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基于场路耦合的SiC MOSFET电热耦合建模及其在浪涌期间结温计算中的应用
Electrical-Thermal Coupling Modeling of SiC MOSFETs Based on Field-Circuit Coupling and Its Application in Junction Temperature Calculation During Surges
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 多物理场耦合 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 芯片温度 场路耦合模型 浪涌电流 温度计算 |
语言:
中文摘要
芯片温度对于评估碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)的浪涌可靠性至关重要。与正常情况下传统依赖虚拟结温不同,评估浪涌条件下芯片上的非均匀温度分布对于器件的稳健性和现场可靠性至关重要。本文提出了一种用于计算 SiC MOSFET 温度的新型场 - 路耦合模型。所提出的场 - 路耦合模型能够在电路仿真平台内实现温度场和电路的协同计算,捕捉芯片上电气和热特性的空间分布。通过三种不同的测试条件验证了场 - 路耦合计算模型的有效性。分析了不同浪涌电流幅值下 SiC MOSFET 的电气和热特性,从而预测了器件的最大浪涌电流容量。本文提出的方法拓展了传统的场 - 路耦合方法,为计算极端条件下功率器件的温度提供了新的视角。为了便于理解,本文还配有展示所提方法计算过程的视频。
English Abstract
Chip temperature is crucial for assessing the surge reliability of silicon carbide metal-oxide-semiconductor-field-effect transistors (SiC mosfets). Unlike conventional reliance on virtual junction temperature in normal conditions, evaluating the non-uniform temperature distribution across the chip under surge conditions is essential for robustness and field reliability. This paper proposes a novel field-circuit coupling model for temperature calculation of SiC mosfets. The proposed field-circuit coupling model enables the collaborative computation of temperature fields and circuits within circuit simulation platforms, capturing the spatial distribution of electrical and thermal properties across the chip. The validity of the field-circuit coupling calculation model is verified through three different test conditions. The electrical and thermal characteristics of SiC mosfets under different surge current amplitudes are analyzed, leading to a prediction of the maximum surge current capacity of the device. The method proposed in this paper extends the traditional field-circuit coupling method, providing a novel perspective for calculating the temperature of power devices under extreme conditions. To enhance understanding, this paper is accompanied by a video demonstrating the computational process of the proposed method.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项SiC MOSFET电热耦合建模技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,SiC MOSFET在电网浪涌、短路故障等极端工况下的可靠性直接关系到产品的现场表现和质量口碑。
该论文提出的场路耦合模型突破了传统虚拟结温计算的局限性,能够精确预测芯片在浪涌条件下的非均匀温度分布。这对我们的逆变器和储能变流器设计具有三方面价值:首先,可以更准确地评估器件在电网故障穿越(LVRT/HVRT)场景下的热应力,优化过流保护策略;其次,有助于提升功率模块的浪涌电流承受能力预测精度,为降额设计提供量化依据;第三,能够指导散热系统设计,在保证可靠性的前提下实现更高的功率密度。
从技术成熟度看,该方法已通过三种测试条件验证,具备工程应用基础。但实际应用仍面临挑战:一是计算复杂度与实时性的平衡,需要探索简化模型在设计阶段的应用;二是模型参数提取需要器件厂商的深度配合;三是需要与我们现有的热仿真流程整合。
建议技术中心关注该方向的研究进展,可考虑与高校合作开展定制化建模工作,特别是针对大容量储能系统中多并联SiC模块的温度场耦合分析。这将强化我们在极端工况下的产品可靠性设计能力,为进军高可靠性应用场景(如海上风电、电网侧储能)提供技术支撑。