国际首台基于自主6.5kV/400A SiC MOSFET模块的35kV/5MW电力电子变压器顺利通过全部型

在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项支持下，国网智研院功率半导体研究所联合中科院半导体所、天科合达、中国电科五十五所、株洲中车、浙江大学、国网智研院电力电子研究所、国网河北省电力公司、华北电力大学、电子科大、西安电子科大、山东大学、华中科大、中科院微电子所、中国电科十三所、许继电气、国网福建省电力公司、中电普瑞共18家科研院所、高校及产业单位经历了6年的自主攻关实现了6.5kV级碳化硅材料-芯片-器件-测试-驱动-装置应用全链条技术突破,研制了同电压等级国际上电流最大的6.5kV/400A碳化硅MOSFET模块应用于35kV/5MW全碳化硅电力电子变压器,并在雄安智慧驿站柔性变电站成功投运。

项目背景

新材料新未来

碳化硅（SiC）作为宽禁带半导体材料的典型代表，击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强，与相同结构的硅器件相比，碳化硅器件可以达到10倍的耐压，4倍的电流，10倍的工作频率，耐高温工作，采用高压碳化硅器件研制的电力电子装置可以采用新型拓扑，大幅度提升功率密度，减小损耗，支撑新一代电力系统先进电力电子装备研制。

▲碳化硅材料性能优异

▲碳化硅器件具有高压、大电流、高频、耐高温等优良特性

▲采用碳化硅器件的装置可大幅提升功率密度，降低损耗

全链条技术突破

面向新一代电力系统核心装备技术需求，聚焦碳化硅材料、器件国产化，项目组针对电力电子变压器技术需求进行任务分解，制定了各环节、各层级研发的详尽技术规则、规范，经过多轮次反馈迭代，打通了高压大功率碳化硅MOSFET技术路线，实现了材料-芯片-器件-测试-应用验证全技术链协同创新，推动了国产高压大功率碳化硅材料、器件产业化，为电力电子装置原始创新和国际技术引领提供了坚强支撑。

标志性成果

功率半导体研究所联合国内各领域顶尖技术力量开启了低缺陷密度材料、高压大电流芯片、高压大容量器件封装、高压快速开关测试、碳化硅新体系驱动及变压器全链条的原始技术创新之路

大尺寸低缺陷材料

高压碳化硅芯片的性能、良率及成本受材料质量影响极大，立项之初，国内无大尺寸单晶、无低缺陷厚外延材料，严重制约高压大电流碳化硅芯片的自主研发。技术团队针对高压碳化硅器件对外延材料、外延对衬底材料的定制化需求，开展温场控制、应力控制及释放、厚外延生长、低缺陷控制等技术研究，攻克了高压碳化硅器件对6英寸单晶衬底扩径生长、缺陷密度控制和大尺寸外延缺陷控制、快速外延生长等技术难题，研制了高质量国产单晶衬底，实现了低缺陷密度厚外延材料制备。

大尺寸高质量SiC单晶材料

低缺陷密度60μm SiC厚外延材料

高压大电流芯片

高压模块多芯片并联封装成对于芯片提出了更高的要求，电压高、电流大、一致性好。项目团队基于自主研制的低缺陷厚外延材料，提出了低表面电场强度的高压芯片终端结构，攻克了高质量栅氧、短沟道自对准技术等关键工艺，解决了设计和工艺兼容性差、导通电阻大、碎片率高等一系列难题，在国内首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工艺，国内首次批量研制高耐压、高通流能力的6.5 kV/25 A SiC MOSFET芯片，通过高温栅偏、高温反偏等系列可靠性测试。芯片技术指标达到国际产品相同水平，部分关键指标优于国际同型器件。

6.5kV/25A SiC MOSFET晶圆

6.5kV/25A SiC MOSFET 阻断特性

6.5kV/25A SiC MOSFET 输出特性

高压大容量器件封装

高压大容量碳化硅器件封装面临着并联封装的电磁热均衡难、高电场强度下的绝缘配合难、碳化硅封装的工艺尚处于空白状态的困境，项目团队开发了高压绝缘设计、高导热性焊接、高可靠性绝缘灌封等核心技术，突破了高压、低寄生参数封装的技术瓶颈，创新地提出了基于转移曲线距离系数的芯片聚类分组方法，解决了大电流封装面临的多芯片并联均流难题，成功研制了国际上同电压等级电流最大6.5kV/400A SiC MOSFET模块。

6.5kV/400A SiC MOSFET 模块

6.5kV/400A SiC MOSFET 器件持续运行试验中

6.5kV/400A SiC MOSFET器件持续运行试验波形

高压快速开关测试

碳化硅器件的开关速度、驱动电压、寄生二极管特性、短路特性与硅器件有显著差异，业内缺乏高压大功率碳化硅器件专用动态测试设备，没有成熟的测试技术。为应对典型工况及极端工况，准确评估器件的实际性能，技术团队开展了芯片高精度在片测试技术、模块纳秒级快速开关技术、高温栅氧性能评估技术研究，建成了国内首套6.5kV/400A SiC MOSFET模块动态测试平台，系统寄生参数低，克服了现有商业测试平台的不足。

自研碳化硅MOSFET器件动态测试平台

自研25kV/4kA SiC器件静态测试平台

碳化硅新体系驱动及变压器

基于高压碳化硅器件的全新的电力电子变压器，在拓扑、驱动、控制保护、高频化、小型化各个方面都需要技术突破。技术团队将三个功率波动的单相进行电磁耦合，实现功率波动自平衡，从而减小电容器容值甚至省去电容器；研制了适配高压碳化硅器件高速特性的驱动芯片，通过栅极驱动电压阶梯控制减小开关振荡，通过直接电流检测，实现无开通盲区时间的快速保护；建立电磁场、温度场、应力场等多物理场仿真模型，通过系统的屏蔽层、水冷散热设计，进行材料、结构优化，实现了高功率密度变压器的良好散热。通过高压碳化硅器件高速驱动保护、碳化硅电力电子变压器高性能控制保护、集成测试等关键技术突破，国际上首次研制了35kV/5MW全碳化硅电力电子变压器并实现示范应用。

全碳化硅电力电子变压器样机

工程现场碳化硅电力电子变压器持续稳定运行

转自：功率半导体之家