本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是对该研究的学术报告：

作者及发表信息

本研究由Shubhangi Bhadoria（第一作者，瑞典皇家理工学院KTH与西安交通大学联合培养）、Frans Dijkhuizen（Hitachi Energy Research）、Xu Zhang（西安交通大学与英国华威大学联合培养）、Li Ran（华威大学）和Hans-Peter Nee（瑞典皇家理工学院KTH）共同完成，发表于期刊Energies 2024年第17卷，文章标题为《Over-Current Capability of Silicon Carbide and Silicon Devices for Short Power Pulses with Copper and Phase Change Materials Below the Chip》。

学术背景

研究领域：电力电子器件可靠性，聚焦于碳化硅（SiC）和硅（Si）半导体器件在过电流（Over-Current, OC）工况下的热管理。
研究动机：随着可再生能源占比提升，电力系统过电流事件频发，可能导致半导体器件因结温（Junction Temperature）超限而热失控。传统保护装置（如熔断器）的响应时间（约200毫秒）可能不足以保护器件，因此需探索新型热缓冲方案。
科学问题：如何通过改进功率模块结构（如添加吸热材料）提升Si和SiC器件的短时过电流能力？
研究目标：对比铜块（Copper Block）与铜基相变材料（Phase Change Material, PCM）在吸收瞬态热量、延缓结温上升方面的性能差异，并评估其对Si（最高结温175°C）和SiC（最高结温250°C）器件的适用性。

研究流程与方法

1. 功率模块结构设计

• 基础结构：基于Semikron SKM50GB12T4模块，包含芯片、焊料、陶瓷基板（Alumina）、基板、散热器等。
  
• 改进结构：
  
  • 方案1：芯片下方直接焊接铜块（19×19×5 mm），利用铜的高导热性快速扩散热量。
    
  • 方案2：铜块内嵌入圆柱形PCM（Si用LM108，SiC用锂），通过相变潜热吸收瞬态热量（PCM体积占比38%）。
    

2. 仿真建模与参数设置

• 工具：COMSOL Multiphysics有限元分析，采用“固体传热”物理场，PCM相变模型通过焓法（公式1-2）描述。
  
• 关键参数：
  
  • 器件尺寸：Si IGBT（9.1×9.1×0.35 mm）、SiC MOSFET（6.3×6.3×0.35 mm）。
    
  • 材料属性：铜（导热系数387.6 W/(m·K)）、LM108（熔点108°C，潜热45 kJ/kg）、锂（熔点180°C，潜热455 kJ/kg）。
    
  • 工况：过电流倍数（2×、3×、4×额定电流）、持续时间（毫秒至秒级），初始稳态温度设为100°C。
    

3. 损耗计算与热源建模

• Si IGBT：基于Infineon应用笔记，计算导通损耗（公式3）和开关损耗（公式4），考虑调制指数（m=0.9）和功率因数（cosφ=0.9）。
  
• SiC MOSFET：考虑反向导通特性，忽略体二极管损耗，采用平均导通电阻（R_dson）估算损耗（公式7-8）。
  

4. 应用场景仿真

• 逆变器应用：半桥结构，对比Si IGBT与SiC MOSFET在相同电流下的热响应。
  
• DC/DC变换器：单器件结构，分析瞬态过电流能力。
  

主要结果

1. Si与SiC器件的过电流能力差异

• Si IGBT：标准模块在4倍过电流（120 A）下稳态结温为170°C（未超限），但铜块结构可降低温度波动（如3倍OC时结温降低8°C）。
  
• SiC MOSFET：铜块将2倍OC（316.75 A）的耐受时间从4.7秒延长至8.6秒（表8），因SiC允许更高结温（250°C）。
  

2. 铜块与铜-PCM的性能对比

• 短时脉冲（秒）：铜块表现更优，因其导热速率快于PCM（如3倍OC时铜块耐受900 ms，PCM仅700 ms）。
  
• 长时脉冲（>5秒）：PCM的潜热吸收优势显现（如Si IGBT在2倍OC下PCM完全熔化，降低稳态温度）。
  

3. 热流密度与PCM熔化关系

• 高热流密度（如4倍OC）下，PCM未充分熔化即达结温限值（图8d），导致铜块更有效。
  
• 低热流密度（如2倍OC）下，PCM熔化比例达70%（图8b），延缓温升。
  

结论与价值

1. 科学价值：揭示了铜块在短时过电流中的主导作用，挑战了PCM在瞬态热管理中的传统优势认知。
   
2. 工程意义：提出铜块作为更易制造的解决方案，尤其适合SiC器件的高功率密度应用（如电动汽车逆变器）。
   
3. 局限性：铜块增加稳态热阻，未来需研究顶部散热方案（如石墨烯复合PCM）以兼顾稳态与瞬态性能。
   

研究亮点

1. 创新方法：首次系统对比铜块与铜-PCM在Si/SiC器件中的热缓冲性能，填补了毫秒级过电流研究的空白。
   
2. 多场景验证：覆盖逆变器和DC/DC变换器，结论具有普适性。
   
3. 跨学科融合：结合电力电子（器件损耗模型）与材料科学（PCM相变动力学），为热-电协同设计提供范例。
   

其他有价值内容

• 数据可用性：文中未公开原始数据，但提供了完整的仿真参数（表1-2）供复现。
  
• 冲突声明：作者声明无利益冲突，研究受Hitachi Energy Research和瑞典能源署资助。
  

（注：专业术语如“结温”（Junction Temperature）、“相变材料”（Phase Change Material, PCM）等均在首次出现时标注英文原文。）