guān)斷時(shí)給輸入電容放電。開(kāi)關(guān)電阻阻值的大小并不影響SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，而是由Cin和Ugs的大小控制。柵極電容充電的速度與柵極驅(qū)動(dòng)電流也不影響開(kāi)關(guān)損耗，當(dāng)SiC MOSFET完全 導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)電流不再起作用。

圖4.3所示是一個(gè)理想柵極驅(qū)動(dòng)電流的波形。SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度與驅(qū)動(dòng)電流峰值的大小、驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻有關(guān)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流峰值 越大時(shí)，SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度會(huì)更高。但是SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流要根 據(jù)SiC MOSFET的寄生電容決定。

驅(qū)動(dòng)電路可以分為電壓控制型驅(qū)動(dòng)和電流控制型驅(qū)動(dòng)，目前比較常用的是電壓控制型驅(qū)動(dòng)。在高壓高頻的應(yīng)用場(chǎng)合下，為了避免高壓擊穿SiC MOSFET， 會(huì)在驅(qū)動(dòng)電路增加隔離電路，主要是對(duì)輸入、輸出信號(hào)隔離。一個(gè)優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)可以使SiC MOSFET安全可靠的工作，一個(gè)理想的驅(qū)動(dòng)電路需滿(mǎn)足下列條件：

（1）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，成本低，驅(qū)動(dòng)板面積盡可能小。

（2）驅(qū)動(dòng)電路的傳輸延遲時(shí)間應(yīng)盡可能小，避免因傳輸延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響設(shè)備的控制精度。

（3）驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電壓要有足夠的正壓和適當(dāng)?shù)呢?fù)壓，驅(qū)動(dòng)電壓的 大小會(huì)影響SiC MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷。同時(shí)在高頻下，較快的開(kāi)關(guān)速度會(huì)影響驅(qū)動(dòng)脈沖。

（4）驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電流峰值要足夠大，加快米勒電容的充放電速度，克服米勒效應(yīng)。

（5）驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)功能很重要，當(dāng)SiC MOSFET出現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流以及短路 的情況下，能保護(hù)SiC MOSFET不被擊穿，確保SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)能夠可靠地工作。

（6）驅(qū)動(dòng)電路的電源功率要足夠大以保障驅(qū)動(dòng)器正常工作。

（7）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，避免高壓下的電磁干擾，CMTI盡可能高。

4.3串?dāng)_原理分析 4.3.1串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理

SiC MOSFET作開(kāi)關(guān)管的基本電力電子拓?fù)涠际遣捎脴虮劢Y(jié)構(gòu)，圖4.4可以 看做是最基本的SiC MOSFET橋臂結(jié)構(gòu)，上下橋臂是相互對(duì)稱(chēng)的電路拓?fù)?。?橋臂結(jié)構(gòu)中，上下橋臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)相互影響，特別是在開(kāi)關(guān)時(shí)刻dv/dt較大的時(shí)候這一現(xiàn)象被稱(chēng)為橋臂串?dāng)_問(wèn)題。SiC MOSFET多應(yīng)用于高頻場(chǎng)合，高頻會(huì)造成加重串?dāng)_問(wèn)題。

SiC MOSFET的柵極閾值電壓比較小，通常在2V就可以開(kāi)啟， 當(dāng)串?dāng)_電壓超過(guò)2V，這時(shí)會(huì)造成處于關(guān)斷狀態(tài)的SiC MOSFET引發(fā)誤導(dǎo)通。當(dāng) 串?dāng)_電壓超過(guò)柵極最大電壓，還會(huì)把SiC MOSFET柵極擊穿失效。

如圖4.5所示為假定上橋臂導(dǎo)通時(shí)，可以看到下橋臂SiC MOSFET受到的電壓電流。在上橋臂開(kāi)通后，會(huì)在下橋SiC MOSFET受到有VCE2電壓。這時(shí)有一小電流經(jīng)過(guò)寄生電容Cgd，并給SiC MOSFET的寄生電容充電，在柵源兩極間產(chǎn)生一個(gè)電壓差，SiC MOSFET柵源電壓若達(dá)到閾值開(kāi)啟電壓就會(huì)造成下橋臂 SiC MOSFET誤導(dǎo)通。

