交通應(yīng)用中電氣化的趨勢導(dǎo)致了高功率密度電力電子轉(zhuǎn)換器的快速發(fā)展。高開關(guān)頻率和高溫操作是實現(xiàn)這一目標(biāo)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(shè)計權(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(shè)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(shè)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(xì)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(shè)計考慮因素，并在設(shè)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(shè)計的商用SiC相臂模塊的對比，還表明本工作提出的設(shè)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(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行了演示。然后提出一種改進的結(jié)構(gòu)，以進一步提高設(shè)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(dǎo)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