謝昊天，秦海鴻，董耀文，徐華娟，付大豐，嚴(yán)仰光

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京211106）

耐高溫變換器研究進(jìn)展及綜述

謝昊天，秦海鴻，董耀文，徐華娟，付大豐，嚴(yán)仰光

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京211106）

耐高溫變換器在多電飛機(jī)、電動汽車和石油鉆井等惡劣環(huán)境中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。碳化硅功率器件具有高結(jié)溫工作能力、較低損耗以及良好的溫度穩(wěn)定性，有利于實(shí)現(xiàn)耐高溫變換器。首先簡要闡述了耐高溫變換器的應(yīng)用領(lǐng)域和SiC基耐高溫變換器各組成部分的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，再介紹了SiC基耐高溫變換器應(yīng)用實(shí)例，最后探討了SiC基耐高溫變換器的關(guān)鍵問題和發(fā)展前景。

碳化硅（SiC）；耐高溫變換器；極寬溫度范圍；新型封裝

引言

電力電子變換器廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，其中有些應(yīng)用場合，如石油鉆井、多電飛機(jī)和電動汽車等惡劣環(huán)境中的最高工作溫度超過200℃，最低溫度低于零度或更低溫度（如-55℃）。在地?zé)崮荛_發(fā)領(lǐng)域的工作溫度甚至高達(dá)300℃及300℃以上，其工作溫度在極寬溫度范圍變化［1-2］。耐高溫變換器在這些應(yīng)用場合中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

在現(xiàn)代石油鉆井、勘探及生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域中，用于采集數(shù)據(jù)的電力電子元器件是不可缺少的。采集的數(shù)據(jù)包括深度和航向、γ射線、壓力、溫度、振動、轉(zhuǎn)速及其他影響因素。石油開采時(shí)采集地表深處的數(shù)據(jù)十分重要，但最大挑戰(zhàn)是電子器件要承受地表深處的高溫環(huán)境。地?zé)崮荛_發(fā)也面臨同樣的挑戰(zhàn)，環(huán)境溫度更高，其問題更嚴(yán)峻。為使電力電子變換器能在更高環(huán)境溫度下使用，往往要采用以下兩種方法，一是將低溫（125℃）器件進(jìn)行檢測與篩選。這是由于在較高溫度環(huán)境工作會導(dǎo)致可靠性降低，元器件或PCB板在工作一段有限的時(shí)間后需要更換。二是用“熱瓶”的方式將電子元器件隔離，這兩種方式在使用時(shí)間與溫度方面均有限制。

多電飛機(jī)是先進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展方向，機(jī)載用電設(shè)備的類型和數(shù)量將大幅增加。航空二次電源是多電飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要組成部分，其工作環(huán)境惡劣，對重量、體積、效率和可靠性等性能都有極其苛刻的要求。如圖1所示為多電飛機(jī)電源系統(tǒng)各組成部分［3］的示意。多電飛機(jī)旨在采用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的集中式發(fā)動機(jī)控制器，縮短電機(jī)和控制電路之間的連接線，以減少了引線互連復(fù)雜程度，增加系統(tǒng)可靠工作能力，減輕飛機(jī)體積及重量。但是，多電飛機(jī)二次電源的控制電路將更靠近發(fā)電機(jī)，處于-55~＋200℃的工作環(huán)境。這會增加冷卻系統(tǒng)的工作要求，一方面增加多電飛機(jī)的體積與重量，另一方面，冷卻系統(tǒng)失效也會導(dǎo)致控制核心系統(tǒng)的電路失效，影響多電飛機(jī)的可靠性［3］。

圖1　多電飛機(jī)電源系統(tǒng)各組成部分Fig.1　Components of more electric aircraft power system

電動汽車是耐高溫變換器的另一新興應(yīng)用。電動汽車正從單純的機(jī)械和液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機(jī)電一體化系統(tǒng)，這就要求定位傳感器、信號調(diào)理及控制電路靠近熱源。各車載電子部件隨工作時(shí)間的溫度變化如圖2所示，機(jī)電一體化系統(tǒng)集成度更高，能簡化電動汽車的制造、裝配及維修。電動汽車要求電力電子變換器能夠承受高溫工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更高功率密度的電機(jī)控制和充電電路［4］。

