交通應用中電氣化的趨勢導致了高功率密度電力電子轉(zhuǎn)換器的快速發(fā)展。高開關(guān)頻率和高溫操作是實現(xiàn)這一目標的兩個關(guān)鍵因素。然而，這兩項要求都挑戰(zhàn)了硅（Si）基器件的基本極限。新興的寬帶隙碳化硅（SiC）功率器件已成為滿足這些要求的有前途的解決方案。有了這些先進的器件，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題。

首先，商用SiC MOSFET的高溫性能在高達200攝氏度的溫度下進行了廣泛的評估。靜態(tài)和開關(guān)特性表明，該器件在高溫下具有優(yōu)異的電氣性能。同時，器件的柵極氧化層穩(wěn)定性（SiC MOSFET通常存在的一個已知問題）也通過高溫柵極偏置和柵極開關(guān)測試進行評估。從這些測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計權(quán)衡。

為了了解器件與電路寄生效應之間的相互作用，進行了實驗參數(shù)研究，以研究雜散電感對MOSFET開關(guān)波形的影響。然后開發(fā)一個小信號模型來解釋頻域中的寄生振鈴。從這個角度，可以更容易和更深入地理解振鈴機制。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)的時域分析更直接地進一步解釋。還得出了關(guān)于電容選擇的經(jīng)驗法則。

然后使用分立式SiC MOSFET開發(fā)電力電子構(gòu)建模塊（PEBB）模塊。PEBB概念將功率級與柵極驅(qū)動和保護等外圍功能集成在一起，只需連接多個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)動和功率級布局設計，以實現(xiàn)SiC MOSFET的快速安全開關(guān)。基于PEBB平臺，還比較了最先進的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的特殊設計考慮因素。

針對高溫、高頻和高功率操作，還開發(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)廣泛的文獻調(diào)查精心挑選的。詳細討論了改進的基板布局、層壓母線和嵌入式去耦電容器的設計考慮因素，并在設計階段通過建模和仿真方法進行了驗證。在制造的模塊上演示了200°C、100 kHz的連續(xù)操作。通過與傳統(tǒng)方式設計的商用SiC相臂模塊的對比，還表明本工作提出的設計考慮因素允許引線鍵合結(jié)構(gòu)中的SiC器件的開關(guān)量是其兩倍。ST只有三分之一的寄生振鈴。

為了進一步提高SiC功率模塊的性能，開發(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行了演示。然后提出一種改進的結(jié)構(gòu)，以進一步提高設計靈活性并簡化模塊制造。采用這種結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET相臂模塊幾乎在沒有任何寄生振鈴的情況下成功達到了器件的開關(guān)速度限制。

最后，提出一種新的開關(guān)環(huán)緩沖電路，通過磁耦合抑制寄生振鈴，而不影響器件的導通或開關(guān)損耗。對這一概念進行了理論分析和實驗驗證。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。

審核編輯：劉清