相比Si-IGBT器件,Si C-MOSFET器件在高频和大功率应用领域具备优异的低损耗、高速开关、能高温运行的性能优势,因此被期待在电网输配电、轨道交通和电动汽车（EV/HEV）等行业取代Si-IGBT器件的使用。为了满足这些行业对功率变换系统更大电流等级、更高开关频率、更高转换效率和更高功率密度的紧迫需求,高密度集成碳化硅功率模块正在成为碳化硅电力电子器件的重要发展方向,高密度集成碳化硅功率模块高速开关和高频工作性能优势的充分实现成为决定其市场应用突破的关键。EV/HEV应用中低压大电流（母线电压:200-600V、负载电流:200-600A）工作条件给基于碳化硅电力电子器件的高密度集成电控系统或者电力控制单元（Power Control Unit,PCU）性能优势的充分发挥带来严峻挑战。当前碳化硅功率模块工作中开通瞬态漏源极电压(v DS)波形第一阶段下降斜率(dv DS/dt)大约5V/ns左右,为了进一步提高碳化硅功率模块高速开关性能优势,对其开关瞬态波形特征和开关速度限制因素的研究非常重要。当前碳化硅功率模块工作时开关频率一般十几千赫兹（k Hz）左右,为了充分实现碳化硅功率模块的高频工作性能优势,在保持其高速开关特性的前提下进一步提升开关频率至关重要。然而,随着开关频率的增加,碳化硅功率模块高速开关和高频工作产生的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）问题日趋严峻。由于PCU的高功率密度集成,各组件被紧密的布局在一起,碳化硅功率模块EMI噪声增加的同时,EMI噪声增强引起的近场耦合干扰问题也开始显现,因此,对碳化硅功率模块近场电磁特性及其产生机制的研究也很必要。针对EV/HEV应用中高密度集成PCU中碳化硅功率模块可能存在的上述问题,本论文设计并制作了四款碳化硅功率模块（其中1200V/400A模块3款,1200V/200A模块1款）,研究了碳化硅功率芯片、模块结构、以及工作条件等因素对其高速开关和近场电磁特性的影响机理。在高速开关特性方面,开展了影响碳化硅功率模块高速开关性能和限制开关速度增加的关键因素的研究,这些关键因素包括:低压大电流工作条件、负反馈效应、模块方案及其结构设计等。在高频工作性能方面,搭建了buck和boost电路,研究了模块近场EMI噪声的频谱特征及其在近场区域的分布规律。通过这些研究工作的开展,本论文最终揭示了低压大电流工作条件下碳化硅功率模块不同结构设计对其高速开关和近场电磁特性的影响机理,研究成果及其创新点如下:（1）针对EV/HEV应用低压大电流工作场景中增加开通速度降低模块损耗受模块开通瞬态v DS波形下降快慢制约的问题,本文基于模块的不同设计探究了低压大电流工作条件、碳化硅功率芯片和模块结构等因素对开关瞬态v DS波形的影响规律,揭示了影响模块高速开通的v DS波形平台特征的产生机制,阐明了随开通速度增加v DS波形在线性下降区尾端呈现非线性下降特征的机理。相比碳化硅功率芯片的不同,模块结构设计的不同对模块开通瞬态v DS波形特征产生了明显的影响。模块结构对v DS波形特征的影响随着母线电压降低而减弱,随着开通速度增加而增强。如果开通速度足够快,在较高母线电压条件下漏源极电压波形分阶段下降的特征将变得不明显;在较低母线电压条件下v DS下降波形将出现平台特征,且随着输出负载电流增加v DS波形下降时的平台特征会更加明显。开通瞬态v DS波形的平台特征阻止了v DS波形的快速下降,导致在EV/HEV应用中通过增加开关速度来降低碳化硅功率模块损耗受到制约。在低压大电流工作条件下,当碳化硅功率模块开通速度较高(比如di DS/dt高于2.64A/ns)时v DS波形下降第一阶段（τ1（on））和栅源极电压(vgs)波形米勒平台对应时间段重合,在这个重合时间段内vgs波形米勒平台效应能够被反映到v DS波形上形成平台特征;当开通速度较低时栅vgs波形米勒平台对应时间段出现在τ1（on）时间段之后且两者彼此分离,v DS波形无法形成平台特征。在高压（高母线电压）和高开通速度工作条件下缩短的τ1（on）和后延的米勒平台导致vgs波形米勒平台对应时间段和τ1（on）时间段彼此分离,v DS波形上不仅无法形成平台特征,还使得v DS波形分阶段下降的特征变得不明显。开通瞬态模块上桥v DS波形平台高于下桥的现象归结于模块内部上桥漏-源极路径和功率主回路的共用路径不同于下桥漏-源极路径和功率主回路的共用路径,且上桥共用路径的寄生电感高于下桥。本文的研究也暗示了降低62mm标准外形功率模块上桥漏-源极路径和功率主回路共用路径的寄生电感可减小上下桥v DS波形平台特征的差异。本文的研究还进一步阐明了开通瞬态v DS波形随开通速度增加在其线性下降区尾端呈现非线性下降波形特征的产生机理。