電力電子變換器廣泛應(yīng)用于航空、電動汽車、工業(yè)設(shè)備和家用電器等眾多領(lǐng)域，其普遍發(fā)展趨勢是如何進(jìn)行高效率的功率變換和如何實(shí)現(xiàn)更高的功率密度或功能密度［1］。新一代電力電子變換器面臨著很大的挑戰(zhàn)，要求其具有更高效率、更高功率密度和在高溫環(huán)境下可靠工作［2-3］。電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，器件的性能對整個(gè)電力電子裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能有著重要的影響。目前，電力電子變換器中普通采用Si基功率器件，然而Si電力電子器件經(jīng)過近60年的長足發(fā)展，性能已經(jīng)趨近其理論極限，通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以大幅度提升其總體性能，不能滿足下一代電力電子變換器高溫、高壓、高頻、高效和高功率密度的要求，逐漸成為制約未來電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一［2］?；谛滦蛯捊麕О雽?dǎo)體材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能，與傳統(tǒng)Si器件相比，SiC器件具有明顯性能優(yōu)勢：SiC器件結(jié)溫較高，結(jié)合可靠封裝，能承受更高溫升；SiC器件通態(tài)損耗和開關(guān)損耗??；SiC器件溫度穩(wěn)定性好等。實(shí)現(xiàn)耐高溫變換器的研制需要充分發(fā)揮SiC器件結(jié)溫較高的優(yōu)勢［5］。

本文分析了耐高溫變換器各組成單元的技術(shù)現(xiàn)狀，闡述了SiC基高溫變換器樣機(jī)實(shí)例，對SiC功率器件用于耐高溫變換器的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，最后對SiC基耐高溫變換器的發(fā)展前景提出展望。

圖2　電動汽車各典型部分溫度范圍Fig.2　Temperature range of typical components of hybrid electrical vehicle

1　耐高溫變換器組成單元的研究現(xiàn)狀

目前電力電子變換器主要是基于Si器件制成的，Si器件最高結(jié)溫能力一般只有150℃。受Si功率器件結(jié)溫能力的限制，即使采用軍品級的元器件，現(xiàn)有電力電子變換器也很難耐受200℃以上的環(huán)境溫度。新型SiC基分立器件電流定額較小，通常在變換器中采用SiC功率模塊。SiC功率模塊的封裝技術(shù)成為制約其高溫工作能力的關(guān)鍵［6］。

典型變換器中除了功率開關(guān)器件外，還包括控制電路、IC電路、無源元件、PCB板、焊接材料及連接件等部件，也必須滿足高溫惡劣環(huán)境的工作要求。若將現(xiàn)有Si基變換器中的功能部件用于高溫惡劣環(huán)境中，其工作溫度將超過該器件的耐溫范圍，導(dǎo)致元器件參數(shù)發(fā)生較大偏差，提前老化，甚至直接損壞，耐高溫變換器也難以正常、可靠工作［7-8］。

1.1SiC基功率器件

SiC功率器件管芯結(jié)溫最高可達(dá)600℃，其實(shí)際高溫工作能力主要受限于封裝技術(shù)。在目前的封裝技術(shù)下SiC功率器件結(jié)溫最高可達(dá)225℃，在高溫工作環(huán)境下可以穩(wěn)定工作，其優(yōu)異性能為實(shí)現(xiàn)耐高溫變換器提供了有利條件。SiC功率模塊的封裝主要由基底、底座、連接件等部分組成，圖3為SiC功率模塊結(jié)構(gòu)的橫截面［9］。

圖3　SiC功率模塊傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)截面Fig.3　Cross section of conventional structure for SiC power module

