2023年, 第21卷, 第1期　刊出日期：2023-01-30

  

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DC-DC变换器
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  独立输入并联输出模块化DAB变换器功率均衡优化控制

  李鑫, 朱浩宇, 邱亚, 邵军康

  电源学报. 2023, 21(1): 1-8. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.1

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  针对独立输入并联输出IIOP（input independent output parallel）模块化双有源桥DAB（dual active bridge）变换器,当各模块的参数不匹配或输入电压不相等时的功率均衡问题,基于双重移相DPS（dual phase shift）控制,提出了一种功率补偿均衡控制PCEC（power compensation equalization control）算法以提高变换器的动态性能及其效率,并实现模块化DAB变换器的传输功率均衡。此外,考虑到大传输功率情况下,为实现各模块的充分运用,补充提出了一种功率补偿协同控制PCCC（power compensation cooperative control）算法。最后,基于DSP28335的半实物仿真平台对所提出的功率均衡方案进行对比实验验证。
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  基于电容电流的变换器多脉冲序列控制技术研究

  秦明, 宋胜男, 王克文

  电源学报. 2023, 21(1): 9-16. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.9

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  针对脉冲序列PT（pulse train）控制连续导电模式CCM（continuous conduction mode） Buck变换器存在的低频振荡问题,提出一种基于电容电流的变换器多脉冲序列CC-MPT（capacitor current multi-pulse train ）控制技术。该控制技术检测每个开关周期起始时刻的电容电流值,当电容电流较小时,产生一个高能量脉冲,使电容电流增大到一定范围内,然后比较输出电压与参考电压,选择中、低能量脉冲,调节变换器输出电压。以Buck变换器为例,介绍了CC-MPT控制的工作原理、控制特性与抑制低频振荡机理,进行了时域仿真分析和相图分析,建立了开关映射模型并分析其动力学行为,并通过实验验证了该控制技术的可行性。相比于传统PT控制CCM变换器,CC-MPT控制可以消除低频振荡现象,具有更好的输出特性。
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  一种改进型含吸收回路的准△源升压变换器

  房绪鹏, 薄常辉, 阚兴宸, 李鑫媛

  电源学报. 2023, 21(1): 17-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.17

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  针对传统耦合电感网络变换器中漏感所导致的母线电压尖峰问题,在△源变换器的基础上,结合LCD吸收回路与箝位二极管的概念,提出具有母线电压尖峰吸收能力的准△源变换器电路拓扑。分析了传统△源变换器电压尖峰的产生原理,并将吸收回路对电压尖峰的抑制进行理论分析。与传统的耦合电感网络变换器的拓扑结构相比较,所提拓扑大大提高了升压能力,有效抑制了母线电压尖峰,降低了元器件的电压应力。运用MATLAB/Simulink软件对电路进行了仿真,并在仿真的基础上搭建了实验样机,实验结果与理论分析相一致,验证了改进型电路拓扑的可行性和实用性。
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  宽输出LLC谐振变换器的定频PWM控制策略

  刘松林, 潘健, 陈庆东, 陈凤娇

  电源学报. 2023, 21(1): 26-34. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.26

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  传统频率控制的LILC谐振变换器不适用于宽电压范围的应用场合,且存在较大的循环电流而难以实现高转换效率。为了解决这些问题,提出一种简单的定频PWM控制策略,谐振变换器的后桥臂通过固定的开关频率控制,开关频率等于谐振频率;前桥臂采用PWM控制,将谐振网络的输入电压转换成多电平电压,谐振变换器实现2倍的电压增益调节范围。在这种控制方式中,增益范围独立于负载和励磁电感,可以简化谐振参数设计,通过设计较大的励磁电感减小电路的传导损耗和开关关断损耗,提升转换效率。仿真结果表明：谐振变换器可以实现宽输出电压,该控制策略降低了循环电流和关断电流。最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性。
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  双有源桥变换器电流应力优化的双重移相调制方式

  王仁龙, 李永建, 李珊瑚, 杨庆新

  电源学报. 2023, 21(1): 35-44. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.35

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  为了减小双有源桥DAB（dual active bridge）变换器在双重移相DPS（dual phase-shift）调制方式时,由于变压器原、副边电压不匹配导致电流应力增大的问题,基于DPS调制方式,在不增加新的移相控制变量的前提下,改变内外移相角间的约束关系,提出了一种电流应力优化的新型移相IDPS（improved dual phase-shift）调节方式。分析了IDPS工作特性,建立电流与功率的数学模型;提出电流应力优化控制方法,并与传统DPS调制方式对比,分析电流应力与回流功率特性。最后搭建实验平台验证,提出的IDPS调制方式与传统DPS方式相比,降低了轻载与中载时的电流应力与回流功率。
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  数十兆赫兹级DC-DC变换器关键技术研究进展

