パワエレの革新を担う次世代SiCパワーモジュールの熱設計評価技術

下一代 SiC 功率模块的热设计评估技术将彻底改变电力电子技术

基本信息

批准号：
22K14239
负责人：
福永崇平
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は, パワエレの革新を担う次世代SiCパワーモジュールの熱設計評価技術の開発を目的としている。ハードウェアへのアプローチとして, 発熱源であるパワーデバイスをモデル化するため, 数マイクロ秒以内の現象を評価できる新しい測定装置を開発する。またソフトウェアのアプローチとして, 測定結果から放熱特性を高精度にモデル化する信号処理技術を提案する。当該年度は過渡熱抵抗測定で用いる測定システムのうち, 被測定対象を自己発熱させるために印加する加熱用大電流を高速遮断可能な電流遮断回路の性能向上に取り組んだ。使用するPCB基板の構成を含めた回路パターン設計や, 回路に使用するパワー半導体デバイスを駆動するためのゲート駆動回路の実装方法を検討し, 回路基板の寄生インダクタンスを最小化した。加えて, 回路に適用するパワー半導体デバイスを選定し, 高速スイッチング性能を活かした大電流の高速遮断を実現した。開発した電流遮断回路はユニット構成としているため, 並列数を増やすことによる大電流化を可能とし, 大電流用途のパワーモジュールの過渡熱抵抗測定へ適用可能である。また開発する測定システムの適用先として, 種々の絶縁放熱セラミック板や界面熱伝導材料を適用した場合の, SiCパワーモジュールの放熱性能を過渡熱抵抗に基づき評価した。過渡熱抵抗により分離したセラミック板の熱抵抗について, 材料の熱伝導率や幾何的な厚みに対して, 物理式から予想される熱抵抗に一致することを明らかにした。また界面熱伝導材料では, 使用する材料の熱伝導率や粘度が放熱性能に与える影響を明らかにした。

这项研究的目的是开发下一代 SiC 功率模块的热设计评估技术，这将彻底改变电力电子技术。作为一种硬件方法，我们将开发一种新的测量设备，可以在几微秒内评估现象，以便对作为热源的功率设备进行建模。作为一种软件方法，我们还提出了一种信号处理技术，可以根据测量结果高精度地模拟散热特性。本财年，我们致力于提高用于瞬态热阻测量的测量系统中的电流中断电路的性能，该电路能够快速中断施加到测量目标以产生自热的大加热电流。我们研究了电路图案设计，包括所使用的PCB板的配置，以及驱动电路中使用的功率半导体器件的栅极驱动电路的安装方法，并最小化电路板的寄生电感。此外，我们选择了功率半导体器件应用于电路中，利用其高速开关性能实现了大电流的高速中断。由于所开发的电流中断电路具有单元配置，因此可以通过增加并联电路的数量来增加电流，并且可以应用于大电流应用的电源模块瞬态热阻的测量。此外，作为所开发的测量系统的应用，基于瞬态热阻评估了SiC功率模块在应用各种绝缘散热陶瓷板和界面导热材料时的散热性能。发现由瞬态热阻分隔的陶瓷板的热阻与物理公式预测的热阻相匹配，具体取决于材料的导热率和几何厚度。对于界面导热材料，我们阐明了所用材料的导热系数和粘度对散热性能的影响。