1.1.1基底

用于功率模塊基底的材料要求具有與功率器件封裝相近的熱膨脹系數(shù)CTE（coefficient of thermal expansion）、較好的導(dǎo)熱特性、機(jī)械強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度［10］。4種典型的陶瓷材料分別為Al2O3、BeO、AlN 及Si3N4，可作為功率模塊基底的選擇材料。表1為5種陶瓷基底材料的熱機(jī)械特性參數(shù)。因SiC材料的熱膨脹系數(shù)約為4~6 ppm/℃，采用與其熱膨脹系數(shù)相近的AlN做基底，能夠大幅減小因熱膨脹而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，提高功率模塊封裝的可靠性。AlN材料熱導(dǎo)率高，有利于提高功率模塊的散熱能力，以AlN材料為基底的SiC模塊能夠承受超過250℃高溫環(huán)境［11］，是用于SiC功率模塊基底的最優(yōu)材料之一。

表1　基底材料熱機(jī)械特性Tab.1　Thermal mechanical characteristics of materials for substrate

1.1.2底座

功率模塊的底座是基礎(chǔ)及核心，能夠提供結(jié)構(gòu)性的支撐以及熱傳導(dǎo)功能［12］。底座材料需要具有較高的熱導(dǎo)率以及與連接部件 （特別是功率器件基底）相近的熱膨脹系數(shù)。表2為幾種耐高溫功率模塊底座材料的熱機(jī)械特性。對比表1可知，Cu、Al等金屬材料熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于底座材料AlN；CuMo等復(fù)合金屬材料MMC（metal matrix composites）的熱膨脹系數(shù)較小，與AlN相近，且其熱導(dǎo)率較高，適合散熱，適用于SiC功率模塊的底座材料。采用復(fù)合金屬材料作為底座的SiC功率模塊能夠承受超過250℃的高溫工作環(huán)境［13］。

表2　底座材料熱機(jī)械特性Tab.2　Thermal mechanical characteristics of materials for base plate

1.1.3模具及基底連接

含鉛焊料含5%錫和10%錫的鉛焊料，熔點(diǎn)約為305℃和310℃，由于其性能優(yōu)異被廣泛應(yīng)用。但鉛對環(huán)境和人體健康的負(fù)面影響，迫使發(fā)展無鉛焊料。焊接材料應(yīng)選用熔沸點(diǎn)較高、熱導(dǎo)率較高、導(dǎo)電能力較強(qiáng)的材料，且盡可能采用無鉛焊料以滿足Rohs標(biāo)準(zhǔn)。表3為金屬連接中的焊接材料特性參數(shù)。從表3中可知Au20，Sn80為一種適用于耐高溫變換器的焊接材料［14］。

表3　焊接材料熱機(jī)械特性Tab.3　Thermal mechanical characteristics of materials for die attach

1.2SOI集成芯片

傳統(tǒng)Si基變換器采用Si基高速集成芯片，但其允許的最大結(jié)溫通常低于150℃，能夠承受的工作溫度遠(yuǎn)低于150℃。而采用高溫絕緣硅技術(shù)（hightemperature Si-on-insulator）的驅(qū)動集成芯片能承受超過225℃的工作溫度［15］。目前，結(jié)合耐高溫絕緣硅SOI（silicon on insulation）技術(shù)的SiC功率模塊能夠在250℃高溫環(huán)境下工作，采用耐高溫絕緣硅SOI （silicon on insulator）集成驅(qū)動芯片的Si基變換器已具備200℃高溫工作能力，基于高溫SOI技術(shù)的驅(qū)動集成芯片具有很多Si基集成芯片無法達(dá)到的優(yōu)異特性，不僅能夠降低Si功率器件基底中的漏電流，增強(qiáng)其高溫工作能力；而且在高溫環(huán)境下特性更好、更穩(wěn)定［16］。

基于以上耐高溫驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要求，Cissoid公司及APEI公司研制集成化包括信號隔離、功率隔離及去飽和保護(hù)電路的耐高溫驅(qū)動電路。該驅(qū)動電路控制芯片采用CHT-THEMIS及驅(qū)動芯片采用CHT-ATLAS，分別用于驅(qū)動上下橋臂1 200 V SiC MOSFET CMF20120D；驅(qū)動電路較為靠近SiC功率器件（理想情況為集成在模塊內(nèi)），減少驅(qū)動電路與功率芯片的引線長度，降低柵極寄生電感，可實(shí)現(xiàn)高速開通、關(guān)斷［17］。