  曾利彬, 陈艳峰, 张波, 丘东元

  电源学报. 2023, 21(1): 45-54. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.45

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  随着变换器工作频率从以往的数十千赫兹级跃至数十兆赫兹级,在显著减小系统无源元件体积、降低整体重量及成本、提高系统瞬态响应速度的同时也面临许多新的挑战。首先简要阐述数十兆赫兹级DC-DC变换器典型拓扑、驱动和控制方式,随后针对寄生电感抑制、提升宽输入宽输出能力及功率密度等关键技术展开介绍,希望能为后续相关研究提供参考。
DC-AC逆变器
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  一种改进的CHB多电平变换器PWM调制策略

  董璧韬, 胡长生, 姚文熙, 张飞力, 张军明, 徐德鸿

  电源学报. 2023, 21(1): 55-63. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.55

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  级联H桥CHB（cascaded H-bridge）多电平变换器是中压大功率电机驱动系统最广泛采用的拓扑,传统LS-PWM和PS-PWM不能很好地兼顾输入、输出电流的谐波性能,对比了CHB多电平变换器在这两种调制策略下的输入和输出THD,分析了两种方法下输入、输出波形产生区别的本质原因,进而探讨了一种局部载波移相PWM调制方法。该方法吸收了两种调制方法的优点,发挥PS-PWM调制时模块功率均衡和网侧输入电流谐波低的特点以及LS-PWM输出电能质量好的特点。最后,搭建了三相七电平CHB变换器实验平台,对局部载波移相PWM调制策略进行了验证。
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  单极性SPWM逆变器并联环流分析与抑制

  徐瑞廷, 王顺亮, 刘小林, 孙成, 吴沂洋

  电源学报. 2023, 21(1): 64-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.64

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  单极性正弦脉冲宽度调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）具有开关损耗低、效率高、输出波形良好的优点,然而在逆变器并联系统中,使用单极性SPWM方法可能引发环流,造成系统效率降低、电流波形畸变甚至器件损坏。对比采用4种不同单极性SPWM方法时并联系统的环流产生情况发现,只有双臂斩波单极性SPWM会引发环流,并从控制结构上分析了这一环流产生的原因。此外,针对使用双臂斩波单极性SPWM的情况,提出了一种不需要额外增加硬件成本的控制方法,可以避免在逆变器并联系统中引发环流。通过仿真与实验验证了该方法的可行性与有效性。
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  基于准PR调节器的模块化多电平变流器输电控制方法

  摆世彬, 田志浩, 王峰, 孙丽香

  电源学报. 2023, 21(1): 74-80. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.74

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  基于不平衡交流电网内功率波动导致模块化多电平变流器子模块能量不平衡,间接导致模块化多电平变流器型高压直流输电性能受到影响的问题,提出复合控制方法,将基于子模块电压值的电平调制方法与环流抑制方法相结合,在PSCAD/EMTDC软件上构建交流电网模块化多电平变流器两端输电模型,实施对不平衡交流电网内有功功率仿真的控制。结果显示,所提方法可保障交流电网不平衡条件下子模块电容电压均值稳定。
并网逆变器
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  考虑多控制环耦合的并网逆变器非线性建模及仿真分析

  李锡林, 查晓明, 田震, 黄萌, 李翼翔, 唐英杰

  电源学报. 2023, 21(1): 81-89. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.81

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  随着新能源发电技术的快速发展和电力电子化设备的规模化应用,电力电子化已成为新型电力系统的重要发展趋势。并网逆变器作为新能源接入电网的重要接口,其暂态稳定性对电力系统的稳定可靠运行尤为重要。并网逆变器具有多控制环耦合与强非线性的特征,因此建立其非线性数学模型是分析其暂态稳定性的重要基础。然而,已有的研究大多是基于小信号建模或只考虑单一控制环节的简化非线性建模,不能完全表征并网逆变器在大扰动条件下的暂态响应。因此,充分考虑并网逆变器多控制环耦合特性,建立其全阶非线性暂态模型,包含功率下垂控制环、锁相环,电压电流双闭环控制。为了便于模型应用,采用奇异摄动法推导了非线性降阶模型。利用Matlab/Simulink时域仿真和RT-Lab实时仿真,验证了全阶模型和降阶模型在小扰动和大扰动下的准确性。在非线性降阶模型的基础上进行线性化,并利用小信号方法分析了系统参数对稳定性的影响。所建立的并网逆变器非线性暂态模型具有较高的模型精度和实用性,可为电力电子化电力系统的暂态稳定性分析提供数学模型基础。
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  扩大级联光伏逆变器运行范围的谐波补偿控制