随着开通速度增加,以栅源极电压(vgs)表达式作为解的二次方程式所对应的判别式的极性由正变负,相应的,模块在τ1（on）阶段v DS波形下降斜率(dv DS/dt)的解析表达式也发生了彻底的改变,结果其在接近τ1（on）阶段终点时由一个常量改变成了一个变量,该变量在接近τ1（on）阶段终点出现的快速减小导致了v DS波形在线性下降区尾端呈现非线性下降波形特征。（2）针对负反馈效应对碳化硅功率模块高速开关特性的影响,本文设计了不同的共源路径方案及其模块结构;搭建了米勒电容和共源电感负反馈的等效电路模型;通过开通瞬态特性的仿真、解析建模分析和实验开展负反馈机理研究;揭示了最小化共源路径模块上下桥vgs波形不同特征负电压尖峰的产生机制;提炼了模块开通瞬态最大电流变化率(di DS/dt)的定量约束条件;提出的最小化共源路径设计方法显著提升了模块允许的最高开关速度。针对最小化共源路径碳化硅功率模块因米勒电容负反馈产生的上桥vgs波形负电压尖峰特征不同于下桥的现象(上桥vgs波形负电压尖峰中叠加了一个83.3MHz的高频振荡而下桥vgs波形则无高频振荡叠加),本文将开通瞬态米勒电容的负反馈等效成由漏-源极功率主回路注入到栅-源极回路的一个短时脉冲电流源(i D→G),模块上下桥栅-源极路径布局方案及其结构设计的不同导致上桥米勒电容负反馈所对应的等效电路拓扑结构不同于下桥,在模块上桥等效电路拓扑结构中i D→G与由寄生电感和栅源极驱动回路总电阻组成的串联支路并联后再和寄生电容构成串联回路;而在模块下桥等效电路拓扑结构中i D→G与栅源极驱动回路总电阻并联后再和寄生电感和寄生电容构成串联回路。本文提出的等效电路模型揭示了模块上桥vgs波形过低负电压尖峰特征不同下桥的产生机制。本文对碳化硅功率模块开通瞬态v DS波形的下降过程进行解析建模,对模块共源路径和米勒电容在开通瞬态的负反馈进行解析建模和仿真计算,通过对实验和解析仿真计算结果的对比分析,揭示了碳化硅功率模块共源路径结构设计不同对其开通瞬态允许的最高开通速度(di DS/dt)的影响规律。对于最小化共源路径设计的模块,随着开通速度增加,模块v DS波形下降第一阶段（τ1（on））的下降斜率快速增加,当模块v DS波形在第一阶段的下降斜率增加到约等于第二阶段（τ2（on））的下降斜率时,即v DS波形两阶段下降特征改变成近似单一阶段下降特征时,模块vgs波形将出现过低负电压尖峰特征,模块开通速度(di DS/dt)的继续增加受到明显的限制;然而,对于含有额外共源路径设计的模块,其v DS波形在τ1（on）阶段的下降斜率远低于τ2（on）阶段的下降斜率时,模块vgs波形就出现负电压尖峰特征,di DS/dt的继续增加就被限制。经实验验证,本文提出的最小化共源路径优化设计将模块开通时允许的最高di DS/dt提升了50%以上。（3）针对EMI噪声随开关速度和开关频率增加而升高,以及PCU高密度集成引起EMI噪声近场耦合失效的问题,本文揭示了碳化硅功率模块近场EMI噪声频谱及其在近场区域的分布规律;阐明了碳化硅功率模块结构设计对其近场电磁特性的影响机理;提出的最小化共源路径方案明显改善模块的近场电磁特性,提出的基于最小化共源路径方案的高对称性栅-源极路径结构设计明显降低了模块在buck电路工作中产生的高频段噪声。碳化硅功率模块近场EMI噪声按频率可被分为两类,30-120MHz的近场EMI噪声为低频段噪声（LFR）,主要分布于模块漏源极功率电极所对应的近场区域,由模块内部漏-源极路径和模块功率电极构成的天线结构产生,开关瞬态漏源极电流变化特征对该频段的近场EMI噪声影响较大;而120-500MHz的近场EMI噪声为高频段噪声（HFR）,主要分布于模块栅源极信号端子所对应的近场区域,由模块内部栅-源极路径和模块栅源极信号端子构成的天线结构产生,开关瞬态栅源极电压变化特征对该频段的近场EMI噪声影响较大。模块内部结构栅-源极路径和漏-源极路径彼此被分隔开的最小化共源路径设计方案可以明显改善模块的近场电磁特性,消除模块在500-900MHz频率带的异常EMI噪声。提高并联芯片栅-源极路径的均一性可以降低模块的HFR,提高并联芯片漏-源极路径的均一性可以降低模块的LFR。相比最小化共源路径设计方案,本文提出的基于最小化共源路径方案的高对称性栅-源路径结构设计将模块上桥内部并联芯片栅-源极路径均一性提高了27.10%,在开关频率为10k Hz和100k Hz的buck电路中工作时基于最小化共源路径方案的高对称性栅-源路径结构设计将模块的HFR分别降低了8.25%和11.07%。本论文的研究成果为充分发挥碳化硅功率模块高速开关和高频性能优势提供了有益的理论基础和实践借鉴,为碳化硅功率模块的设计及其与EV/HEV的高功率密度集成PCU的协同化设计提供了新的思路。