圖4　耐高溫C0G與X7R電容隨溫度變化特性曲線Fig.4　Value of high temperature capacitance C0G and X7R as a function of temperature

1.3無源元件

耐高溫變換器中的無源元件包括電容、電阻及磁性元件。不僅要考慮這些在寬工作溫度應(yīng)用的無源元件要能耐受200℃的高溫環(huán)境，還要考慮到溫度變化帶來的參數(shù)漂移和降額問題［18］。

以C0G和X7R兩種耐高溫陶瓷電容為例［19］，分析其在寬溫度范圍內(nèi)電容容值及耐壓等級的變化。圖4給出了高溫C0G電容和X7R電容高達(dá)250℃時(shí)的容值隨溫度變化曲線。由圖可見，C0G電容容值表現(xiàn)出極好的溫度穩(wěn)定性，在-55~+250℃寬溫度范圍內(nèi)，C0G電容容值因溫度升高產(chǎn)生的變化小于1%；而相同規(guī)格的X7R電容，125℃時(shí)的容值比25℃時(shí)降低15%，溫度高于125℃后容值直線下降，當(dāng)溫度為250℃時(shí)，容值降低為25℃的58%。因此，C0G電容比X7R電容在寬溫度范圍內(nèi)具有更加穩(wěn)定的電氣特性。

此外，C0G電容其絕緣電阻也較高。以062-274-50 V型C0G電容為例，25℃時(shí)其絕緣電阻為185-100 V型X7R電容的18倍；在200℃時(shí)C0G電容器的絕緣電阻為3 G贅，而X7R電容器的絕緣電阻僅為210 k贅。相比X7R電容器，C0G耐高溫電容器的可靠性大幅提高。

綜上所述，C0G電容具有非常穩(wěn)定的容值，幾乎不隨工作溫度和工作電壓變化，具有高絕緣電阻和低ESR。因此，采用高溫C0G技術(shù)研制的表貼式耐高溫陶瓷電容適用于200℃的耐高溫變換器中。

耐高溫變換器中的磁性元件通常用于隔離變壓器或制成電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流檢測功能。在選擇磁性材料時(shí)，其居里溫度TC應(yīng)高于工作溫度，且具有較高的飽和磁通密度和磁導(dǎo)率。理想磁性元件的矯頑力為零，但實(shí)際電流傳感器磁性材料的剩磁及矯頑力使檢測電流產(chǎn)生誤差，需要消除矯頑力對檢測電流的影響。此外，磁性材料B~H曲線隨溫度發(fā)生漂移，使檢測電流受溫度影響較大，故需要對檢測電流進(jìn)行溫度差異的補(bǔ)償［20］。

1.4PCB板

印制電路板（PCB）材料的選擇所需考慮的關(guān)鍵因素是玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg［21］?；趥鹘y(tǒng)Si器件的電力電子變換器，其PCB所用材料為FR-4，Tg約為150℃。當(dāng)溫度升高超過Tg時(shí)，印制電路板將變?yōu)橄鹉z狀態(tài)，其伸縮模量減小，抗張力增加，機(jī)械特性將變得較差。一些高溫場合應(yīng)用的印制電路板采用高溫FR-4材料，其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg能夠達(dá)到150℃。除FR-4材料以外，印制電路板還可用聚酰亞胺和碳?xì)浠衔镏瞥?，基于聚酰亞胺材料和基于一些碳?xì)浠衔锏挠≈齐娐钒宓腡g高達(dá)260℃［22］，若印制電路板采用這兩種材料制成，則能夠滿足200℃高溫工作環(huán)境的需求。

1.5散熱器

基于Si功率器件的變換器常采用銅或鋁材料作為其散熱器材料，散熱器材料設(shè)計(jì)主要考慮的因素是傳熱性能、導(dǎo)電能力及密度。近年來，金屬基復(fù)合材料MMC被用于散熱器底平面材料［23］，由于MMC能提供很好的熱導(dǎo)率，且具有與功率器件基底相匹配的熱膨脹系數(shù)CTE的優(yōu)勢，有利于在寬溫度范圍內(nèi)減小與功率器件基底之間因熱膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，能夠大幅提高可靠性［24］。

