碳化硅功率器件在宇航电源中的研究与应用

ElectronicDesignEngineering《电子设计工程》网络首发论文在宇航电源中的研究与应用-03-28-08-03[J/OL]．电子设计工程./kcms/detail/61.1477.TN.20220803.1209.002.html到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式(包括网络呈现版式)排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编应基本符合国家有关书刊编辑、、法定计量单位及地图标注等。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社有限公司签约，在《中国版广电总局批准的网络连续型出版物(ISSN2096-4188，CN11-6037/Z)，所以签约期刊的网络版上网络首_____________________________________________03-28国家重大科技专项工程(2009ZYHW0010)网络首发时间：2022-08-0317:36:12网络首发地址：/kcms/detail/61.1477.TN.20220803.1209.002.html碳化硅功率器件在宇航电源中的研究与应用；航电源已无法满足小型化、轻量化、高效率和超大功率化的任务要求。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.电源技术从线性电源发展到开关电源[1]，作为功率开关管的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorT (包括MOSEFT和二极管)的广泛应用使开关电源技术快速发展，至今已近五十年，率领域，已无法满足新一代电源产品需求。的重要组成部分——供配电系统和二次电小功率电源的小型化方面目前主要依靠高密度组装的工艺技术实容器件的体积限制了厚膜电源进一步小型器件的功率容量和工作频率已不能满足设1SiC功率器件发展现状择硅基绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件，目前电源的体积和重量主要受限于磁性器件和电容择硅基绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)器件，目前电源的体积和重量主要受限于磁性器件和电容DDcSiC模块半导体制造厂商，其于2001年半导体制造厂商，其于2001年率先将SiC二极管产品推向产业化，又于系列产品，开始批量生产全SiC模块。STMicroelectronics的SGS姆(Rohm)、英飞凌(Infineon)、意法半导体的一家生产半导体功率器件的上市公司，C11年开发出业界首款全面符合认证的SiC功率开关的新标杆；2012年发布了6英寸球知名半导体制造商，在2010年就在Thomson导体公司合2014年在市场上推2SiC功率器件的性能优势SiC带半导体及轨道交通等中高功率电力系统应用上具C3SiC3SiC功率器件研究现状究3.1.1短路特性 54320特性做了大量研究。文献[5]分析了SiC320又因为器件的本身固有导通损耗与其两端验证了SiCMOSFET在短路时其峰值电流的大小与SiO2/SiC在高温的条件下界面的FETSiIGBTWithstand又因为器件的本身固有导通损耗与其两端电压越高，损耗越小。因此可以得出结论，SiC导率是Si的3bSiCMOSFET过程波形bSiCMOSFET过程波形.1.3栅极驱动电路研究高可靠性的驱动电路能够使得功率器在这方面做了大量的研究工作。针对SiC与SiMOSFET相比，SiC3.1.2损耗特性T6SiCMOSFET具有更小的寄生参数使SiCMOSFET驱动电路[12-18]设计需要1)触发脉冲有更快的上升和下降速度；3)驱动电路要能够提供足够大的驱动6)需要注意MOS管在开关过程中的7)由于短路承受时间较短，需要对短丹麦奥尔堡大学针对10kV半桥SiC会很小，远远小于Si基器件。文献[10]对SiCMOSFET的损耗与SiMOSFET的损耗MOSFET的开关过程波形，图4(b)为SiaSiMOSFET关过程波形LgRR()LgRR()CSiC电阻，高3.2.1封装技术SiC和高温下idtSiC量辐射能输(LinearEnergyTransfer,LET)值为67.1MeVcm/mg的单粒子试验中，器件反压为团未来几年年内攻克SiC器件的单粒子性.2.3可靠、有效的驱动和保护电路设计SiC，短路耐3.2仍待解决的关键问题3.2.2单粒子性能动电路选择IXYS公司的高速驱动芯片du/dt的开关瞬态下由于米勒效应导致管子不必要CC集成方法显著地减小了功率器件与去耦电充分发挥SiC功率器件优势保护电路设计的好坏直接影响着电源的性.3高压功率电子调节器行波管功率放大器是卫星通信系统中.3高压功率电子调节器行波管功率放大器是卫星通信系统中中供电的高压电子功率调节器是行波管功5结论具有高耐压、低损耗、高效率等优异特性，式发展的基石，SiC功率器件由此将带来宇航电源技术和产品的全面革社,2009.[2]沈证.硅功率半导体器件的发展动态与展望[R].广州:第六届高校电力电子与电力传动12.[3]康小录,张岩,刘佳,等.大功率霍尔电推进研究现状与关键技术[J].推进技术,2019,[4]倪春晓,赵国清.空间用固态限流保护电路的小型化设计与实现[J].中国空间科学技.[5]HuangX,WangG,LiY,etal.Short-circuitcapabilityof1200VSiCMOSFETandJEFTfor的应用前景SiC器件在宇航领域还未SiC器件必将在电源应用中开电推进系统电源处理单元应用电源处理单元(PowerProcessingUnit,空探测的超大功率电推进系统进行了适用该功率变换器由两个采用SiC功率器件的4.2电机驱动器会大大降低航天器的有效负载能力。当将SiC驱动器时，由[16]ZhangSK,HeGL,ZhengD,etal.ResearchonhighpowerdensitySiC-MOSFETdrivercircuit[C].22ndInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems2019.[17]HuangXJ.Researchonovercurrentdetectionandprotectionofhigh-powerSiC-MOSFETdriver[J].IEEE,2018：陆雅婷,姚文熙.基于di/dt优化控制的SiC动技术[J].电力电子技术,DalalDNChristensenNJorgensenAB,etal..Gatedriverwithhighcommonmoderejectionandselfturn-onmitigationfora10kVSiCMOSFETenabledMVconvertor[C].EuropeanPowerElectronicsandDrivesAssociation&IEEE,2017:P1-P10.[20]王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J].中国电机工程学报,34(3):371-379.[21]RegnatG,JeanninPO,LefevreG,etal.Siliconcarbidepowerchiponchipmodulebasedonembeddeddietechnologywithparalleleddies[C].EnergyConversionCongressExpositionIEEE2015.[22]葛海波,夏昊天,孙冰冰.碳化硅功率器件的关键技术及标准化研究[J].科技传播,[23]曹爽.宇航用SiC结势垒肖特基二极管[24]StockmeierT,BeckedahlP,GoblC,etal.Doublesidesinteringtechnologyfornewpackages[C].2011IEEE23rdInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandICs,2011.[25]刘雅琳.空间行波管高压电源环路稳定D学，2018.ElectronicsConferenceandExposition-Apec.IEEE3:197-200.[6]RiccioM,CastellazziA,FalcoGD,etal.Experimentalanalysisofelectro-thermalinstabilityinSiCPowerMOSFETs[J].MicroelectronicsReliability,2013,droVMagnaniARiccioMetalSPICEmodelinganddynamicelectrothermalsim