除了上橋臂開(kāi)通時(shí)刻外，在上橋臂關(guān)斷時(shí)刻也會(huì)造成串?dāng)_問(wèn)題。主要是因?yàn)樵谏蠘虮坳P(guān)斷后，下橋SiC MOSFET的柵源兩極電壓會(huì)降為0，充過(guò)電的寄生 電容Cgd會(huì)在此刻有個(gè)放電的動(dòng)作，放電的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，這個(gè)電壓是負(fù)向的，柵源兩極的負(fù)向電壓不能太大，否則會(huì)把SiC MOSFET擊穿失效。整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程電壓脈沖如圖4.6所示。

串?dāng)_的產(chǎn)生主要是在SiC MOSFET進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，其中一個(gè)橋臂的SiC MOSFET的導(dǎo)通會(huì)使得母線電壓轉(zhuǎn)移到另一個(gè)關(guān)閉的SiC MOSFET漏源極之間， 漏源電壓快速增加，出現(xiàn)較大的dVDS/dt。過(guò)高的dVDS/dt通過(guò)米勒電容感應(yīng)出很 高的位移電流，位移電流通過(guò)柵極電阻產(chǎn)生一定壓降，會(huì)使關(guān)斷的SiC MOSFET重新導(dǎo)通。米勒電容越大，驅(qū)動(dòng)電阻越大，開(kāi)關(guān)速度越快，都會(huì)使感應(yīng)電壓越高。除此之外，SiC MOSFET模塊的閾值電壓Vth越小時(shí)，越容易發(fā)生串?dāng)_，導(dǎo) 致誤導(dǎo)通。當(dāng)使用溫度越高，Vth越小，越容易發(fā)生；直流電壓越低，Cgd越大，越容易發(fā)生。

4.3.2串?dāng)_抑制應(yīng)對(duì)措施

由以上可知，在橋臂結(jié)構(gòu)中，SiC MOSFET都會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_問(wèn)題。為了更好地發(fā)揮SiC MOSFET的優(yōu)異特性，確保逆變器的可靠運(yùn)行，必須要抑制串?dāng)_解決措施。到目前為止，關(guān)于這方面的控制措施有很多的研究，主要包括有以下幾個(gè)方面：

（1）在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的柵極和源極之間加一個(gè)電容，該電容一方面可以分流米勒電流，另一方面可以共同吸收米勒電容上面的電荷，以達(dá)到抑 制柵極電壓尖峰的作用。但是增加電容會(huì)導(dǎo)致延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)時(shí)間，間接增加了開(kāi)關(guān)損耗。

（2）采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)抑制，主要是通過(guò)降低串?dāng)_引起的電壓尖峰。這樣可以不讓SiC MOSFET有足夠的電壓誤導(dǎo)通，但是SiC MOSFET本身就需 要負(fù)壓關(guān)閉，增大負(fù)壓的值，會(huì)對(duì)SiC MOSFET造成影響，有可能會(huì)因?yàn)樨?fù)壓過(guò)大而擊穿。這方法還會(huì)影響電壓切換的效率，還會(huì)提高成本，因?yàn)檫@樣負(fù)壓 需要做隔離。

串?dāng)_抑制造成橋臂直通的原因一方面有Cdv/dt數(shù)值過(guò)高影響的，另一方面是驅(qū)動(dòng)負(fù)壓尖峰引起的模塊失效。不同于Si器件，SiC MOSFET因其材料的特性，柵源兩極的負(fù)壓承受能力弱，一般極限在-5V左右，超過(guò)這個(gè)值，容易造成擊穿SiC MOSFET失效。串?dāng)_問(wèn)題是不能消失的，只能通過(guò)抑制串?dāng)_來(lái)解決。

上述的驅(qū)動(dòng)電路采用的方式對(duì)抑制橋臂串?dāng)_都能起到影響，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 成本、可靠性等方面還有部分可以改進(jìn)的地步。例如增加隔離電路的設(shè)計(jì)會(huì)加 大成本的投入以及增加驅(qū)動(dòng)板的面積大小，還會(huì)帶來(lái)一系列更復(fù)雜的內(nèi)容。