2　耐高溫變換器應(yīng)用實(shí)例

SiC器件的優(yōu)異性能為實(shí)現(xiàn)高溫變換器創(chuàng)造了有利條件。隨著SiC器件的商業(yè)化發(fā)展及成熟應(yīng)用，基于SiC功率器件的高溫變換器在多電飛機(jī)及電動汽車等應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.14 kW SiC基耐高溫電機(jī)驅(qū)動器

將SiC功率器件應(yīng)用于電力電子變換器中，可獲得耐高溫工作能力，降低散熱要求，降低整機(jī)體積和重量。文獻(xiàn)［25］中APEI（arkansas power electronics international）公司采用SiC多層功率模塊MCPM（multichip power module）實(shí)現(xiàn)了4 kW電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)。結(jié)合高溫電力電子器件及高溫封裝技術(shù)，充分利用SiC器件的耐高溫工作能力。集成型的高溫功率模塊寄生參數(shù)較小，能夠承受高速開關(guān)行為。SiC基耐高溫電機(jī)驅(qū)動器采用兩種關(guān)鍵技術(shù)，集成SiC JFET的MCPM和應(yīng)用絕緣硅SOI封裝技術(shù)的控制電路。圖5為高溫電機(jī)控制電路［26］，其工作結(jié)溫為250℃，可以擴(kuò)展為基于絕緣硅技術(shù)的控制器件及SiC JFET控制電路，如圖6所示。

圖5　結(jié)溫250℃的三相電機(jī)控制板Fig.5　3-phase motor control prototype with junction temperature 250℃

圖6　基于耐高溫SOI技術(shù)的控制器件及SiC JFET控制電路［26］Fig.6　Control circuits based on high temperature SOI technology for SiC JFET

電機(jī)驅(qū)動器控制電路的核心是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的SOI高溫MOS HT83C51，它是一款高溫微型控制器，其主要元件為晶振、穩(wěn)壓器及其他寄存器件。晶振工作頻率為16 MHz，穩(wěn)壓器將5 V電壓調(diào)節(jié)至 12~15 V輸出，寄存器采用 32 kB外置RAM（HT6256）。微型控制器的輸出電壓和電流等級不足于驅(qū)動功率模塊的開關(guān)，輸出電壓需要經(jīng)過放大回路，才能完成驅(qū)動過程。高溫變換器的放大回路由高溫運(yùn)放等電力電子器件及高溫?zé)o源元件構(gòu)成，該模塊采用APEI設(shè)計(jì)的高壓變壓器，實(shí)現(xiàn)高壓功率級與低壓數(shù)字控制電路的隔離。所設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動電路能夠驅(qū)動包括SiC MOSFET、SiC JFET以及SiC BJT在內(nèi)的多種SiC功率器件。

圖7　SiC JFET功率模塊拓?fù)銯ig.7　SiC JFET power module prototype

該電機(jī)驅(qū)動器的每一相均采用全橋電路，如圖8所示，上、下橋臂分別使用4個(gè)常斷型SiC JFET并反向并聯(lián)4個(gè)SiC肖特基二極管。該變換器基板采用AlN材料，基板上使用的散熱片為熱膨脹系數(shù)相近的AlSiC材料。在多層聚酰亞胺PCB上使用SOI器件及無源元件形成控制電路。該功率模塊在保證耐高溫工作能力的前提下，實(shí)現(xiàn)變換器體積及重量的減小及功率、效率、功能及可靠性方面的提升。

圖8　不加散熱器的單相多層芯片功率模塊［26］Fig.8　Single-phase MCPM inverter module without heatsink

圖9　高溫三相AC/DC變換器［27］Fig.9　High temperature three-phase AC/DC converter

2.21.4 kW SiC基耐高溫AC/DC變換器

以變頻交流為主電源的多電飛機(jī)電源系統(tǒng)中，需將115 V交流電轉(zhuǎn)換為270 V高壓直流電源。圖9為一款應(yīng)用SiC JFET制作的額定功率1.4 kW的三相AC/DC變換器［27］，該變換器能夠得到應(yīng)用于多電飛機(jī)的±270 V直流母線電壓。電源模塊由7 個(gè)SiC肖特基二極管和1個(gè)常開型SiC JFET組成，其中前6個(gè)二極管構(gòu)成整流橋前級，另一個(gè)二極管和SiC JFET構(gòu)成后級boost PFC升壓電路。由于SiC功率器件具有低損耗、高結(jié)溫及高速開關(guān)等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于整流電路中，能夠確保變換器在200℃以上的惡劣環(huán)境中可靠工作。這種基于SiC功率器件的高溫變換器能夠提高效率，簡化散熱系統(tǒng)，減小無源元件的體積重量，故能獲得更高的功率密度。