  吴孟泽, 张兴, 王明达, 王平洲, 杨思为, 王付胜

  电源学报. 2023, 21(1): 90-98. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.90

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  随着户用型光伏产业的不断发展,级联H桥CHB（cascaded H-bridge）逆变器因其模块化的结构,能实现组件级关断、组件级最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）和多电平输出等优势,受到了户用型光伏研究领域的关注。但由于实际光伏组件会老化或被遮挡,各单元输出功率不再相同,部分模块会出现过调制问题,影响了并网电流质量,甚至难以维持系统稳定。针对此问题,提出一种谐波补偿的控制策略,并设计补偿谐波的分配方法。对比现有方法,所提方法能进一步扩大CHB逆变器运行范围,且在不损失系统发电量的条件下仍运行于单位功率因数,还能保证并网电流的THD要求。最后通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。
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  电网不平衡下并网逆变器的矢量比例积分控制

  王素娥, 王子婷, 郝鹏飞

  电源学报. 2023, 21(1): 99-106. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.99

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  当电网电压发生不平衡故障时,逆变器的输出电流会发生畸变。通过分析电网电压不平衡下逆变器的网侧数学模型,提出了一种基于矢量比例积分VPI（vector proportional integral）控制器的PI-VPI（proportional integral-vector proportional integral）控制策略。通过系统开环、闭环的Bode图对PI-VPI控制器性能进行分析,发现相比于传统的比例谐振PR（proportional resonance）控制策略,PI-VPI控制器可确保闭环电流控制达到谐振频率处期望的0°相位响应,提高电流闭环控制的稳定性与控制精度。设计了PI-VPI控制器参数。仿真与实验结果表明,该方法能有效抑制电网电压不平衡引起的输出电流畸变。
新能源系统
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  基于三矢量的并网逆变器模型预测直接功率控制

  刘述喜, 任海峰, 郭强, 苏新柱

  电源学报. 2023, 21(1): 107-117. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.107

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  并网逆变器采用双矢量模型预测直接功率控制策略时,存在输出电压矢量覆盖范围受限、并网电流谐波含量高、功率脉动大的问题。对此,提出了一种基于三矢量的并网逆变器模型预测直接功率控制策略,通过构建αβ坐标系下预测功率模型,在每个控制周期进行2次电压矢量选择,用相邻2个非零电压矢量和1个零电压矢量合成出期望电压矢量,使输出电压矢量方向与幅值均可调,同时对有功功率和无功功率进行无差拍控制,有效改善并网电能质量及减小功率脉动,并通过空间矢量脉冲宽度调制使开关频率固定。仿真和实验结果表明,相比单、双矢量模型预测直接功率控制策略,所提方法并网电流谐波含量低、功率脉动小,具有良好的动稳态性能。
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  基于NSGA-II-PSO算法的微电网多目标优化运行模式

  赵珍珍, 王维庆, 樊小朝, 王海云

  电源学报. 2023, 21(1): 118-125. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.118

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  解决微网中新能源出力的随机性与波动性是微电网优化运行的前提和关键,为此,提出一种快速非支配排序遗传算法NSGA-II （non-dominated sorting genetic algorithm）和基本粒子群优化算法PSO（particle swarm optimization）相结合的NSGA-II-PSO算法,考虑将经济运行成本和环境污染成本作为优化的目标函数,建立常见发电单元以及蓄电池储能的多目标优化运行模型。通过Matlab仿真对比PSO、NSGA-II和NSGA-II-PSO算法的适应度收敛曲线,验证所提算法具有收敛速度快、全局和局部搜索能力强的优点,较单一的PSO算法和NSGA-II算法具有更优的特点;结合经典微网系统进行算例仿真,通过对单目标与多目标的分析,结果表明该算法能有效降低经济成本和使环境效益达到最优;并且进一步验证所提算法的优越性。
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  基于先导节点选取下优化下垂控制的孤岛运行微电网负荷功率分配方法

  毛荀, 占勇, 刘敏, 郭力

  电源学报. 2023, 21(1): 126-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.126

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  针对传统孤岛运行微电网存在运行不平稳的问题,提出基于先导节点选取下优化下垂控制的孤岛运行微电网负荷功率分配方法。首先通过导纳矩阵对电源端的电阻进行控制,给出各端口的电流及电压,得到先导节点选取矩阵相关的适应度函数,确定孤岛微电网先导节点。在此基础上,对直流电压与输出功率均值和传统下垂控制方法导致的电压跌落进行补偿,优化负荷功率的分配精度。实验结果表明,该方法可使母线电压恢复至平稳运行状态。
电池
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  基于三次样条插值法的储能锂电池建模与参数辨识

