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缓解高功率密度
U)WBG功率模块封装中绝缘问题的应对策略:侧重于替代封装材料的综合评述
| 作者 | Pujan Adhikari · Mona Ghassemi |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 SiC器件 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 宽禁带功率模块 绝缘系统 电场应力 局部放电 替代封装材料 |
语言:
中文摘要
功率模块封装的未来取决于碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)和金刚石等(超)宽带隙[(U)WBG]材料的发展。然而,突破这些材料的应用界限在绝缘系统方面面临重大挑战,绝缘系统必须承受相关的严苛参数。这些挑战带来的后果包括高电场、空间电荷积累、电树枝化和局部放电(PD),所有这些都可能导致功率模块故障。本文深入探讨了(U)WBG功率模块绝缘材料面临的这些挑战,以及近期旨在缓解三相点(TPs)电场应力和解决局部放电问题的研究。文章首先探讨了三相点的高电场问题,接着研究了在高频、高温等实际运行条件下,封装材料中的空间电荷、电树枝化和局部放电问题。文中全面讨论了应对这些绝缘挑战的各种策略。虽然有三种常见的缓解策略可解决三相点的电场问题,但它们在(U)WBG功率模块高温条件下的有效性仍有待深入研究,这表明可能需要转向使用其他封装材料。研究发现,高温介电液体凭借其稳定的介电性能和在反复测试中的击穿强度,成为解决高达350°C热应力问题的一个有前景的方案。总体而言,本综述通过指出现有缓解策略的局限性,并为未来研究工作提供建议,尤其是在替代封装材料方面,提供了一个有价值的框架。
English Abstract
The future of packaging for power modules hinges on the advancement of (U)WBG) materials like SiC, AlN, and diamond. However, pushing these boundaries faces significant challenges in insulation systems, which must withstand the demanding parameters involved. The repercussions include high electric fields, space charge accumulation, electrical treeing, and partial discharge (PD), all of which can lead to power module failure. This paper delves into reviewing these challenges within insulation materials of (U)WBG power modules and recent research aimed at mitigating electric field stress at triple points (TPs) and addressing PD issues. Beginning with the issue of high electric fields at TPs, the paper explores space charge, electrical treeing, and PD problems within encapsulation materials under practical operating conditions, such as high frequency, and high temperatures. Various strategies to tackle these insulation challenges are thoroughly discussed. While three prevalent mitigation strategies can address electric field issues at TPs, their validation under high-temperature conditions of (U)WBG power modules remains relatively unexplored, suggesting a potential shift towards alternative encapsulation materials. It is observed that the high-temperature dielectric liquids emerge as a promising solution to address thermal stresses for temperatures up to 350 °C with their stable dielectric properties and breakdown strength under repeated tests. Overall, this review provides a valuable framework by outlining the limitations of current mitigation strategies and offering recommendations for future research endeavors, with a particular emphasis on alternative encapsulants.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇关于超宽禁带功率模块封装绝缘技术的综述具有重要战略意义。随着公司在光伏逆变器和储能系统领域持续推进高功率密度、高效率产品开发,SiC等宽禁带半导体器件的应用已成为核心技术方向。然而,论文揭示的绝缘系统挑战——高电场应力、空间电荷积累、电树枝和局部放电问题——正是制约我们产品性能提升和可靠性的关键瓶颈。
对于阳光电源的1500V及以上高压光伏系统和大容量储能变流器而言,功率模块在高频开关和高温环境下的绝缁失效直接影响系统MTBF指标。论文强调的三点(triple points)电场集中问题,在我们采用的多芯片并联封装结构中尤为突出。传统硅凝胶封装材料在150°C以上工作温度下的性能衰减,限制了SiC器件结温优势的充分发挥。
论文提出的高温介电液体封装方案展现出突破性潜力,其在350°C下仍保持稳定介电性能和击穿强度的特性,与我们面向沙漠、高原等极端环境应用的需求高度契合。这为开发下一代高功率密度逆变器(目标功率密度>40kW/L)提供了新的技术路径。
建议公司在材料研发层面加强与高温介电液体供应商的合作验证,同时在仿真工具链中集成电场-热场-流场多物理场耦合分析能力。技术成熟度方面,该方向尚处于实验室向工程化过渡阶段,需要2-3年的可靠性验证周期,但一旦突破将为阳光电源构建显著的技术护城河。