為了更好的消除橋臂結(jié)構(gòu)串?dāng)_問(wèn)題帶來(lái)的影響，使碳化硅SiC MOSFET功率開(kāi)關(guān) 器件更好的工作，本文提出了一種新型碳化硅SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。

新型碳化硅SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路抑制串?dāng)_的辦法是采用主動(dòng)米勒鉗位電 路。該方法的工作原理是檢測(cè)柵極電壓。由于SiC MOSFET的柵源極閾值電壓 為2.146V，電壓鉗位應(yīng)低于2.146V，選擇2V的電壓鉗位，當(dāng)檢測(cè)到柵極電壓 超過(guò)2V后，將柵極和源極短接起來(lái)保護(hù)。因此，該方法主要通過(guò)檢測(cè)柵極和源 極之間的電壓來(lái)確定串?dāng)_問(wèn)題的存在。

如圖4.7所示，在柵極和源極之間添加了邏輯判定電路，以檢測(cè)柵極和源極處的電壓。如果檢測(cè)到的源極電壓快達(dá)到柵 極和源極的正常工作電壓范圍，則連接到柵極和源極的晶體管將導(dǎo)通并使柵極 和源極短接，以提供保護(hù)。

使用主動(dòng)米勒鉗位電路，當(dāng)檢測(cè)到關(guān)斷時(shí)刻的SiC MOSFET柵源極電壓 高于2V時(shí)，Vgcl會(huì)產(chǎn)生一個(gè)足夠大的正向脈沖使晶體管導(dǎo)通，從而將柵源極短 接起來(lái)進(jìn)行保護(hù)，即如圖4.8所示。

4.4驅(qū)動(dòng)電路硬件的設(shè)計(jì)

4.4.1電源設(shè)計(jì)

本驅(qū)動(dòng)電路采用了高低壓隔離的驅(qū)動(dòng)方案，防止高壓信號(hào)傳入低壓部分損壞控制電路。該方案主要分為隔離驅(qū)動(dòng)電源和PWM的隔離驅(qū)動(dòng)兩部分，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的電源和PWM信號(hào)進(jìn)行隔離。

如圖4.9所示隔離驅(qū)動(dòng)電源采用了反激電源形式，利用變壓器的特性和工作 原理實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行隔離的目的。從圖4.9可以看出改電路可以通過(guò)變壓器分為兩部分，左邊是與控制回路相連的低壓部分，右邊是與SiC MOSFET相連的高壓部分。低壓部分主要是以LM3488QMM/NOPB電源管理芯片為核心的電源控制電路。V_GDB是主控板提供的36V穩(wěn)壓電源通過(guò)共模電感和電容濾波后 供后端反激電源使用。該電路起動(dòng)時(shí)控制回路通過(guò)R146從36V電源獲得起動(dòng)所 需能量，起動(dòng)成功后控制部分由反饋繞組進(jìn)行供電。電源的反饋回路由R169和 R170組成，通過(guò)調(diào)節(jié)二者的比值可以改變反饋電壓AUFBK的值，同時(shí)由于電壓器的特性電源的高壓側(cè)輸出電壓也會(huì)跟著改變，利用此原理就可以得到兩路隔離的24V電源。此外該電源還需要使能信號(hào)UVLOA被拉高才能開(kāi)始工作， 該信號(hào)由圖4.10所示的電源使能電路發(fā)出。

如圖4.10所示該使能電路主要是由比較器和阻容構(gòu)成的滯回比較電路以及一個(gè)信號(hào)隔離輸入電路構(gòu)成。在主控板使能信號(hào)PWR_SHDN拉低的 情況下，當(dāng)V_GDB上升到一個(gè)設(shè)定好的起動(dòng)值后使能信號(hào)UVLO就會(huì)拉 高，反激電源就會(huì)開(kāi)始工作，當(dāng)PWR_SHDN信號(hào)被拉高或者V_GDB下 降到一個(gè)設(shè)定好的比起動(dòng)值低的停止值的時(shí)候，UVLO信號(hào)就會(huì)被拉低反激電源停止工作。

