團(tuán)隊介紹
李學(xué)寶
華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副教授，是感謝通訊，主要研究領(lǐng)域為高壓大功率電力電子器件封裝。目前主持China自然科學(xué)基金項目2項。發(fā)表SCI/EI收錄論文60余篇，其中以第壹或通信發(fā)表/錄用SCI論文30篇，獲省部級一等獎3項；現(xiàn)任《High Voltage》副感謝、華夏電機工程學(xué)會電工理論與新技術(shù)可以委員會第八屆委員會秘書長等。
團(tuán)隊隸屬于新能源電力系統(tǒng)China重點實驗室（華北電力大學(xué)），團(tuán)隊學(xué)術(shù)帶頭人為崔翔教授。自2012起圍繞高壓大功率電力電子器件國產(chǎn)化研制與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司合作開展研究，聚焦高壓（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封裝領(lǐng)域，圍繞芯片建模與特性分析、多芯片并聯(lián)均流、封裝絕緣特性分析以及封裝中得多物理場分析與調(diào)控等問題，支撐高壓大功率IGBT器件國產(chǎn)化研制。承擔(dān)得China項目包括China自然科學(xué)基金-智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點項目1項、面上項目1項、China重點研發(fā)計劃課題1項以及子課題4項。
有機硅彈性體具有優(yōu)異耐高溫絕緣性能與穩(wěn)定得物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于高壓SiC功率器件封裝絕緣中。新能源電力系統(tǒng)China重點實驗室(華北電力大學(xué))得研究人員劉東明、李學(xué)寶、頊佳宇、毛塬、趙志斌，在2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，詳細(xì)介紹了有機硅彈性體得制備方式與基礎(chǔ)理化特性，獲得了有機硅彈性體在高溫寬頻條件下得介電特性，利用改進(jìn)分段Cole-Cole模型對有機硅彈性體介電參數(shù)進(jìn)行了有效提取，獲得了溫度與頻率對有機硅彈性體介電特性影響規(guī)律與機理。該研究為SiC功率器件得封裝設(shè)計提供關(guān)鍵得數(shù)據(jù)支撐。
近年來，隨著功率器件高頻化、大功率化與微型化得發(fā)展趨勢，SiC功率器件在高壓、高溫、高頻條件下展現(xiàn)出極大優(yōu)勢，成為了新一代功率器件得不二選擇。
嚴(yán)苛得工況對封裝絕緣材料提出了更高得要求，有機硅彈性體具有耐超高溫、防水、防腐蝕與良好得電氣絕緣性能，成為了SiC功率器件灌封絕緣材料得一家。同時，由于SiC功率器件運行溫度可達(dá)250℃，承受電壓高頻分量可達(dá)10MHz，有機硅彈性體在如此高得頻率和溫度范圍內(nèi)得介電特性將會極大影響SiC器件內(nèi)部電場分布，因此研究有機硅彈性體在高溫、高頻下得介電特性具有重要意義。
器件封裝絕緣材料得性能決定了器件應(yīng)用得范圍，國內(nèi)外研究學(xué)者針對有機硅彈性體得介電損耗、介電強度與局放閾值進(jìn)行了一定得研究。但目前，有機硅彈性體制備方式尚不明確，其理化特性尚不清晰，缺乏高溫、高頻范圍下得介電特性得研究。
針對以上問題，華北電力大學(xué)得研究人員詳細(xì)地研究了有機硅彈性體得制備方式，提出分次逐步脫氣方式，獲得了狀態(tài)良好得有機硅彈性體試品，并發(fā)現(xiàn)其在280℃以下性能穩(wěn)定。
圖1 有機硅彈性體樣品
圖2 有機硅彈性體熱重曲線
研究人員考慮到SiC器件實際工況，利用介電譜測量了20~200℃、10-2-107Hz范圍內(nèi)得有機硅彈性體介電特性，并分析了溫度與頻率對有機硅彈性體介電過程得影響規(guī)律。
他們發(fā)現(xiàn)在測試溫度范圍內(nèi)，有機硅彈性體表現(xiàn)出高頻介電穩(wěn)定過程、直流電導(dǎo)過程、介電弛豫過程、低頻彌散過程與電荷擴(kuò)散過程五種不同得介電響應(yīng)過程，其中溫度和頻率對低頻彌散過程與電荷擴(kuò)散過程影響顯著，溫度越高，兩者強度越大，同樣，頻率越低，兩者強度也有上升。
圖3 有機硅彈性體介電特性
同時根據(jù)有機硅彈性體介電特性測試結(jié)果，研究人員提出了分段式改進(jìn)Cole-Cole模型對有機硅彈性體介電數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提出了包含低頻彌散過程與電荷擴(kuò)散過程得Cole-Cole模型表達(dá)式，再基于蕞小二乘原理，給出各參數(shù)初值提取方法，建立了目標(biāo)函數(shù)，獲得了良好得擬合效果。
根據(jù)有機硅彈性體改進(jìn)得Cole-Cole模型擬合數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)直流電導(dǎo)率、弛豫強度與低頻彌散強度和溫度得變化規(guī)律滿足Arrhenius方程規(guī)律，隨溫度升高呈上升趨勢；高頻介電常數(shù)隨溫度升高呈現(xiàn)線性下降規(guī)律；弛豫時間隨溫度上升呈指數(shù)型下降趨勢，可利用雙勢阱模型進(jìn)行解釋。
圖4 溫度對有機硅彈性體介電參數(shù)影響
引用感謝劉東明, 李學(xué)寶, 頊佳宇, 毛塬, 趙志斌. 高壓SiC器件封裝用有機硅彈性體高溫寬頻介電特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(12): 2548-2559. Liu Dongming, Li Xuebao, Xu Jiayu, Mao Yuan, Zhao Zhibin. Analysis of High Temperature Wide Band Dielectric Properties of Organic Silicone Elastomer for High Voltage SiC Device Packaging. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2548-2559.
