碳化硅功率器件在宇航電源中的研究與應(yīng)用

ElectronicDesignEngineering《電子設(shè)計(jì)工程》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文在宇航電源中的研究與應(yīng)用-03-28-08-03[J/OL]．電子設(shè)計(jì)工程./kcms/detail/61.1477.TN.20220803.1209.002.html到出版要經(jīng)歷錄用定稿、排版定稿、整期匯編定稿等階指內(nèi)容已經(jīng)確定，且通過(guò)同行評(píng)議、主編終審?fù)饪玫母寮Ｅ虐娑ǜ逯镐浻枚ǜ灏凑掌诳囟ò媸?包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式)排版后的稿件，可暫不確定出版年、卷、期和頁(yè)碼。整期匯編定稿指出和《期刊出版管理規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定；學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性、科學(xué)性和先進(jìn)性，符合編應(yīng)基本符合國(guó)家有關(guān)書(shū)刊編輯、、法定計(jì)量單位及地圖標(biāo)注等。出版確認(rèn)：紙質(zhì)期刊編輯部通過(guò)與《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)》電子雜志社有限公司簽約，在《中國(guó)版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物(ISSN2096-4188，CN11-6037/Z)，所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首_____________________________________________03-28國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程(2009ZYHW0010)網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2022-08-0317:36:12網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：/kcms/detail/61.1477.TN.20220803.1209.002.html碳化硅功率器件在宇航電源中的研究與應(yīng)用；航電源已無(wú)法滿(mǎn)足小型化、輕量化、高效率和超大功率化的任務(wù)要求。以碳化硅(SiliconResearchandapplicationofSiliconCarbidepowerdevicesinaerospacepowersupplyCAOYuxiang1,ZHANGXiao2,WANGShaoning1,LIJinli1(1.SecondaryPowerDivision,LanzhouInstituteofSpaceTechnologyPhysics,LanzhouChina;2.ResearchandDevelopmentDepartment,ChinaAcademyofSpaceTechnology,BeijingAbstract：Powerdevicesareanessentialcomponentofaerospacepowersupplies.Intherapiddevelopmentofaerospacetechnology,thecurrentaerospacepowersupplycannolongermeettherequirementsofminiaturization,lightweight,highefficiency,andultra-highpower.SiliconCarbide(SiC)widebandgappowerdevicescanbeusedtoachieveoperatingfrequenciesabovemegahertz,whichwillleadtoabreakthroughinaerospacepowersupplytechnology.ThispaperreviewsthedevelopmentofSiCpowerdevices,presentsthephysicalpropertiesofSiCmaterials,andanalyzestheadvantagesandresearchstatusofSiCpowerdevices.Remarkably,thecriticalissuesthatneedtobesolvedforthematureapplicationofSiCpowerdevicesinaerospacepowersuppliesarepresented.Itisalsonotedthattheadvantagesofhighswitchingfrequencyandlowon-resistanceofSiCpowerdevicescanrealizethehighperformanceandminiaturizationofaerospacepowersupplies.Finally,thedevelopmentdirectionofSiCdevicesinthenewgenerationofaerospacepowersupplyisforeseen.電源技術(shù)從線性電源發(fā)展到開(kāi)關(guān)電源[1]，作為功率開(kāi)關(guān)管的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorT (包括MOSEFT和二極管)的廣泛應(yīng)用使開(kāi)關(guān)電源技術(shù)快速發(fā)展，至今已近五十年，率領(lǐng)域，已無(wú)法滿(mǎn)足新一代電源產(chǎn)品需求。的重要組成部分——供配電系統(tǒng)和二次電小功率電源的小型化方面目前主要依靠高密度組裝的工藝技術(shù)實(shí)容器件的體積限制了厚膜電源進(jìn)一步小型器件的功率容量和工作頻率已不能滿(mǎn)足設(shè)1SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀擇硅基絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件，目前電源的體積和重量主要受限于磁性器件和電容擇硅基絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件，目前電源的體積和重量主要受限于磁性器件和電容DDcSiC模塊半導(dǎo)體制造廠商，其于2001年半導(dǎo)體制造廠商，其于2001年率先將SiC二極管產(chǎn)品推向產(chǎn)業(yè)化，又于系列產(chǎn)品，開(kāi)始批量生產(chǎn)全SiC模塊。STMicroelectronics的SGS姆(Rohm)、英飛凌(Infineon)、意法半導(dǎo)體的一家生產(chǎn)半導(dǎo)體功率器件的上市公司，C11年開(kāi)發(fā)出業(yè)界首款全面符合認(rèn)證的SiC功率開(kāi)關(guān)的新標(biāo)桿；2012年發(fā)布了6英寸球知名半導(dǎo)體制造商，在2010年就在Thomson導(dǎo)體公司合2014年在市場(chǎng)上推2SiC功率器件的性能優(yōu)勢(shì)SiC帶半導(dǎo)體及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具C3SiC3SiC功率器件研究現(xiàn)狀究3.1.1短路特性 54320特性做了大量研究。文獻(xiàn)[5]分析了SiC320又因?yàn)槠骷谋旧砉逃袑?dǎo)通損耗與其兩端驗(yàn)證了SiCMOSFET在短路時(shí)其峰值電流的大小與SiO2/SiC在高溫的條件下界面的FETSiIGBTWithstand又因?yàn)槠骷谋旧砉逃袑?dǎo)通損耗與其兩端電壓越高，損耗越小。