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。

本财年，我们利用上一年开发的优化设计算法进行了SiC功率模块的优化设计。该算法根据SiC功率模块模块板的电路布线结构以及模块板和封装所用材料的物理特性，分别对功率模块的电气和热特性进行建模。通过将开发的算法应用于以功率器件的安装位置作为变量的设计，获得了使表示电气特性的寄生电感和表示热特性的热阻最小化的参数。使用设计的参数实现了SiC功率模块。对特性进行了评估，设计值与实际测量值相匹配，证实了所提出算法的有效性。此外，为了发挥优化设计的SiC功率模块的性能，我们考虑了可任意指定栅极电压的数字有源栅极驱动器的应用。我们通过将能够高速运行的1位栅极驱动器电路应用于能够高速计算的FPGA，创建了4位数字有源栅极驱动电路。除了传统模拟有源栅极驱动器无法实现的调整器件变化之外，我们还通过使用双脉冲测试更改控制参数来验证开关操作的优化。该栅极驱动器的输出自由度还取决于垂直轴和时间轴分辨率，而垂直轴和时间轴分辨率又取决于栅极驱动器的结构。为了优化数字有源栅极驱动器的输出，我们提出了一种基于多目标最小化方法的栅极驱动波形优化工具。利用所提出的方法，我们在使用 SiC MOSFET 的电路中实现了开关浪涌电压的降低和开关损耗的降低。