  马锐, 贾学翠, 张永康, 闫士杰, 李相俊, 杨东升

  电源学报. 2023, 21(1): 133-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.133

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  针对锂电池低荷电状态时输出变化大和模型参数辨识困难问题,提出一种基于三次样条插值法的建模与参数辨识方法。首先建立了含SOC动态的三阶3RC-3D等效电路模型,分析了低SOC时应用最小二乘法对不同模型参数进行辨识产生的误差。在此基础上,结合三次样条插值法的拟合特性和合适的边界条件,构造了三次样条插值函数,在SOC≤10%区间进行了模型各参数辨识,并拟合出了模型参数变化曲线。最后,将辨识后的模型参数曲线与混合脉冲功率特性HPPC（Hybrid Pulse Power Characterization）试验的实际测量值进行了对比。从比较结果看,本文所提的辨识方法减小了参数辨识误差,提高了模型精度,验证了在SOC≤10%区间应用三次样条插值法进行锂电池模型参数辨识的有效性。仿真结果表明,基于三次样条插值辨识方法建立的三阶3RC-3D等效电路模型能够高精度地跟踪锂电池输出外特性。
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  基于过电位三次微分方程的电池预测模型

  张冶, 蔡颖凯, 曹世龙, 高胜宇, 宋晓文

  电源学报. 2023, 21(1): 142-150. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.142

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  主要针对锂铁电池的过电位进行研究。通过在受控的环境温度、调整后的放电深度以及放电电流倍率的条件下进行多次充放电实验,从而采集动态电压变化数据,并提出了一种基于三次超势微分方程的预测模型。该模型能够以较少的参数预测电池带负荷电压的时间常数随时间的变化规律。同时,在此基础上提出了一套随电池老化而进行参数调整的方法。最终通过算例分析验证了该模型的有效性。
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  基于神经网络的动力电池单体电压差预测方法

  黄顺, 何佳伟, 郑望晓

  电源学报. 2023, 21(1): 151-158. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.151

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  针对动力电池单体电压差预测问题,基于神经网络算法建立单体电压差预测模型。将总里程、电池包电流、电池包电压、电池温度、SOC作为模型的输入,将单体电压差作为模型的输出,将电动汽车长里程道路试验采集的数据划分为训练集和测试集,用于模型的训练和测试。结果表明,用所提方法进行单体电压差预测时可使均方差仅为0.004%,可行性被验证。最后,用所提方法得到长里程下单体电压差的预测值,为动力电池单体电压差的定量预测提供了一种新的方法。
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  面向直流操作电源系统的LiFePO₄电池性能优化控制研究

  郑明才, 罗治军, 尹强, 赵小超, 郑金兵

  电源学报. 2023, 21(1): 159-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.159

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  磷酸铁锂电池电压变化范围较宽且充放电特性敏感,一般不宜简单应用于需要长期处于浮充状态的直流操作电源系统。为此,提出了一种磷酸铁锂电池在直流操作电源系统应用中的优化控制方案,根据磷酸铁锂电池工作状态,利用AC/DC充电电源优化控制电池的充放电电流大小,使电池在浮充状态下获得电池期望的充放电电流,以实现磷酸铁锂电池在直流操作电源系统中的安全高效经济应用。首先,基于直流操作电源系统指标要求与磷酸铁锂电池性能优化要求,确定其期望的充放电状态与充放电电流值;然后,根据磷酸铁锂电池期望的充放电电流值与内部等效状态,在允许的电压波动范围内调节直流操作电源系统中AC/DC变换器的输出电压,迫使磷酸铁锂电池的实际充放电电流趋于期望的充放电电流,从而优化磷酸铁锂电池的性能。最后通过理论分析与实例分析说明了方案的可行性。
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  基于IGWO-MKELM的锂离子电池剩余使用寿命预测

  宋健正, 刘洋, 崔来熙, 张梦迪

  电源学报. 2023, 21(1): 168-176. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.168