在反激電源輸出隔離的24V電源后，還要經(jīng)過(guò)如圖4.11所示的分壓電路將 其分為20V和4V，將分壓的中點(diǎn)連接至SiC MOSFET的S極作為參考地，這樣 就能得到+20V/-4V的驅(qū)動(dòng)電壓。由于這里需要較為穩(wěn)定的電壓，因此采用了帶 反饋的高精度穩(wěn)壓器TL431AQDBZRQ1進(jìn)行穩(wěn)壓，通過(guò)調(diào)節(jié)R2和R5的比值就 能得到精度較高的20V穩(wěn)壓值。

4.4.2隔離方式的選擇

隔離方法主要使用光耦合器隔離。光耦合器隔離器使用光作為介質(zhì)來(lái)傳輸電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電隔離。

經(jīng)過(guò)邏輯處理從PWM信號(hào)就會(huì)輸入如圖4.12所示的PWM隔離驅(qū)動(dòng)電路。該電路是以ACPL-339J-500E光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片為核心搭建而成的。當(dāng)沒(méi)有故障發(fā)生且使能信號(hào)PWMENA被拉低的情況下，PWM信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)芯片后芯片的 VOUTP和VOUTN引腳就會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)控制MOS管Q1和Q2導(dǎo)通或關(guān)斷， 使SiC MOSFET的G極通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻接到+20V或-4V電源，從而控制SiC MOSFET導(dǎo)通或關(guān)斷。同時(shí)該電路還有過(guò)流或短路保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT 腳會(huì)在SiC MOSFET導(dǎo)通時(shí)輸出一個(gè)極小的電流給電容C8充電，同時(shí)芯片內(nèi)部 會(huì)對(duì)該腳的電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)該腳的電壓大于9V時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片就會(huì)判定SiC MOSFET發(fā)生了過(guò)流或短路故障。正常情況下SiC MOSFET導(dǎo)通壓降低于9V 此時(shí)C8的電壓會(huì)通過(guò)R1、D1、D2以及SiC MOSFET被鉗制到低于9V的某個(gè) 值，此時(shí)不會(huì)被判定為故障狀態(tài)，但是當(dāng)SiC MOSFET發(fā)生了過(guò)流或短路故障 時(shí)，SiC MOSFET的壓降會(huì)上升到一個(gè)較高的值，此時(shí)C8的電壓會(huì)超過(guò)9V從 而觸發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片報(bào)警。此外當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源的+20V電源電壓降低到驅(qū)動(dòng)芯片的報(bào)警 值也會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片報(bào)警。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片檢測(cè)到故障報(bào)警后，會(huì)將FAULT腳拉低 發(fā)出故障信號(hào)，同時(shí)VCMOS腳會(huì)控制Q3和Q4進(jìn)行軟關(guān)斷防止SiC MOSFET損壞。

為防止控制電路故障或信號(hào)傳輸被干擾導(dǎo)致同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通的情況發(fā)生，這里首先對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行了邏輯處理，其邏輯電路如圖4.13所示， 每個(gè)SiC MOSFET的PWM信號(hào)只有在與它同橋臂的另一個(gè)PWM信號(hào)被拉低的情況下才會(huì)輸出高邏輯。

4.5本章小結(jié)

本章主要介紹了新型SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。分析了SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)過(guò)程，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)分析。因不同于Si器件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)， 對(duì)SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)有不同的要求。然后對(duì)SiC MOSFET在橋臂電路拓?fù)渲挟a(chǎn)生的串?dāng)_原理進(jìn)行分析，并提出抑制橋臂串?dāng)_的措施，最后完成了新型驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)。

第5章驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1引言

把在第四章設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，轉(zhuǎn)換成PCB電路板，再經(jīng)過(guò)焊接成實(shí)物。本章將對(duì)驅(qū)動(dòng)板測(cè)試驗(yàn)證和分析。測(cè)試每一相上下兩個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)波形以及開(kāi)關(guān)波形進(jìn)行比較。測(cè)試不同驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)SiC MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響以及驅(qū)動(dòng)波 形的影響，就如何選擇SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)正壓以及驅(qū)動(dòng)負(fù)壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)看對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響。

