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用于15 kV SiC MOSFET功率模块电场缓解的高介电常数与高介电强度聚合物涂层
High Dielectric Constant and High Dielectric Strength Polymer Coating for Electric Field Mitigation in 15 kV SiC MOSFET Power Modules
| 作者 | Tianshu Yuan · Jia Lixin · Yuan Xi · Dingkun Ma · Junji Wei · Laili Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 中压碳化硅功率器件 绝缘材料 聚合物涂层 电场强度 局部放电起始电压 |
语言:
中文摘要
中压(MV)碳化硅(SiC)功率器件正在兴起,有望应用于电网、高压脉冲电源等领域。然而,功率模块的高绝缘电压与高功率密度之间的矛盾需要新型绝缘材料来缓解。与传统使用复合材料提高介电常数的方法不同,本文介绍了一种具有高介电常数和高介电强度的单一均质材料聚合物涂层,并证明该涂层可降低模块内硅胶的最大电场。对该涂层的电气性能进行了测量,结果表明与常见聚合物材料相比,它具有高介电常数和高介电强度。电场模拟显示,该涂层可使硅胶中的最大电场强度降低57%。工艺稳定后,涂层厚度可保证约为80μm,可沿直接键合铜(DBC)的三相点边缘涂覆,用于15kV模块应用。测量了涂覆涂层的DBC在硅胶中的局部放电起始电压(PDIV)。与未涂覆的DBC相比,涂覆涂层的DBC在硅胶中的PDIV平均提高了101%以上。通过在12kV母线电压下对采用相同DBC封装的15kV模块进行双脉冲测试(DPT),证明了该涂层的有效性和兼容性,为高功率密度中压功率模块的绝缘提供了一种经济高效的解决方案。
English Abstract
Medium voltage (MV) silicon carbide(SiC) power devices are on the rise and are expected to be applied in power grids, high-voltage pulse power supplies, and other applications. However, the contradiction between high insulation voltage and high power density of power modules requires new insulating materials to alleviate. Compared to the traditional approach of using composite material to increase the dielectric constant, this paper introduces a single homogeneous material polymer coating with high dielectric constant and high dielectric strength, and demonstrates that this coating can reduce the maximum electric field of silicon gel within the module. The electrical properties of the coating were measured, characterizing its high dielectric constant and high dielectric strength compared to common polymer materials. Electric field simulation shows that the coating can reduce the maximum electric field strength in the silicon gel by 57%. After process stabilization, the coating thickness can be guaranteed to be approximately 80 μm, applied along the triple point edge on direct bonding copper(DBC) for 15kV module applications. The partial discharge inception voltage(PDIV) of the coating DBC in the silicon gel was measured. Compared to the uncoated DBC, the PDIV of the coated DBC in the silicon gel increased by an average of over 101%. The effectiveness and compatibility of the coating were demonstrated through a double pulse test(DPT) using the same DBC packaged 15kV module under a 12kV bus voltage, providing an economical and efficient solution for the insulation of high power density MV power modules.
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SunView 深度解读
从阳光电源中压产品线的战略视角来看,这项针对15kV SiC MOSFET功率模块的高介电聚合物涂层技术具有显著的应用价值。当前我们在1500V光伏逆变器和中压储能变流器领域正面临功率密度提升与绝缘可靠性的矛盾,该技术提供了一个切实可行的解决路径。
技术核心价值体现在三个维度:首先,单一均质材料涂层可使硅凝胶内最大电场强度降低57%,这对我们正在开发的高功率密度1500V+逆变器和3.3kV/6.6kV储能PCS至关重要,能够在不增加模块体积的前提下提升耐压裕度。其次,局部放电起始电压(PDIV)提升超101%,意味着产品在高海拔、高湿度等恶劣环境下的长期可靠性将显著改善,这直接关系到我们25年质保承诺的兑现成本。第三,80微米的可控涂层厚度与现有DBC封装工艺兼容性良好,12kV母线电压下的双脉冲测试验证表明该技术已接近工程化应用阶段。
从产业化角度评估,该技术为我们向10kV及以上电压等级的电网侧储能和柔性输电设备拓展提供了关键使能技术。潜在挑战在于:涂层材料的长期热循环稳定性、与不同硅凝胶体系的化学兼容性,以及大规模生产的良率控制。建议技术中心与该研究团队建立联合开发机制,重点验证该涂层在-40℃至85℃温度循环和高湿热环境下的性能退化规律,同时评估其在我们主流SiC模块平台上的成本效益比,为下一代中高压产品提供差异化竞争优势。