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  随着锂离子电池在储能系统中比例迅速增大,为避免因电池性能退化导致的事故,如何准确预测锂离子电池剩余使用寿命就成为保障储能系统可靠运行的关键。针对锂离子电池剩余使用寿命预测的问题,提出一种改进灰狼优化多核极限学习机（IGWO-MKELM）预测方法。首先从电池充放电过程中提取能够表征电池寿命退化的间接健康因子作为输入量,然后采用改进灰狼算法对多核极限学习机参数进行寻优,建立改进灰狼优化多核极限学习机预测方法,最后使用NASA电池数据集进行仿真实验。结果表明,IGWO-MKELM方法可以更加精确地预测锂离子电池剩余寿命。
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  IGBT模块寿命预测方法研究综述

  唐圣学, 张继欣, 姚芳, 马强

  电源学报. 2023, 21(1): 177-194. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.177

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  绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）模块在高压大功率电能转换领域具有广泛应用,在这些领域人们对IGBT模块可靠性提出了更高的要求。首先归纳预测了IGBT模块及其模块市场规模与需求。然后从寿命预测机理角度,将IGBT模块预测方法归类为基于模型的预测方法和数据驱动的预测方法两大类,对每类的研究现状、基本原理、预测过程实施、适用范围和优缺点进行了分析、总结与归纳。最后统计分析了近十年研究成果,并讨论了IGBT模块寿命预测方法发展趋势。
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  无压烧结银-镍互连IGBT电源模块的力、热和电性能

  王美玉, 梅云辉, 李欣, 郝柏森

  电源学报. 2023, 21(1): 195-201. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.195

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  作为一种应用广泛的基板金属镀层,镍在烧结过程中易发生氧化,形成烧结银-镍高性能互连接头较为困难,相关研究报道较少。提出了一种多尺度银焊膏互连材料和烧结银-镍无压互连工艺,研究了在220~300 ℃烧结10~60 min对烧结银-镍互连封装的IGBT电源模块的力、热和电性能的影响。研究结果表明：得益于多尺度银焊膏的致密堆积烧结,在270~300 ℃高温烧结30~60 min时镍氧化减缓,在270 ℃无压烧结30 min互连的芯片抗剪切强度在40 MPa以上,热阻和静态电特性与仿真结果和IGBT芯片数据手册差异性<0.5%,表明无压烧结银-镍互连IGBT芯片具有较高的连接强度、导热和导电性能,可以满足半导体电源模块的互连封装要求。
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  10 kV P沟道SiC IGBT终端结构优化设计与实现

  冯旺, 刘新宇, 田晓丽, 杨雨, 郑昌伟, 杨成樾

  电源学报. 2023, 21(1): 202-207. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.202

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  提出采用五区多重场限环FRM-FLRs（five-region multistep field limiting rings）终端设计并流片,研制10 kV P沟道碳化硅绝缘栅双极晶体管 SiC IGBT（silicon carbide insulated gate bipolar transistor）终端。通过Silvaco TCAD软件仿真,对比研究传统等间距场限环ES-FLRs（equally spaced field limiting rings）终端和五区多重场限环终端对器件击穿特性的影响。仿真结果表明,五区多重场限环终端具有更均衡的近表面电场分布,减缓电场集中,优化空间电荷区横向扩展,且击穿电压可达到14.5 kV,而等间距场限环终端击穿电压仅为7.5 kV。同时,分别对五区多重场限环终端,以及采用此终端结构的P沟道SiC IGBT进行流片验证。测试结果表明,五区多重场限环终端可以实现12.2 kV的击穿电压;P沟道SiC IGBT的击穿电压达到10 kV时,漏电流小于300 nA,并且栅源电压为-20 V, 集电极正向电流为-10 A时,器件的正向导通压降为-8 V。
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  SiC超结MOSFET的短路特性研究

  刘佳维, 陆江, 白云, 成国栋, 左欣欣, 刘新宇

  电源学报. 2023, 21(1): 208-212. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.1.208

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  SiC超结MOSFET设计基于N/P柱的电荷补偿效应,在保证耐压的同时具有较低的导通损耗和更快的开关速度,因此对SiC超结MOSFET可靠性的分析研究有助于深入理解器件工作机理,为更好地应用提供必要的理论支撑。基于TCAD Sentaurus模拟软件,对1 200 V电压等级的传统SiC MOSFET结构和SiC超结 MOSFET结构进行建模。首先对比了2种器件的基本电学参数,然后重点分析了短路特性差异,在相同短路条件下对器件内部的物理机理进行了分析。结果表明SiC超结 MOSFET可以有效地提高器件的击穿电压和导通电阻,同时表现出更好的短路可靠性。进一步分析了不同的偏置电压下SiC超结 MOSFET的短路特性,结果表明,随着外部施加偏置电压增加,器件的短路耐受时间减小,同时短路饱和电流也会相应增大。