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，是本文通訊作者，主要研究領(lǐng)域為高壓大功率電力電子器件封裝。目前主持國家自然科學(xué)基金項目2項。發(fā)表SCI/EI收錄論文60余篇，其中以第一或通信作者發(fā)表/錄用SCI論文30篇，獲省部級一等獎3項；現(xiàn)任《High Voltage》副編輯、中國電機(jī)工程學(xué)會電工理論與新技術(shù)專業(yè)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)國家重點實驗室（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的多物理場分析與調(diào)控等問題，支撐高壓大功率IGBT器件國產(chǎn)化研制。承擔(dān)的國家項目包括國家自然科學(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、國家重點研發(fā)計劃課題1項以及子課題4項。

有機(jī)硅彈性體具有優(yōu)異耐高溫絕緣性能與穩(wěn)定的物理化學(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)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))的研究人員劉東明、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(jī)硅彈性體的制備方式與基礎(chǔ)理化特性，獲得了有機(jī)硅彈性體在高溫寬頻條件下的介電特性，利用改進(jìn)分段Cole-Cole模型對有機(jī)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(jī)硅彈性體介電特性影響規(guī)律與機(jī)理。該研究為SiC功率器件的封裝設(shè)計提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

近年來，隨著功率器件高頻化、大功率化與微型化的發(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的不二選擇。

嚴(yán)苛的工況對封裝絕緣材料提出了更高的要求，有機(jī)硅彈性體具有耐超高溫、防水、防腐蝕與良好的電氣絕緣性能，成為了SiC功率器件灌封絕緣材料的首選。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(jī)硅彈性體在如此高的頻率和溫度范圍內(nèi)的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(jī)硅彈性體在高溫、高頻下的介電特性具有重要意義。

器件封裝絕緣材料的性能決定了器件應(yīng)用的范圍，國內(nèi)外研究學(xué)者針對有機(jī)硅彈性體的介電損耗、介電強(qiáng)度與局放閾值進(jìn)行了一定的研究。但目前，有機(jī)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、高頻范圍下的介電特性的研究。

針對以上問題，華北電力大學(xué)的研究人員詳細(xì)地研究了有機(jī)硅彈性體的制備方式，提出分次逐步脫氣方式，獲得了狀態(tài)良好的有機(jī)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(jī)硅彈性體樣品

圖2 有機(jī)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)的有機(jī)硅彈性體介電特性，并分析了溫度與頻率對有機(jī)硅彈性體介電過程的影響規(guī)律。

他們發(fā)現(xiàn)在測試溫度范圍內(nèi)，有機(jī)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)散過程五種不同的介電響應(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(qiáng)度越大，同樣，頻率越低，兩者強(qiáng)度也有上升。

圖3 有機(jī)硅彈性體介電特性

同時根據(jù)有機(jī)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(jī)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)散過程的Cole-Cole模型表達(dá)式，再基于最小二乘原理，給出各參數(shù)初值提取方法，建立了目標(biāo)函數(shù)，獲得了良好的擬合效果。

根據(jù)有機(jī)硅彈性體改進(jìn)的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(qiáng)度與低頻彌散強(qiáng)度和溫度的變化規(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(jī)硅彈性體介電參數(shù)影響

引用本文

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(jī)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.