因此可以得出結(jié)論，SiC導(dǎo)率是Si的3bSiCMOSFET過(guò)程波形bSiCMOSFET過(guò)程波形.1.3柵極驅(qū)動(dòng)電路研究高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路能夠使得功率器在這方面做了大量的研究工作。針對(duì)SiC與SiMOSFET相比，SiC3.1.2損耗特性T6SiCMOSFET具有更小的寄生參數(shù)使SiCMOSFET驅(qū)動(dòng)電路[12-18]設(shè)計(jì)需要1)觸發(fā)脈沖有更快的上升和下降速度；3)驅(qū)動(dòng)電路要能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)6)需要注意MOS管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的7)由于短路承受時(shí)間較短，需要對(duì)短丹麥奧爾堡大學(xué)針對(duì)10kV半橋SiC會(huì)很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Si基器件。文獻(xiàn)[10]對(duì)SiCMOSFET的損耗與SiMOSFET的損耗MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形，圖4(b)為SiaSiMOSFET關(guān)過(guò)程波形LgRR()LgRR()CSiC電阻，高3.2.1封裝技術(shù)SiC和高溫下idtSiC量輻射能輸(LinearEnergyTransfer,LET)值為67.1MeVcm/mg的單粒子試驗(yàn)中，器件反壓為團(tuán)未來(lái)幾年年內(nèi)攻克SiC器件的單粒子性.2.3可靠、有效的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)SiC，短路耐3.2仍待解決的關(guān)鍵問(wèn)題3.2.2單粒子性能動(dòng)電路選擇IXYS公司的高速驅(qū)動(dòng)芯片du/dt的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)下由于米勒效應(yīng)導(dǎo)致管子不必要CC集成方法顯著地減小了功率器件與去耦電充分發(fā)揮SiC功率器件優(yōu)勢(shì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響著電源的性.3高壓功率電子調(diào)節(jié)器行波管功率放大器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中.3高壓功率電子調(diào)節(jié)器行波管功率放大器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中中供電的高壓電子功率調(diào)節(jié)器是行波管功5結(jié)論具有高耐壓、低損耗、高效率等優(yōu)異特性，式發(fā)展的基石，SiC功率器件由此將帶來(lái)宇航電源技術(shù)和產(chǎn)品的全面革社,2009.[2]沈證.硅功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展動(dòng)態(tài)與展望[R].廣州:第六屆高校電力電子與電力傳動(dòng)12.[3]康小錄,張巖,劉佳,等.大功率霍爾電推進(jìn)研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].推進(jìn)技術(shù),2019,[4]倪春曉,趙國(guó)清.空間用固態(tài)限流保護(hù)電路的小型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)空間科學(xué)技.[5]HuangX,WangG,LiY,etal.Short-circuitcapabilityof1200VSiCMOSFETandJEFTfor的應(yīng)用前景SiC器件在宇航領(lǐng)域還未SiC器件必將在電源應(yīng)用中開(kāi)電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元應(yīng)用電源處理單元(PowerProcessingUnit,空探測(cè)的超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了適用該功率變換器由兩個(gè)采用SiC功率器件的4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)大大降低航天器的有效負(fù)載能力。當(dāng)將SiC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，由[16]ZhangSK,HeGL,ZhengD,etal.ResearchonhighpowerdensitySiC-MOSFETdrivercircuit[C].22ndInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems2019.[17]HuangXJ.Researchonovercurrentdetectionandprotectionofhigh-powerSiC-MOSFETdriver[J].IEEE,2018：陸雅婷,姚文熙.基于di/dt優(yōu)化控制的SiC動(dòng)技術(shù)[J].電力電子技術(shù),DalalDNChristensenNJorgensenAB,etal..Gatedriverwithhighcommonmoderejectionandselfturn-onmitigationfora10kVSiCMOSFETenabledMVconvertor[C].EuropeanPowerElectronicsandDrivesAssociation&IEEE,2017:P1-P10.[20]王學(xué)梅.寬禁帶碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車(chē)中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),34(3):371-379.[21]RegnatG,JeanninPO,LefevreG,etal.Siliconcarbidepowerchiponchipmodulebasedonembeddeddietechnologywithparalleleddies[C].EnergyConversionCongressExpositionIEEE2015.[22]葛海波,夏昊天,孫冰冰.碳化硅功率器件的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].科技傳播,[23]曹爽.宇航用SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管[24]StockmeierT,BeckedahlP,GoblC,etal.Doublesidesinteringtechnologyfornewpackages[C].2011IEEE23rdInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs,2011.[25]劉雅琳.空間行波管高壓電源環(huán)路穩(wěn)定D學(xué)，2018.ElectronicsConferenceandExposition-Apec.IEEE3:197-200.[6]RiccioM,CastellazziA,FalcoGD,etal.Experimentalanalysisofelectro-thermalinstabilityinSiCPowerMOSFETs[J].MicroelectronicsReliability,2013,droVMagnaniARiccioMetalSPICEmodelinganddynamicelectrothermalsim