车用多芯片并联SiC模块电热应力分布规律和调控方法研究

The SiC module for electric vehicle (EV) applications needs high quality parallelism of multiple SiC devices, to meet the continuously increasing requirements on capacity and reliability. However, because of the device mismatch (from statistics distribution of device parameters) and the circuit mismatch (from asymmetrical circuit layout), there are unbalanced electrical and thermal profiles among paralleled SiC devices in the module. Ruggedness and reliability of the SiC module are challenged, and the capacity is derated. To promote the current-rating and guarantee the reliability of SiC modules, the analysis and control of unbalanced electro-thermal profiles are addressed in this project, and the following aspects will be addressed. Firstly, the electrical and thermal interaction law among paralleled devices will be studied. An electro-thermal coupling model for multi-chip SiC module will be set up, to reveal the distribution scheme and stability of electro-thermal profiles in the SiC module. Then, on basis of coupling inductor integrated in the module, an approach is proposed to active control the unbalanced electro-thermal profiles. In such a way that, the behavior of paralleled devices can be consistent and synchronous, and then they can evenly share the electro-thermal profiles. Finally, the thermal-cycling and thermal-shock experiments will be utilized to indicate how the harsh temperature in EVs degrades the SiC module. The robustness of the SiC module integrated coupling inductor will be evaluated. The completion of this project may find out new models and approaches for analysis and design, profile-control, and comprehensive evaluation of SiC modules.

车用SiC模块对容量和可靠性要求高，需要大量SiC器件的高质量并联。由于器件和电路参数的不匹配，器件间的电热应力分布不均衡，降低了模块的电学性能和耐用性。为了在安全稳定的前提下，提升SiC模块的容量，本项目拟以并联器件间的电热应力作为切入点，研究不均衡应力的分布规律和调控方法。主要内容包括：①研究并联器件之间的电热交互作用，通过建立电热耦合模型，揭示模块内部电热应力的分布规律，及其电热稳定性机制；②研究基于耦合电感的不平衡电热应力调控方法，及其紧凑型电路与模块的集成封装，保证并联器件行为的一致性和同步性，实现电热应力的主动均衡；③采用温度冲击实验和温度循环实验，研究车内温度交变对模块的作用规律，测试模块及其电热应力调控电路的适应性，探索SiC模块的环境温度评测方法。本项目的成功，将可能为车用SiC模块的优化设计、应力调控和综合评测提供新的模型和方法，为大功率SiC模块提供新的解决方案。

得益于更高的禁带宽度、击穿场强、熔点等材料属性，SiC功率器件具有高温、高频、高速的工作能力，在高效、高功率密度、高可靠功率变换器领域，具有不可替代的作用，是下一代电气装备的关键基础。然而，并联芯片的电-热应力不均衡，制约了大容量SiC功率模块的发展，限制了SiC器件在电动汽车等大功率领域的应用。围绕多芯片并联SiC功率模块的电-热应力分布规律及调控机制，本项目从器件、封装、测试和应用4个层面，开展了系统性研究工作，取得了系列研究成果。.在基础理论方面，揭示了并联SiC器件电-热应力不平衡的物理机理和影响规律，构建了多芯片并联SiC功率模块的电流分配模型，提出了基于对称封装布局的不平衡电流抑制方法，提出了基于耦合电感的不平衡电流抑制方法，发现了双极型器件并联的电-热稳定新机制——零温度频率效应，揭示了测量仪器对SiC暂态行为的影响机制，建立了SiC功率模块的寿命模型，提出了高功率密度SiC功率变换器的设计方法。.在知识产权方面，在IEEE、IET会刊等发表SCI期刊论文10篇，在中国电机工程学报、电工技术学报等发表EI期刊论文12篇，在APEC、ECCE等学术会议发表论文12篇，申请发明专利8项。.在人才培养方面，指导国家级大学生创新训练项目4项，培养优秀本科生12名，培养博士研究生2名、硕士研究生4名。.本项目的研究工作，为大容量SiC功率模块提供基础理论模型，为高效、高功率密度、高可靠SiC功率变换器提供技术支持，在电气化交通、新能源发电、国防军工等领域具有重要的应用前景。