交通應(yīng)用中電氣化的趨勢(shì)導(dǎo)致了高功率密度電力電子轉(zhuǎn)換器的快速發(fā)展。高開(kāi)關(guān)頻率和高溫操作是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。然而，這兩項(xiàng)要求都挑戰(zhàn)了硅（Si）基器件的基本極限。新興的寬帶隙碳化硅（SiC）功率器件已成為滿(mǎn)足這些要求的有前途的解決方案。有了這些先進(jìn)的器件，技術(shù)障礙現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到兼容的集成技術(shù)上，該技術(shù)可以在高功率密度轉(zhuǎn)換器中充分利用器件功能。存在許多挑戰(zhàn)，本論文探討了一些最重要的問(wèn)題。

首先，商用SiC MOSFET的高溫性能在高達(dá)200攝氏度的溫度下進(jìn)行了廣泛的評(píng)估。靜態(tài)和開(kāi)關(guān)特性表明，該器件在高溫下具有優(yōu)異的電氣性能。同時(shí)，器件的柵極氧化層穩(wěn)定性（SiC MOSFET通常存在的一個(gè)已知問(wèn)題）也通過(guò)高溫柵極偏置和柵極開(kāi)關(guān)測(cè)試進(jìn)行評(píng)估。從這些測(cè)試中觀察到器件劣化，并得出結(jié)論，SiC MOSFET的性能和可靠性之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡。

為了了解器件與電路寄生效應(yīng)之間的相互作用，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)參數(shù)研究，以研究雜散電感對(duì)MOSFET開(kāi)關(guān)波形的影響。然后開(kāi)發(fā)一個(gè)小信號(hào)模型來(lái)解釋頻域中的寄生振鈴。從這個(gè)角度，可以更容易和更深入地理解振鈴機(jī)制。使用該模型，直流去耦電容在抑制振鈴方面的影響可以比傳統(tǒng)的時(shí)域分析更直接地進(jìn)一步解釋。還得出了關(guān)于電容選擇的經(jīng)驗(yàn)法則。

然后使用分立式SiC MOSFET開(kāi)發(fā)電力電子構(gòu)建模塊（PEBB）模塊。PEBB概念將功率級(jí)與柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)等外圍功能集成在一起，只需連接多個(gè)PEBB模塊即可快速可靠地構(gòu)建轉(zhuǎn)換器。提出了高速柵極驅(qū)動(dòng)和功率級(jí)布局設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET的快速安全開(kāi)關(guān)?；赑EBB平臺(tái)，還比較了最先進(jìn)的Si和SiC功率MOSFET在高頻轉(zhuǎn)換器中的器件特性、溫度影響和損耗分布，從而可以得出SiC MOSFET的特殊設(shè)計(jì)考慮因素。

針對(duì)高溫、高頻和高功率操作，還開(kāi)發(fā)了采用SiC MOSFET裸骰子的集成引線鍵合相臂模塊。高溫包裝材料是根據(jù)廣泛的文獻(xiàn)調(diào)查精心挑選的。詳細(xì)討論了改進(jìn)的基板布局、層壓母線和嵌入式去耦電容器的設(shè)計(jì)考慮因素，并在設(shè)計(jì)階段通過(guò)建模和仿真方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在制造的模塊上演示了200°C、100 kHz的連續(xù)操作。通過(guò)與傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的商用SiC相臂模塊的對(duì)比，還表明本工作提出的設(shè)計(jì)考慮因素允許引線鍵合結(jié)構(gòu)中的SiC器件的開(kāi)關(guān)量是其兩倍。ST只有三分之一的寄生振鈴。

為了進(jìn)一步提高SiC功率模塊的性能，開(kāi)發(fā)了一種新型混合封裝技術(shù)，該技術(shù)將平面模塊的小寄生效應(yīng)和占位面積與引線鍵合模塊的易于制造相結(jié)合。最初的概念在帶有SiC JFET的高溫整流器模塊上進(jìn)行了演示。然后提出一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)靈活性并簡(jiǎn)化模塊制造。采用這種結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET相臂模塊幾乎在沒(méi)有任何寄生振鈴的情況下成功達(dá)到了器件的開(kāi)關(guān)速度限制。

最后，提出一種新的開(kāi)關(guān)環(huán)緩沖電路，通過(guò)磁耦合抑制寄生振鈴，而不影響器件的導(dǎo)通或開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)這一概念進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。介紹了這種電路與電源模塊的初始集成，并提出了可能的改進(jìn)。

審核編輯：劉清