高溫變換器應(yīng)用通常將SiC功率器件集成在SiC功率模塊中，并采用平面封裝結(jié)構(gòu)［28］。從圖10中可以看出，功率模塊中存在影響功率器件開關(guān)特性的寄生電感。平面封裝結(jié)構(gòu)的SiC功率模塊如圖11所示，與傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的SiC功率模塊相比，體積更小，具有較小的寄生參數(shù)、靈活線路布局和雙面冷卻能力等優(yōu)勢［28］。

圖10　SiC功率模塊寄生參數(shù)Fig.10　Parasitic inductances in SiC power module

圖11　平面封裝結(jié)構(gòu)SiC功率模塊［28］Fig.11　Planar structure packaging for SiC power module

基于1.4 kW SiC AC/DC變換器樣機(jī)分別對引線結(jié)構(gòu)及平面結(jié)構(gòu)的SiC功率模塊開關(guān)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，測試條件為輸入電壓AC 100 V，輸出電壓為DC 270 V。相比引線結(jié)構(gòu)的SiC功率模塊，采用平面封裝結(jié)構(gòu)能夠減小約14 nH的功率模塊內(nèi)部寄生電感，使SiC JFET漏源極電壓尖峰從295.7 V降低到279 V。因此，平面封裝結(jié)構(gòu)的SiC功率模塊具有高速開關(guān)能力，其開通損耗及關(guān)斷損耗進(jìn)一步降低［18］。

圖12　AC/DC變換器各檢測點(diǎn)溫度Fig.12　Monitored temperature for AC/DC converter

圖12為所有測試點(diǎn)的測試溫度，由圖可見，柵極電阻和穩(wěn)壓器溫升較為明顯，但所有檢測點(diǎn)的溫度均未超過環(huán)境溫度10℃以上，說明該耐高溫AC/ DC變換器具有較低的功率損耗及優(yōu)異散熱能力。其測試結(jié)果如圖13所示。

圖13　AC/DC變換器功率測試結(jié)果Fig.13　Continuous power test results for AC/DC converter

由圖13可見，AC/DC變換器功率測試結(jié)果所示的，平面結(jié)構(gòu)功率模塊滿足250℃結(jié)溫的要求［18］。與傳統(tǒng)引線封裝結(jié)構(gòu)相比，平面結(jié)構(gòu)將有更小的體積和更小的寄生效應(yīng)。使器件的損耗和電壓應(yīng)力減小。因此，高溫碳化硅應(yīng)用更適合采用平面封裝結(jié)構(gòu)。此外，平面功率模塊的3D引線結(jié)構(gòu)將提供更靈活的布線。

3　耐高溫變換器存在的問題

3.1耐高溫驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路作為控制電路和功率器件之間的重要接口，決定著器件性能的發(fā)揮。盡管碳化硅器件具有高速開關(guān)能力，但需要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路使其充分發(fā)揮高速開關(guān)能力。因此，SiC耐高溫驅(qū)動電路不能沿用基于傳統(tǒng)Si器件的驅(qū)動電路。由于相近定額的碳化硅器件寄生電容比硅器件低得多，為了不使驅(qū)動電路受到高溫的影響，提出要折衷考慮布局限制和碳化硅器件的高速開關(guān)工作，使得驅(qū)動電路離功率器件一段距離，這就會人為增大柵極回路，引入更大的寄生參數(shù)，削弱了碳化硅器件實(shí)際應(yīng)用中的高速開關(guān)能力［27］。

