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作者与机构
本综述由Shubhangi Bhadoria（瑞典皇家理工学院KTH博士生）、Frans Dijkhuizen（KTH与Hitachi Energy Research）、Rishabh Raj、Xiongfei Wang、Qianwen Xu、Elison Matioli（瑞士洛桑联邦理工学院EPFL）、Konstantin Kostov（瑞典研究机构RISE）以及Hans-Peter Nee（KTH教授，IEEE Fellow）共同完成，发表于2023年3月的《IEEE Transactions on Power Electronics》第38卷第3期。
主题与背景
论文题为《Enablers for Overcurrent Capability of Silicon-Carbide-Based Power Converters: An Overview》，聚焦碳化硅（SiC）功率模块在过电流（Overcurrent, OC）工况下的性能提升技术。随着可再生能源（RES）在电网中渗透率提高，传统硅基IGBT因热容限制仅能承受毫秒级过电流，而SiC器件凭借宽禁带特性（Wide Band Gap, WBG）有望突破这一瓶颈。本文系统梳理了SiC功率模块在封装材料、热管理技术、模块布局及控制策略等方面的研究进展，旨在为高过电流能力的设计提供技术路线图。
主要观点与论据
1. SiC器件的过电流性能优势与限制因素
SiC相比硅（Si）具有三倍热导率、更高禁带宽度及更低本征载流子浓度，可耐受更高结温（未来或达250°C）。但当前限制包括：
- 栅极氧化层稳定性：高温下SiC MOSFET的氧化层易退化（如300°C时500 ns内可能失效）；
- 顶部金属化与键合线：大电流下铝键合线（CTE不匹配）易发生熔断或疲劳断裂；
- 热机械应力：SiC高杨氏模量（455 GPa）导致芯片与封装材料界面应力集中。
*证据*：文献[34-35]通过加速老化实验证实氧化层退化机制；[66-67]对比了铝键合线与铜带键合的失效模式差异。
2. 封装材料的高温适应性改进
- 衬底技术：直接覆铜（DBC）因铜与陶瓷（Al₂O₃/AlN）的热膨胀系数（CTE）失配易失效，活性金属钎焊（AMB）衬底通过CTE匹配（5 ppm/°C）将循环寿命提升14倍[58]；
- 芯片贴装：纳米银烧结（Thermal Conductivity 250 W/m·K）比传统SnAg焊料（57 W/m·K）提升短路耐受能量85%[80]；
- 封装材料：聚对二甲苯（Parylene HT）可替代硅胶，在>200°C下保持绝缘性能（表IV）。
*证据*：Hitachi ABB的SKiN技术[93]采用柔性电路替代键合线，使浪涌电流能力显著提高。
3. 相变材料（PCM）与热管理技术
- 金属PCM：铜（Cu）因高热导率（400 W/m·K）适合毫秒级过电流，200 ms内可将结温控制在250°C以下（需1.62 mm厚度，图4）；
- 共晶盐PCM：如NaNO₃-NaOH（熔点250°C，相变焓369 kJ/kg）通过潜热吸收延长过电流时间至秒级，但需搭配金属网格提升热扩散效率（图8）；
- 微通道冷却：器件级微通道（热通量2000 W/cm²）可降低瞬态热阻30%[130]，但需复杂流体控制系统。
*证据*：[8]实验表明PCM可将SiC模块的SOA（Safe Operating Area）扩展至3倍标称电流5秒。
4. 模块布局与并联设计创新
- 平面模块：如Infineon的CoolSiC™采用双面DBC冷却，结温降低42%[154]；
- 压接封装：无键合线设计（如Mo基板匹配SiC的CTE）减少热阻61%[162]；
- 并联优化：10个SiC JFET并联的40 kVA逆变器效率>99.5%[6]，但需平衡寄生参数。
*证据*：Semikron的SKiN技术[151]通过铜互联降低热阻，同时提升功率循环能力。
5. 控制策略与调制技术
- 温度动态限流：通过注入谐波电流扩展SOA，如MMC（Modular Multilevel Converter）的视在功率可从500 MVA提升至1200 MVA[10]；
- 结温反馈控制：在80°C触发限流后，过载1.15 p.u.可持续20秒[15]。
论文价值与意义
1. 科学价值：首次系统整合SiC功率模块过电流能力的多学科技术路径，涵盖材料科学、热力学与电力电子控制；
2. 工程指导：提出“临界能量”概念（图1），为模块寿命与过载能力的权衡设计提供量化框架；
3. 技术前瞻：预测SiC器件结温上限将提升至250°C（当前175°C），推动高温封装材料研发[45-47]。
亮点
- 跨尺度热管理：从纳米银烧结（材料级）到微通道冷却（系统级）的全链条技术分析；
- 创新技术评估：对比PCM、热电制冷（TEC）等非传统方案的适用时间尺度（图11）；
- 工业应用案例：引用Tesla Model 3的SiC模块设计[74-75]，凸显技术落地潜力。
此综述为高可靠性SiC功率转换器的设计提供了关键技术选择与未来研究方向，尤其对电网故障穿越（Fault Ride-Through, FRT）和可再生能源并网具有重要参考价值。