5.2驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試與分析

圖5.1所示為本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路板，采用多層布局，雙面焊接而成。該電路板三相電路獨(dú)立設(shè)計(jì)，板間布局對(duì)稱(chēng)，可以有效減小寄生電感對(duì)SiC MOSFET模塊并聯(lián)均流的影響。

對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)試實(shí)物圖如圖5.2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)主要由示波器、電壓 源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、SiC MOSFET模塊以及上位機(jī)組成。驅(qū)動(dòng)板上所需電源信號(hào)由控制板上提供，上位機(jī)給控制板提供信號(hào)命令。

將驅(qū)動(dòng)板在該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，由前面章節(jié)理論分析選取20V的驅(qū)動(dòng)電壓，柵極電阻選取39Ω的條件下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試同一相上下橋臂的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)波形輸出，然后通過(guò)輸出的驅(qū)動(dòng)波形測(cè)出電壓幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)，測(cè)試結(jié)果的波形圖如圖5.3所示。

表5.1為同組SiC MOSFET并聯(lián)PWM參數(shù)。

由表5.1可得出同相SiC MOSFET上下橋臂的驅(qū)動(dòng)波形幅值都是20.1V；上 升時(shí)間，上橋臂258nS，下橋臂237nS，相差21nS；下降時(shí)間中上橋臂102nS， 下橋臂98nS，相差4nS；由此可見(jiàn)基本是重合，這測(cè)試波形看起來(lái)上下橋臂相 對(duì)均流，避免因不均流而損壞SiC MOSFET模塊。

為了驗(yàn)證柵極電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)影響，不同柵極會(huì)影響SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)。本文選取驅(qū)動(dòng)電阻的阻值分別為6Ω、20Ω、39Ω、51Ω、68Ω，測(cè)得的驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)波形如圖5.4所示。

從測(cè)試波形可以發(fā)現(xiàn)不同的驅(qū)動(dòng)電阻主要影響了SiC MOSFET模塊開(kāi)關(guān)波形的上升時(shí)間和下降時(shí)間。上升時(shí)間隨著柵極電阻的增大而變長(zhǎng)，這是因?yàn)闁?極電阻會(huì)限制柵極充放電電流，從而影響到模塊的開(kāi)關(guān)速度。柵極電阻越大，柵極的充放電電流越小，這樣使得柵極電容的充放電速率減慢，dId/dt減小，同 時(shí)抑制了SiC MOSFET的漏極電流尖峰和關(guān)斷電壓尖峰制，又延長(zhǎng)了SiC MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，增大了開(kāi)關(guān)損耗。相反，當(dāng)柵極電阻越小，會(huì)加 快SiC MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷速度，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間的減小，SiC MOSFET的開(kāi) 關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)減小。但關(guān)斷時(shí)的電流變換率dId/dt會(huì)變大，因?yàn)橛须s散電感影 響，模塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的關(guān)斷電壓尖峰，一旦電壓尖峰超過(guò)了SiC MOSFET 的額定電壓，可能會(huì)對(duì)SiC MOSFET造成擊穿而損壞。所以選擇一個(gè)合適的柵極電阻很重要，本文最終選擇使用39Ω的電阻。

5.3 SiC MOSFET模塊驅(qū)動(dòng)電壓選擇與測(cè)試

SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓的大小會(huì)影響開(kāi)關(guān)的特性，驅(qū)動(dòng)電壓太大或是太小還會(huì)使模塊擊穿。在SiC MOSFET開(kāi)通時(shí)需要一正向電壓來(lái)給柵極電容充電，當(dāng)充電電荷達(dá)到飽和時(shí)，模塊開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)通階段。而負(fù)壓的作用是用來(lái)將柵極電荷快速衰減至SiC MOSFET模塊關(guān)斷。

圖5.5為正壓VC對(duì)SiC MOSFET開(kāi)通關(guān)斷特性的影響，選取了從8V到22V正壓間的電壓來(lái)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)電壓的正壓幅值取決于柵極擊穿電壓，這款芯片的擊穿電壓在25V左右，選用較大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓有利于達(dá)到降低SiC MOSFET的通態(tài)損耗的目的。VC控制柵極充電速度、開(kāi)通速度；正壓越大，開(kāi)關(guān)速度越快，開(kāi)通時(shí)間減小。但是過(guò)大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)給SiC MOSFET模塊 在短路狀態(tài)下帶來(lái)更大的失效風(fēng)險(xiǎn)。本文最終選擇使用20V的正壓。

