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，且通過同行評議、主編終審?fù)饪玫母寮?。排版定稿指錄用定稿按照期刊特定版?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)性和先進性，符合編應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯、、法定計量單位及地圖標注等。出版確認：紙質(zhì)期刊編輯部通過與《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司簽約，在《中國版廣電總局批準的網(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國家重大科技專項工程(2009ZYHW0010)網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：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；航電源已無法滿足小型化、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)展到開關(guān)電源[1]，作為功率開關(guān)管的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorT (包括MOSEFT和二極管)的廣泛應(yīng)用使開關(guān)電源技術(shù)快速發(fā)展，至今已近五十年，率領(lǐng)域，已無法滿足新一代電源產(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)實容器件的體積限制了厚膜電源進一步小型器件的功率容量和工作頻率已不能滿足設(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年開發(fā)出業(yè)界首款全面符合認證的SiC功率開關(guān)的新標桿；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年在市場上推2SiC功率器件的性能優(yōu)勢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[5]分析了SiC320又因為器件的本身固有導(dǎo)通損耗與其兩端驗證了SiCMOSFET在短路時其峰值電流的大小與SiO2/SiC在高溫的條件下界面的FETSiIGBTWithstand又因為器件的本身固有導(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過程波形bSiCMOSFET過程波形.1.3柵極驅(qū)動電路研究高可靠性的驅(qū)動電路能夠使得功率器在這方面做了大量的研究工作。針對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)動電路[12-18]設(shè)計需要1)觸發(fā)脈沖有更快的上升和下降速度；3)驅(qū)動電路要能夠提供足夠大的驅(qū)動6)需要注意MOS管在開關(guān)過程中的7)由于短路承受時間較短，需要對短丹麥奧爾堡大學(xué)針對10kV半橋SiC會很小，遠遠小于Si基器件。文獻[10]對SiCMOSFET的損耗與SiMOSFET的損耗MOSFET的開關(guān)過程波形，圖4(b)為SiaSiMOSFET關(guān)過程波形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的單粒子試驗中，器件反壓為團未來幾年年內(nèi)攻克SiC器件的單粒子性.2.3可靠、有效的驅(qū)動和保護電路設(shè)計SiC，短路耐3.2仍待解決的關(guān)鍵問題3.2.2單粒子性能動電路選擇IXYS公司的高速驅(qū)動芯片du/dt的開關(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)勢保護電路設(shè)計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)展動態(tài)與展望[R].廣州:第六屆高校電力電子與電力傳動12.[3]康小錄,張巖,劉佳,等.大功率霍爾電推進研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].推進技術(shù),2019,[4]倪春曉,趙國清.空間用固態(tài)限流保護電路的小型化設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國空間科學(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)用中開電推進系統(tǒng)電源處理單元應(yīng)用電源處理單元(PowerProcessingUnit,空探測的超大功率電推進系統(tǒng)進行了適用該功率變換器由兩個采用SiC功率器件的4.2電機驅(qū)動器會大大降低航天器的有效負載能力。當(dāng)將SiC驅(qū)動器時，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汽車中的研究與應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,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)及標準化研究[J].科技傳播,[23]曹爽.宇航用SiC結(jié)勢壘肖特基二極管[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