SiCパワーモジュールの電気および熱特性の連成解析手法の開発および高電力密度設計

SiC功率模块电热特性耦合分析方法开发及高功率密度设计

基本信息

批准号：
20J10227
负责人：
福永崇平
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Osaka University (2021)Kyoto University (2020)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

当該年度は、前年度に構築した最適設計アルゴリズムを用いて、SiCパワーモジュールの最適設計を行った。提案アルゴリズムでは、SiCパワーモジュールのモジュール基板の回路配線構造、およびモジュール基板やパッケージングに用いる材料の物性値をもとに、パワーモジュールの電気特性と熱特性をそれぞれモデル化している。パワーデバイスの実装位置を変数とした設計に、開発したアルゴリズムを適用することで、電気特性を代表する寄生インダクタンスと熱特性を代表する熱抵抗を最小化するパラメータが得られた。設計したパラメータを用いてSiCパワーモジュールを実装した。その特性を評価し、設計値が実測と一致したため、提案アルゴリズムの妥当性を確認することができた。また最適設計したSiCパワーモジュールの性能を活かした動作を行うため、ゲート電圧を任意指定可能なディジタルアクティブゲートドライバの適用を検討した。高速演算可能なFPGAに高速駆動可能な1ビットゲートドライバ回路を適用し、4ビットディジタルアクティブゲートドライブ回路を作製した。従来のアナログアクティブゲートドライバでは実現できないデバイスのばらつき調整に加え、制御パラメータを変更することで、スイッチング動作の最適化をダブルパルス試験により検証した。またこのゲートドライバの出力自由度は、ゲートドライバの構造に依存する垂直および時間軸の分解能に依存する。ディジタルアクティブゲートドライバの出力を最適化するため、多目的最低化手法に基づくゲート駆動波形の最適化ツールを提案した。提案手法により、SiC MOSFETを適用した回路のスイッチングサージ電圧の低減とスイッチング損失の低減の両立を実現した。

在这个财政年度，使用上一个财政年度建造的最佳设计算法进行了SIC功率模块的最佳设计。所提出的算法根据SIC功率模块的模块板的电路接线结构以及模块板和包装中使用的材料的物理特性，对功率模块的电气和热性能进行建模。通过将开发的算法应用于使用动力设备的安装位置作为变量的参数，可以最大程度地减少代表电气性能的寄生电感，并且代表代表热性质的热电阻。使用设计的参数实现了SIC功率模块。评估了特性，设计值与实际测量值相匹配，从而使我们能够确认所提出的算法的有效性。此外，为了利用最佳设计的SIC功率模块的性能，我们考虑使用数字活动栅极驱动器，该驱动器允许指定可选的门电压。能够进行高速操作的1位闸门驱动器电路应用于能够进行高速计算的FPGA，并制造了4位数字活动栅极驱动电路。除了调整常规模拟活动栅极驱动器无法实现的设备变化外，通过更改控制参数验证了开关操作的优化。该门驱动器的输出自由度还取决于取决于门驱动器结构的垂直和时轴分辨率。为了优化数字活动门驱动器的输出，我们根据多功能最小化方法提出了一个Gate Drive波形优化工具。已提出的方法既可以降低开关电压电压的降低，又可以减少使用SIC MOSFET的电路中的开关损耗。