雖然SiC器件能夠?qū)崿F(xiàn)耐高溫變換器，但在高溫電路設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)降額現(xiàn)象。經(jīng)測試，與原先1 200 V SiC MOSFET在200℃時(shí)開啟閾值電壓降低為25℃常溫的2/3，通態(tài)電阻增加為原先的2~3倍。這樣的降額現(xiàn)象對于SiC器件應(yīng)用于高溫領(lǐng)域是不利的。首先，通態(tài)電阻增加使SiC器件通態(tài)損耗進(jìn)一步增加，降低變換器效率，且增加散熱需求。由于SiC器件通態(tài)電阻隨柵極電壓增加而降低，故將柵極正壓增加至20 V以補(bǔ)償溫度升高導(dǎo)致通態(tài)電阻的增加。其次，開啟閾值電壓降低，使橋臂電路更易發(fā)生橋臂串?dāng)_現(xiàn)象，為克服在高溫應(yīng)用領(lǐng)域開啟閾值電壓降低的缺陷，除了進(jìn)一步增加負(fù)壓關(guān)斷信號，如調(diào)整驅(qū)動電壓為-5~＋20V，以增加其至開啟閾值電壓之間的裕量以外，還需設(shè)計(jì)橋臂串?dāng)_抑制電路，如有源密勒箝位電路等［29］。

文獻(xiàn)［15］提出采用變壓器隔離及模擬驅(qū)動放大電路組成耐高溫驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路的優(yōu)勢是采用隔離變壓器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路與控制電路的隔離，控制電路能夠在常溫環(huán)境中工作，無需使用耐高溫控制集成IC。但是驅(qū)動電路與功率器件之間引線長度較長，受寄生參數(shù)影響較大，且未加入橋臂串?dāng)_抑制電路，可能導(dǎo)致橋臂電路誤導(dǎo)通。Cissoid公司及APEI公司研制出基于高溫SOI技術(shù)的耐高溫SiC基驅(qū)動電路，以智能功率模塊的形式實(shí)現(xiàn)SiC基功率器件及驅(qū)動電路的集成化，大幅減小驅(qū)動電路寄生參數(shù)的影響。但其采用的集成芯片價(jià)格昂貴且較難獲得。

3.2耐高溫電流檢測方案

SiC基耐高溫變換器需要對其進(jìn)行電流檢測，傳統(tǒng)的電流檢測方式如圖14所示，根據(jù)檢測的電流為交流或直流、是否隔離來選擇不同的檢測方式。由于霍爾傳感器等方式采用的測量器件難以承受高溫環(huán)境的工作要求，因此用于AC/DC的隔離式測量方法應(yīng)選用飽和電流傳感器。利用雙向飽和電流傳感器的高溫電流檢測方式用于耐高溫SiC器件的電流測量［30］，如圖15所示，能夠有效抑制磁性材料矯頑力對檢測電流的誤差影響。

圖14　電流檢測方式分類Fig.14　Overview of state of the art current measurement concepts

圖15　雙向飽和電流傳感器耐高溫電流檢測Fig.15　Fast high temperature isolated DC and AC current measurement based on bidirectionally saturated current transformer

3.3極寬溫度范圍內(nèi)的參數(shù)匹配

耐高溫變換器設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)為極寬溫度范圍內(nèi)的參數(shù)匹配。由于高溫變換器工作溫度變化范圍極寬，受溫度影響相比現(xiàn)有變換器較大。SiC功率器件在200℃高溫工作時(shí)，與25℃常溫時(shí)相比，開啟閾值電壓降低為原來的2/3，通態(tài)電阻增加2～3倍，結(jié)電容減小，開關(guān)速度增加。無源元件如電容、電阻等也存在降額現(xiàn)象，其耐壓定額及容值、阻值僅為常溫的40%～50%左右。此外，各相鄰組成部件之間的熱膨脹系數(shù)也應(yīng)相近，否則產(chǎn)生過大機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致器件損壞［31］。

耐高溫元器件的溫度穩(wěn)定性差異，使其在高溫環(huán)境下的電氣參數(shù)、元器件之間的機(jī)械應(yīng)力與常溫時(shí)存在較大差異，影響高溫變換器的工作性能及可靠性。驅(qū)動電路和控制電路包括集成IC及耐高溫電阻、電容等無源元件，在極寬溫度范圍內(nèi)需要對元器件參數(shù)進(jìn)行匹配，以增強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)性［32］。