圖5.6為負(fù)壓VC對(duì)SiC MOSFET開(kāi)通關(guān)斷特性的影響，VE控制柵極放電速度、關(guān)斷速度；負(fù)偏壓值越小，關(guān)斷速度越快，關(guān)斷時(shí)間均減小。柵極負(fù)偏壓可以在SiC MOSFET關(guān)斷過(guò)程中提供一定的反向電流，反向電流的作用主要是將柵極儲(chǔ)存的電荷抽取，加快關(guān)斷的拖尾時(shí)間，從而降低了關(guān)斷損耗。同時(shí)柵極負(fù)偏壓還可以抑制漏極的浪涌電流。本文最終選擇使用-4V的負(fù)壓。

5.4本章小結(jié)

本章對(duì)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試同一相上下橋臂的驅(qū)動(dòng)波形，判定驅(qū)動(dòng)波形基本一致，符合要求。再實(shí)驗(yàn)分析柵極電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)和SiC MOSFET開(kāi)關(guān)特性的影響以及驅(qū)動(dòng)正壓、驅(qū)動(dòng)負(fù)壓對(duì)SiC MOSFET開(kāi)通關(guān)斷特性的影響。最后選取合適的電阻和驅(qū)動(dòng)電壓，以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)要求。

第6章總結(jié)與展望

6.1全文總結(jié)

以碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體具備高頻、高效、高功率、耐高壓、 耐高溫、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性能。本文基于SiC晶圓的電力電子模塊封裝技術(shù)背景出發(fā)，以第三代半導(dǎo)體功率器件SiC MOSFET晶圓（1200V&13mΩ）為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)SiC MOSFET電氣參數(shù)的研究，在論文中介紹了SiC MOSFET模塊的關(guān)鍵封裝技術(shù)，最后開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，具體內(nèi)容如下：

（1）根據(jù)SiC MOSFET模塊封裝技術(shù)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析對(duì)比了各優(yōu)勢(shì)及不足之處，提出了本文的主要研究重點(diǎn)。

（2）介紹了SiC MOSFET模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后解釋了動(dòng)靜態(tài) 電氣參數(shù)，并對(duì)SiC MOSFET模塊上主要材料的熱特性進(jìn)行了分析。

（3）詳細(xì)介紹了SiC MOSFET模塊封裝關(guān)鍵技術(shù)，完成了DBC設(shè)計(jì)，采用新的芯片布局方式并進(jìn)行了雜散電感參數(shù)提取，建立模塊上芯片以及鍵合線 的熱仿真模型分析，驗(yàn)證了碳化硅芯片和鋁引線的鍵合點(diǎn)是模塊最容易失效的 部位。最后對(duì)模塊進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)試。

（4）完成SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)。利用主動(dòng)米勒鉗位原理來(lái)抑制了橋臂串?dāng)_問(wèn)題，并給出驅(qū)動(dòng)電源的選擇、隔離方式的選擇以及驅(qū)動(dòng)芯片的選擇。最后在封裝SiC MOSFET模塊的基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成對(duì)驅(qū)動(dòng)板的測(cè)試并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

6.2研究展望

本文圍繞SiC MOSFET功率器件封裝技術(shù)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)展開(kāi)了研究，雖然完成了上述工作，但在模塊設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)優(yōu)化上仍有不足之處。下面幾點(diǎn)在今后能 對(duì)其繼續(xù)探究：

（1）在模塊封裝設(shè)計(jì)中，關(guān)于芯片并聯(lián)不僅要保證靜態(tài)均流，還要優(yōu)化動(dòng) 態(tài)均流，因?yàn)镾iC MOSFET開(kāi)關(guān)頻率越高，動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響更大，針對(duì)動(dòng)態(tài)均流可以更詳細(xì)分析。

（2）SiC MOSFET模塊封裝失效以及可靠性研究，實(shí)現(xiàn)封裝技術(shù)的更一步提升。

（3）SiC MOSFET橋臂電路的高頻串?dāng)_抑制方法優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低成本、更好的抑制效果。