【摘 要】
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在现代电力电子系统中,SiCMOSFET以其低开关损耗、高开关频率以及优异的温度特性正在逐步取代Si MOSFET和IGBT,成为功率器件的首选。然而,当器件运行在严重过应力等极端工况下时,其电-热行为将直接关系到整个系统的稳定性以及使用寿命,对其电-热行为的预测和失效机理的研究在优化设计、提高可靠性等方面尤为重要。本文从企业应用需求出发,为预测SiCMOSFET模块在短路工况下的电-热行为,提出
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（62174134）； 陕西省创新能力支撑项目（2021TD-25）；
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在现代电力电子系统中,SiCMOSFET以其低开关损耗、高开关频率以及优异的温度特性正在逐步取代Si MOSFET和IGBT,成为功率器件的首选。然而,当器件运行在严重过应力等极端工况下时,其电-热行为将直接关系到整个系统的稳定性以及使用寿命,对其电-热行为的预测和失效机理的研究在优化设计、提高可靠性等方面尤为重要。本文从企业应用需求出发,为预测SiCMOSFET模块在短路工况下的电-热行为,提出了一种电-热耦合联合仿真平台的建立方法,并基于该平台预测了短路工况下正常SiC MOSFET模块和两种典型老化情况下短路电流分布和结温分布情况,对多支路并联模块的均流特性及其影响因素进行了深入分析,揭示了自热效应和电热耦合效应在多物理场中的作用机理。首先,通过对模块中并联的SiC MOSFET和续流二极管失效模式和失效机理的深入研究,分析了过应力造成的芯片局部温度升高和随之带来的芯片间的电热耦合效应增强的内在因素,在此基础上进一步研究了模块的短路行为。其次,通过建立SiC MOSFET模块的结构模型,提取寄生参数,提出了一种电-热耦合联合仿真平台的建立方法,该平台将模块结构模型,短路电仿真和有限元热仿真动态结合了起来,实现了对电热耦合效应和芯片间存在的不均衡的电-热应力的预测。设计了基于MATLAB的数据通信模块,实现了电路仿真和有限元热仿真的实时数据交互。基于该平台,对一款商用模块进行了短路工况下的电-热耦合联合仿真,成功预测了正常和两种老化失效情况下的并联芯片间热分布和短路电流分布情况,对比分析了影响芯片均流特性和造成模块失效的内在因素。最后,搭建了 SiC MOSFET短路验证平台以验证联合仿真平台的有效性。经测量,仿真结果与实验结果的误差小于5%,验证了 SiC MOSFET模块均流特性电仿真结果的有效性;采用了基于电参数的结温评估方法,验证了热仿真结果的有效性。本文的研究结果对于SiC MOSFET模块的可靠性分析以及状态评估具有一定的参考意义。
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