3.4耐高溫變換器封裝技術(shù)

功率器件的封裝具有損耗散熱、保護(hù)及電氣連接作用，已成為耐高溫變換器發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?；赟iC功率器件的耐高溫變換器面臨寄生參數(shù)最小化及耐高溫工作能力等挑戰(zhàn)。

相比相同定額的Si器件，SiC器件開關(guān)速度較快，開啟閾值電壓較低，這些特性使SiC功率器件受自身及線路的寄生參數(shù)影響較大，易于產(chǎn)生橋臂串?dāng)_及誤導(dǎo)通現(xiàn)象。這就要求SiC功率器件及耐高溫變換器封裝設(shè)計(jì)時(shí)，在確保高溫工作能力的前提下，盡量減小功率器件引腳及線路引線長度，使寄生參數(shù)最小化或可控。但是，緊湊布局會減小變換器散熱面積，影響其散熱能力，限制了高溫工作能力［33］。

SiC器件的耐高溫工作能力受限于封裝技術(shù)，基于現(xiàn)有硅器件的封裝技術(shù)并不適合新型SiC器件。雖然SiC器件的物理特性能夠允許其最大工作溫度超過200℃，但必須發(fā)展新材料及互連技術(shù)以增加其最高工作溫度及高溫可靠工作能力［34］。

4　結(jié)語

本文主要介紹了耐高溫變換器的應(yīng)用領(lǐng)域，給出耐高溫變換器各組成單元的技術(shù)現(xiàn)狀分析，結(jié)合高溫變換器實(shí)例闡述，分析了耐高溫變換器亟待解決的主要技術(shù)問題?；赟iC功率器件的耐高溫變換器應(yīng)用于多電飛機(jī)、電動汽車及石油鉆井等高溫應(yīng)用場合，能有效提高電力電子變換器的高溫可靠工作能力、效率及功率密度。

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Status and Trend of High Temperature Converter

XIE Haotian，QIN Haihong，Dong Yaowen，XU Huajuan，F(xiàn)U Dafeng，YAN Yangguang
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

High temperature converters play an important role in extremely high temperature applications such as more-electric aircrafts，hybrid electrical vehicles and deep-earth petroleum exploration.SiC power devices are characterized by higher operation junction temperature，lower power loss and excellent thermostability，which is benificial for realization of high temperature converters.This paper describes the applications of high temperature converters，and presents the status and trend of every components.Prototypes and crucial issues of high temperature converters based on SiC devices are also discussed.

silicon carbide（SiC）；high temperature converter；wide temperature range；advanced packaging technology

謝昊天

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.128

TM 46

A

2016-05-04 基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20123218120017）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（NS2015039，NJ20160047）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51277095）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目 Project Supported by Ph.D.Programs Foundation of Ministry of Education of China（20123218120017）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（NS2015039，NJ20160 047）；National Natural Science Foundation of China（51277095）；the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

謝昊天（1990-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電機(jī)驅(qū)動器、碳化硅功率器件應(yīng)用技術(shù)，E-mail：1207027106@ qq.com。

秦海鴻（1977-），男，博士，副教授，研究方向：寬禁帶功率器件應(yīng)用技術(shù)、功率變換技術(shù)、電機(jī)控制，E-mail：qinhaihong@ nuaa.edu.cn。

董耀文（1994-），男，碩士研究生，研究方向：寬禁帶功率器件應(yīng)用技術(shù)、功率變換技術(shù)，E-mail：184436872@qq.com。

徐華娟（1986-），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：功率變換技術(shù)，E-mail：xuhuajuan @nuaa.edu.cn。

付大豐（1977-），男，碩士，講師，研究方向：功率變換技術(shù)，E-mail：fdf_nuaa@nu aa.edu.cn。

嚴(yán)仰光（1935-），男，博士，教授，研究方向：航空電源系統(tǒng)電機(jī)與控制、功率變換技術(shù)，E-mail：yanyangguang@nuaa.edu. cn。